DE4022262A1 - Verfahren zum betrieb eines leistungsschalters - Google Patents

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.