DE4022262A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungsschalters - Google Patents
Verfahren zum betrieb eines leistungsschaltersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines
Leistungsschalters, insbesondere eines Hochspannungs-Leistungs
schalters, mit einem hydraulischen Antrieb, der von einer
intermittierend antreibbaren Hydraulikpumpe in einem zwischen
zwei Druckwerten gelegenen Bereich druckbeaufschlagbar ist,
unter Verwendung eines Auslösesteuergerätes, das auf ein
Schaltsignal die Betätigung der Schaltstücke zu einem in fester
Beziehung zum Nulldurchgang des zu schaltenden Stromes oder der
anliegenden Netzspannung stehenden Zeitpunkt veranlaßt.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der US-A-35 55 354
beschrieben. Zweck des Verfahrens ist es, die Dauer der Licht
bogenentladung zwischen den Schaltstücken des Leistungsschalters
möglichst gering zu halten oder zum Zeitpunkt des Stromnulldurch
gangs durch eine ausreichende Kontaktöffnung eine Wiederzündung
des Lichtbogens sicher zu verhindern. Hierzu wird über einen Wandler
die Phasenlage des zu schaltenden Stromes gemessen. Der Schalter
wird nur unter der Voraussetzung betätigt, daß zwischen dem
Auslösezeitpunkt und dem Zeitpunkt des nächsten Stromnull
durchganges ein Zeitraum zur Verfügung steht, der für die
notwendige Öffnung der Schaltstücke des Schalters ausreicht.
Bei dem bekannten Verfahren stehen über die benötigte Schalt
zeit vom Zeitpunkt der Auslösung des Schalters bis zur aus
reichenden Öffnung der Schaltstücke keine aktuellen Daten zur
Verfügung. Die Zeit, die der Schalter zum Schalten benötigt,
ändert sich durch verschiedene Alterungsvorgänge. Außerdem ist
die Schaltzeit von vielen äußeren Betriebsbedingungen, wie z. B.
der Temperatur des Hydrauliköls, abhängig.
Zur Bewältigung solcher Probleme ist ein Verfahren zum Betrieb
eines Leistungsschalters vorgeschlagen worden, bei dem dem
Auslösesteuergerät ein Meßwert des Auslöseverzuges des
Leistungsschalters vom Zeitpunkt der Abgabe des Auslösesignals
bis zum Zeitpunkt der Trennung der Schaltstücke bei einer
vorangegangenen Ausschaltung als Korrekturgröße zugeführt wird.
Dieses Verfahren berücksichtigt die alterungsbedingten lang
fristigen Änderungen der Schaltzeit. Da diese Korrekturgröße
noch von den jeweils herrschenden, kurzfristig veränderlichen
Betriebsbedingungen des Schalters abhängig ist, wird ferner
vorgeschlagen, dem Auslösesteuergerät als weitere Korrektur
größen die Temperatur der Antriebsvorrichtung, die seit der
letzten Schalthandlung vergangene Zeit, die Versorgungsspannung
eines Auslösemagneten sowie die Temperatur der Wicklung des
Auslösemagneten zuzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die vom Schalter
antrieb jeweils zur Verfügung gestellte Beschleunigungskraft
erfaßt und als Korrekturgröße bei der Bestimmung des Auslöse
zeitpunktes berücksichtigt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Hydraulikdruck bei gegebenem Schaltsignal aus der seit dem Ende
des direkt vorangegangenen Pumpzyklus verstrichenen Zeitspanne
und der Dauer dieses Pumpzyklus abgeleitet wird und daß das
Auslösesteuergerät diesem abgeleiteten Druckwert eine Auslöse
verzugszeit zuordnet und ein Auslösesignal zu einem Zeitpunkt
abgibt, der um die Auslöseverzugszeit vor dem Zeitpunkt der
Betätigung der Schaltstücke liegt.
Die vom Zeitpunkt des Auslösesignals für den Schalter bis zum
Erreichen einer ausreichenden Kontaktöffnung oder -Schließung
verstreichende Zeit ist abhängig von der Beschleunigungskraft,
die das Antriebssystem des Schalters zur Verfügung stellt. Bei
einem hydraulischen Antrieb hängt diese Beschleunigungskraft in
erster Linie von dem zur Verfügung stehenden Hydraulikdruck ab.
Der Druck der Hydraulikflüssigkeit fällt normalerweise durch
die im System befindlichen inneren Undichtigkeiten wie z. B.
an Ventilen nach einer bestimmten Zeitfunktion ab.
Bei einem Hydraulikantrieb für einen Leistungsschalter ist aus
diesem Grunde eine Hydraulikpumpe vorgesehen, die in das
Hydrauliksystem von Zeit zu Zeit Hydraulikflüssigkeit gegen den
Druck einer Gasfeder im Hydraulikspeicher nachpumpt. Zur
Steuerung der Hydraulikpumpe sind zwei Druckschalter im
Hydrauliksystem angebracht. Beim Unterschreiten eines
Minimaldrucks, der für die ordnungsgemäße Durchführung einer
Schalthandlung erforderlich ist, wird ein Signal an eine
Steuereinrichtung abgegeben, die die Hydraulikpumpe einschal
tet. Beim Überschreiten eines für das System gültigen Nenn
drucks wird ein weiteres Signal an die Steuereinrichtung
abgegeben, woraufhin die Hydraulikpumpe abgeschaltet wird. Nach
dem Abschalten der Hydraulikpumpe findet ein langsamer Druck
abfall bis zum Minimaldruck statt, worauf die Hydraulikpumpe
ein weiteres Mal eingeschaltet wird.
Um die voraussichtlich vom Schalter benötigte Schaltzeit
bestimmen zu können, ist es wichtig, daß das Auslösesteuer
gerät Informationen über den augenblicklich zur Verfügung
stehenden Hydraulikdruck bekommt. Da es zu aufwendig ist, einen
kontinuierlich messenden Drucksensor in das Hydrauliksystem
einzubauen, insbesondere bestehende Schalter mit einem solchen
Drucksensor nachzurüsten, wird bei der vorliegenden Erfindung
der Weg beschritten, den Hydraulikdruck rechnerisch zu be
stimmen. Dabei wird ausgenutzt, daß der zeitliche Verlauf des
Druckabfalls im Hydrauliksystem während eines Pumpzyklus mit
hoher Warscheinlichkeit identisch mit dem zeitlichen Verlauf
des vorangegangenen Pumpzyklus ist. Aus der Kenntnis der Dauer
des vorangegangenen Pumpzyklus sowie der Zeitspanne, die
seit dem Ende des vorangegangenen Pumpzyklus vergangen ist,
läßt sich, sofern die zeitliche Funktion des Druckabfalls
bekannt ist, der augenblickliche Hydraulikdruck nährungsweise
berechnen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
aus der Dauer des direkt vorangegangenen Pumpzyklus des
Hydraulikantriebes die Zeitkonstante für den Druckabfall im
Hydrauliksystem berechnet wird, und daß der Hydraulikdruck für
den Zeitpunkt des Schaltsignals aus der seit dem Ende des
direkt vorangegangenen Pumpzyklus vergangenen Zeitspanne
durch Extrapolation bestimmt wird.
Wird beispielsweise ein exponentieller Druckabfall mit der Zeit
angenommen, so läßt sich aus der Dauer eines Pumpzyklus die
Zeitkonstante berechnen. Hieraus läßt sich, wenn der Anfangs
wert des Hydraulikdrucks zu Beginn des Pumpzyklus bekannt
ist, zu jedem Zeitpunkt innerhalb dieses Zyklus der augen
blickliche Hydraulikdruck berechnen.
Auch eine lineare Interpolation des Hydraulikdrucks kann unter
Umständen ausreichend genau sein.
Die Erfindung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, daß
zur Bestimmung des Anfangszeitpunktes und/oder Endzeitpunktes
eines Pumpzyklus je ein Signal eines oder mehrerer Druckschalter
herangezogen wird.
Ein Pumpzyklus kann beispielsweise so definiert sein, daß er
mit dem Erreichen des Minimaldrucks im Hydrauliksystem beginnt
und mit dem nächsten Erreichen dieses Minimaldrucks im Hydraulik
system endet. Der Beginn des Pumpzyklus kann dann durch das
Signal eines Drucküberwachungsschalters definiert werden, welches
zur Einschaltung der Hydraulikpumpe an die Steuerungseinrich
tung abgegeben wird. Das Ende des Pumpzyklus kann dann durch
das folgende Signal derselben Drucküberwachungsschalters defi
niert werden, der das erneute Einschalten der Hydraulikpumpe
bewirkt. Die Signale der Drucküberwachungssschalter werden
zusätzlich zu der Steuereinrichtung dem Auslösesteuergerät oder
einer mit dieser verbundenen Steuereinheit zugeführt, wo sie
rechnerisch weiterverarbeitet werden.
Es ist auch eine Ausgestaltung der Erfindung denkbar, bei der
zur Bestimmung des Anfangszeitpunktes und/oder Endzeitpunktes eines
Pumpzyklus das Signal eines Sensors herangezogen wird, der
die Aktivität der Hydraulikpumpe erfaßt.
Es kann beispielsweise der Beginn eines Pumpzyklus durch das
Ende der Aktivität der Hydraulikpumpe definiert sein und das
Ende eines Pumpzyklus durch den Beginn der nächsten aktiven
Phase der Hydraulikpumpe. Eine solche Erfassung der Anfangs
und Endzeiten der Pumpzyklen hat den Vorteil, daß sich ein
Sensor für die Aktivität der Hydraulikpumpe leicht nachträglich
an einem bestehenden Antriebsystem eines Leistungsschalters
anbringen läßt. Dadurch können bestehende Leistungsschalter an
das erfindungsgemäße Verfahren angepaßt werden.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren
so gestalten, daß der Sensor zur Erfassung der Aktivität der
Hydraulikpumpe den Energieverbrauch des Pumpenmotors erfaßt.
In diesem Fall ist beispielsweise lediglich eine Strommessung
in der Speiseleitung des Motors der Hydraulikpumpe zur Er
fassung der Anfangs- und Endzeiten der Pumpzyklen notwendig.
Das Stromsignal kann leicht auf elektronische Weise in ein
Signal für die Recheneinheit des Auslösesteuergerätes umgesetzt
werden.
Der jeweilige Hydraulikdruck hängt, außer vom Verlauf des
Pumpzyklus auch vom Einfluß der Umgebungstemperatur auf das
Hydrauliksystem, insbesondere auf den Druck der Gasfeder, ab.
Wenn die Temperatur ohnehin durch einen Temperatursensor erfaßt
wird, kann dieser Einfluß der Temperatur bei der Ermittlung des
Hydraulikdrucks rechnerisch berücksichtigt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
Dabei beschränkt sich die Anwendung der Erfindung nicht auf das
dargestellte Ausführungsbeispiel.
Es zeigt
Fig. 1 Ein hydraulisches Antriebssystem für eine Leistungs
schalter,
Fig. 2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des zu schaltenden
Stromes,
Fig. 3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Drucks im
Hydrauliksystem.
Der Hochspannungs-Leistungsschalter wird über die Antriebs
stange 1 mittels eines Hydraulikantriebes 2 betätigt. Der
Hydraulikantrieb 2 weist als Hydraulikspeicher eine Druckkammer 3
für die Hydraulikflüssigkeit auf. Die Hydraulikflüssigkeit
wird über einen beweglichen Kolben 4 von einer Gasfeder mit
Druck beaufschlagt, welche durch einen mit Stickstoff gefüllten
Gasraum 5 gebildet ist. Durch die Hydraulikpumpe 6 kann aus
einem Vorratsbehälter 7 Hydraulikflüssigkeit in die Druckkammer 3
nachgepumpt werden. Ein solches Nachpumpen von Hydraulik
flüssigkeit in die Druckkammer 3 ist notwendig, wenn durch
innere Lecks im Hydrauliksystem, wie beispielsweise an
beweglichen Kolben, langfristig Hydraulikflüssigkeit
verlorengeht. Zur Überwachung des Hydraulikdrucks sind zwei
Drucküberwachungsschalter 8, 9 vorgesehen. Einer der Druck
überwachungsschalter gibt an die Drucküberwachungseinheit 10
ein Signal ab, sobald ein bestimmter Minimaldruck im Hydraulik
system erreicht ist. Der zweite Druckschalter gibt ein Signal
an die Drucküberwachungseinheit 10 ab, sobald ein bestimmter
Maximaldruck im Hydrauliksystem überschritten ist. Die Druck
überwachungseinheit 10 steuert direkt die Hydraulikpumpe 6 an.
Sobald einer der Drucküberwachungsschalter 8, 9 das Unter
schreiten des Minimalsdrucks im Hydrauliksystem meldet,
schaltet die Drucküberwachungseinheit 10 die Hydraulikpumpe 6
ein. Die Hydraulikpumpe 6 fördert daraufhin aus dem Vorrats
behälter 7 solange Hydraulikflüssigkeit in die Druckkammer 3,
bis der andere Druckschalter 8, 9 das Erreichen des Nenndrucks
im Hydrauliksystem erfaßt und an die Drucküberwachungseinheit 10
meldet. Die Drucküberwachungseinheit 10 schaltet daraufhin die
Hydraulikpumpe 6 aus. Durch das Fördern von Hydraulikflüssig
keit in die Druckkammer 3 wird der Kolben 4 gegen den Druck der
Gasfeder 5 verschoben, wodurch die Gasfeder nachgespannt wird.
Auf diese Weise sinkt der Druck im Hydrauliksystem immer wieder
vom Maximaldruck im Verlauf eines Pumpzyklus 11 (Fig. 3) auf
den Minimaldruck ab, um durch das Betätigen der Hydraulikpumpe
wieder auf den Maximalwert angehoben zu werden. Unter der
Voraussetzung, daß die inneren Undichtigkeiten im Hydraulik
system unverändert bleiben, bleibt, falls die Viskosität der
Hydraulikflüssigkeit sich nicht verändert, die Leckrate und
damit auch die zeitliche Dauer eines Pumpzyklus über lange Zeit
konstant.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den typischen zeitlichen
Verlauf des Hydraulikdrucks (Y-Achse) gegen die Zeit (X-Achse)
aufgetragen. Ein Pumpzyklus 11 kann beispielsweise so definiert
werden, daß sein Anfangszeitpunkt 12 beim Erreichen des
Minimaldrucks und der Endzeitpunkt 13 beim nächsten Erreichen
des Minimaldrucks liegt.
Treten im Laufe der Zeit in dem Hydrauliksystem zusätzliche
Lecks auf, so verkürzt sich die Dauer eines Pumpzyklus, da
die Hydraulikflüssigkeit schneller aus dem Hochdruckteil des
Hydrauliksystems entweicht. Dies ist in dem in der Fig. 3
dargestellten Diagramm bei dem dritten Pumpzyklus 14 und mit
größter Wahrscheinlichkeit auch beim folgenden Zyklus der Fall.
Das folgende Beispiel bezieht sich auf den Fall, daß während
des Pumpzyklus 21 (Fig. 3) ein Schaltsignal erfolgt.
Ist die zeitliche Dauer eines direkt vorangegangenen Pumpzyklus
11 bekannt, so kann der Wert für den augenblicklich zur Ver
fügung stehenden Hydraulikdruck vom Ende 13 des Pumpzyklus 11
extrapoliert werden. Der Maximaldruck und der Minimaldruck des
Hydrauliksystems sind durch die Drucküberwachungsschalter 8, 9
unveränderlich festgelegt. Die funktionale Abhängigkeit des
Hydraulikdrucks von der Zeit ist grundsätzlich bekannt oder
leicht bestimmbar. Durch eine Recheneinheit 15 wird die Dauer
jedes Pumpzyklus bestimmt. Dazu dienen die Signale, die von den
Drucküberwachungsschalter 8, 9 an die Drucküberwachungseinheit
10 und von dort an die Recheneinheit 15 geleitet werden. Die
Dauer des Pumpzyklus geht jeweils als Parameter in die funktionale
Abhängigkeit des Hydraulikdrucks von der Zeit ein. Der
Recheneinheit 15 steht somit die funktionale Abhängigkeit des
Hydraulikdrucks von der Zeit für den jeweils direkt voran
gegangenen Pumpzyklus 11 zur Verfügung. Diese Funktion wird für
den darauffolgenden Pumpzyklus der Berechnung des Hydraulik
drucks zugrunde gelegt. Die Recheneinheit 15 ist in der Lage,
aus der seit dem Anfangszeitpunkt 13 des aktuellen Pumpzyklus
21 vergangenen Zeit den augenblicklich zur Verfügung stehenden
Hydraulikdruck zu berechnen. Bei dieser Berechnung wird vor
ausgesetzt, daß zwischen dem vorangegangenen Pumpzyklus 11 und
dem augenblicklich durchlaufenen Pumpzyklus 21 keine weiteren
Lecks in dem Hydrauliksystem entstanden sind. Jede eventuell
auftretende Änderung der zeitlichen Dauer eines Pumpzyklus wird
bereits in dem folgenden Pumpzyklus bei der Berechnung des
Hydraulikdrucks berücksichtigt.
Die Recheneinheit 15 ist in der Lage, den augenblicklich zur
Verfügung stehenden Hydraulikdruck zu berechnen. Dazu wird beim
Anfangssignal jedes Pumpzyklus eine Zeitvorrichtung 22 auf Null
zurückgesetzt und gestartet und beim Anfangssignal des
folgenden Pumpzyklus wird die verstrichene Zeitspanne ausge
lesen und als Parameter in einem Speicher 23 gespeichert.
Gleichzeitig wird die Zeitmeßvorrichtung 22 wieder auf Null
zurückgesetzt und für den nächsten Pumpzyklus gestartet.
Erfolgt ein Schaltsignal, so wird aus der Zeitmeßvorrichtung 22
die seit Beginn des aktuellen Pumpzyklus verstrichene Zeit
spanne ausgelesen und einem Rechenwerk 24 zugeführt. Das
Rechenwerk berechnet aus dieser Zeitspanne und dem im Speicher 23
befindlichen Parameter mit Hilfe eines festgelegten Extra
polationsalgorithmus einen Näherungswert für den augenblicklich
zur Verfügung stehenden Hydraulikdruck. Dieser wird dem Aus
lösesteuergerät 16 zugeleitet. Das Auslösesteuergerät 16 ordnet
dem zur Verfügung stehenden Hydraulikdruck eine voraussicht
liche Auslöseverzugszeit 17 (Fig. 2) zwischen dem Auslöse
impuls und der gewünschten phasengetreuen Öffnung der Schalt
stücke zu. Dabei können auch weitere Betriebsbedingungen des
Leistungsschalters, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur
oder die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit als Korrekturwerte
mit einberechnet werden. Dem Auslösesteuergerät 16 wird über
einen Spannungs- oder Stromwandler 18 ein phasengerechtes
Signal zugeführt. Das Auslösesteuergerät 16 gibt zu einem
Zeitpunkt 19, der um die Auslöseverzugszeit 17 vor dem
gewünschten Schaltzeitpunkt 20, beispielsweise dem Zeitpunkt
des Stromnulldurchgangs liegt, einen Auslöseimpuls an die
Auslöseeinrichtung 25 des Leistungsschalters ab. Daraufhin
werden die Schaltstücke des Schalters betätigt und haben
beispielsweise zum Zeitpunkt 20 des Stromnulldurchgangs eine
ausreichende Öffnung erreicht, die ein Wiederzünden des
Lichtbogens verhindert.
Claims (5)
1. Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschalters, insbesondere
eines Hochspannungs-Leistungsschalters, mit einem hydraulischen
Antrieb, der von einer intermittierend antreibbaren Hydraulik
pumpe in einem zwischen zwei Druckwerten gelegenen Bereich
druckbeaufschlagbar ist, unter Verwendung eines Auslösesteuer
gerätes, das auf ein Schaltsignal die Betätigung der Schalt
stücke zu einem in fester Beziehung zum Nulldurchgang des zu
schaltenden Stromes oder der anliegenden Netzspannung
stehenden Zeitpunkt veranlaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hydraulikdruck bei gegebenem Schaltsignal aus der seit
dem Ende des direkt vorangegangenen Pumpzyklus (11) verstrichenen
Zeitspanne und der Dauer dieses Pumpzyklus (11) abgeleitet wird
und daß das Auslösesteuergerät (16) diesem abgeleiteten Druckwert
eine Auslöseverzugszeit (17) zuordnet und ein Auslösesignal
zu einem Zeitpunkt (19) abgibt, der um die Auslöseverzugszeit (17)
vor dem Zeitpunkt der Betätigung der Schaltstücke liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
aus der Dauer des direkt vorangegangenen Pumpzyklus (11) des
Hydraulikantriebes (2) die Zeitkonstante für den Druckabfall im
Hydrauliksystem berechnet wird, und daß der Hydraulikdruck für
den Zeitpunkt des Schaltsignals aus der seit dem Ende (13) des
direkt vorangegangenen Pumpzyklus (11) vergangenen Zeitspanne
durch Extrapolation bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des Anfangszeitpunktes (12) und/oder Endzeit
punktes (13) eines Pumpzyklus (11) je ein Signal eines oder
mehrerer Druckschalters (8, 9) herangezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Bestimmung des Anfangszeitpunktes (12) und/oder Endzeit
punktes (13) eines Pumpzyklus (11) das Signal eines Sensors
herangezogen wird, der die Aktivität der Hydraulikpumpe (6)
erfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor zur Erfassung der Aktivität der Hydraulikpumpe (6)
den Energieverbrauch des Pumpenmotors erfaßt.
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