DE4105698A1

DE4105698A1 - Dreipoliges vakuumschuetz mit gruppenantrieb

Info

Publication number: DE4105698A1
Application number: DE19914105698
Authority: DE
Inventors: Eckehard Dr Gebauer; Wolfgang Dipl Ing Kuehn; Juergen Czinczoll
Original assignee: Elektro Apparate Werke VEB
Current assignee: Eaw Relaistechnik 10317 Berlin De GmbH
Priority date: 1991-02-21
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1992-08-27
Anticipated expiration: 2011-02-22
Also published as: DE4105698C2

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein wartungsfreies mehrpoliges, in der Regel 3poliges Vakuumschütz mit Gruppenantrieb zum Schalten von Drehstromverbrauchern, mit dem bei allen für dieses Schütz typischen Belastungsfällen eine elektrische Lebensdauer erreicht wird, die der mechanischen entspricht.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Ausschaltvorgang bei den normal arbeitenden und bekannten Schaltgeräten bzw. Schützen ist mit einem Lichtbogenvorgang verbunden. Damit wird unter der Einwirkung der Lichtbogenfußpunkte abhängig von der Stromhöhe Schaltstückwerkstoff abgetragen, die elektrische Lebensdauer dieser Anordnungen ist daher abhängig von dem zu schaltenden Strom und liegt in der Regel weit unter der erreichbaren mechanischen Lebensdauer. Die Folge ist ein erheblicher Wartungsaufwand, z. B. durch die notwendige Auswechslung der Schaltstücke, Lichtbogenkammern u. a.

Es ist bereits eine Anordnung bekannt geworden, die den spezifischen Schaltvorgang in einem Drehstromsystem nutzt, daß der Lichtbogen zuerst in einer Phase bzw. einem Schützpol gelöscht wird und in den beiden anderen Polen nach einem Phasensprung eine im Prinzip einphasige Abschaltung mit einer dann vorliegenden Reihenschaltung beider Pole erfolgt, dadurch, daß in dem zuerst öffnenden Pol zwei Schaltstrecken bzw. zwei Kontaktbahnen in Reihe geschaltet sind, um den Abschaltvorgang zu sichern und die beiden anderen Pole des Schützes später aber ohne eine definierte Zeitspanne öffnen (DE-PS 10 51 357). Aber auch diese Anordnung vermeidet nicht den grundsätzlichen Nachteil eines vom Strom abhängigen Schaltstückabbrandes, sondern bringt nur eine Verbesserung des Schaltvermögens durch die Reihenschaltung von zwei Kontaktbahnen bzw. Unterbrechungsstellen in dem zuerst öffnenden Pol.

Ziel der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Lösung soll eine Angleichung der elektrischen an die mechanische Lebensdauer eines Vakuumschützes mit Gruppenantrieb bei allen Belastungsarten und allen, diesem Gerät zuordnenbaren Ein- und Ausschaltströmen erreicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Vakuumschütz mit Gruppenantrieb eine derartige Steuerung der Schaltstückbewegung zu erreichen, daß der Schaltstückabbrand wesentlich minimiert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Magnetantrieb einen konstanten und gleichbleibenden Ein- und Ausschaltverzug aufweist und daß durch an sich bekannte mechanische Mittel, z. B. versetzt ausgebildeter Hub, bei jedem Ausschaltvorgang in einer Vakuumschaltkammer (Bezugsphase) die Schaltstücke zuerst öffnen und in einer konstanten Zeitspanne die Schaltstücke der anderen beiden Vakuumschaltkammern gleichzeitig öffnen. Hierbei soll die Öffnung der Schaltstücke in der Bezugsphase in bereits vorgeschlagener Weise durch Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit von der Phasenlage des zu unterbrechenden Stromes in einem Zeitfenster von 2<t_SA<0 ms vor dem natürlichen Stromnulldurchgang in dieser Phase erfolgen und die Öffnung der Schaltstücke der beiden anderen Vakuumschaltkammern gleichzeitig und abhängig von der Netzfrequenz, bei 50 Hz nach 5 ms und damit ebenfalls synchronisiert in einem gleichen Zeitfenster vor dem Stromnulldurchgang erfolgen. Zur Vermeidung schädlicher und zu hoher Ausgleichströme während des Einschaltvorganges erfolgt das Schließen der Schaltstücke in den beiden zuletzt öffnenden aber zuerst schließenden Vakuumschaltkammern in der vorgeschlagenen Weise durch Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit von der Phasenlage in einer dieser beiden Phasen in einem Zeitbereich von ±2 ms vor bzw. nach dem Stromnulldurchgang so daß danach in einer konstanten Zeitspanne von 5 ms die Schaltstücke in der zuerst öffnenden, aber zuletzt schließenden Vakuumschaltkammer schließbar sind.

Zweckmäßigerweise wird der Ein- und Ausschaltbefehl mittels Prozessor abgeleitet aus einer Messung der Phasenlage des Stromes in der jeweiligen Bezugsphase, weiterhin aus der Messung der Höhe der Betätigungsspannung für den Magnetantrieb sowie aus einem Vergleich der Phasenlage zwischen Netz- und Motorrestspannung. Beim Schalten von Motoren, insbesondere beim Zuschalten des noch erregten Drehstrommotors (mit abklingendem Restmagnetfeld) bzw. bei Drehrichtungsumkehr soll vom Prozessor nur dann ein Signal für das Schließen der Schaltstücke in der für das Schließen gewählten Bezugsphase abgebbar sein, wenn die Abweichung zwischen Netz- und Motorrestspannung nicht mehr als ±30° elektrisch beträgt.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Magnetantrieb mit einer konstanten Ausschaltverzugszeit von n · 10 ms ausgelegt und als Ausschaltsignal findet der Stromnulldurchgang in der ausgewählten Bezugsphase Verwendung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild des Vakuumschützes,

Fig. 2 das Ausschaltdiagramm des Vakuumschützes,

Fig. 3 das Spannungsdiagramm,

Fig. 4 das Schaltbild der Steuereinrichtung in der Bezugsphase.

In Fig. 1 ist schematisch ein 3poliges Vakuumschütz dargestellt mit einem gemeinsamen Gruppen-Magnetantrieb 3, den Vakuumschaltkammern 1 und 2 und der zu schaltenden Last 4. Nach dem Erfindungsgedanken ist dabei eine der drei Vakuumschaltkammern, in Fig. 1 z. B. die Vakuumschaltkammer 1 in der Phase R, so angeordnet, daß sie bei einem Ausschaltvorgang zeitlich vor den anderen Vakuumschaltkammern 2 öffnet, z. B. durch eine unterschiedliche und größere Schaltstücköffnung bzw. Hub bei gleichem Magnethub. Das ist z. B. durch unterschiedliche Hebelübersetzungen der Übertragungsglieder zwischen beweglichen Schaltstückträger der Vakuumschaltkammern und Magnetantrieb zu bewerkstelligen.

Der Magnetantrieb 3 soll nun durch bereits vorgeschlagene Mittel so gesteuert werden, daß die Schaltstücke in der Vakuumschaltkammer 1 synchronisiert in einem Zeitfenster von 2<t_SA<0 ms vor dem Stromnulldurchgang in der entsprechenden Bezugsphase, nach Fig. 1 und Fig. 2 z. B. in Phase R, öffnen. Die Steuereinrichtung des Magnetantriebs enthält hierzu Mittel, die aus den Bewegungsvorgang bestimmenden mechanischen und magnetischen Parametern des Magnetantriebs Magnetfluß und Öffnungsweg, weiter aus den Belastungsstrom und dessen Phasenlage der Bezugsphase charakterisierenden Parametern Signale gewinnt, die der synchronisierten Öffnung der Schaltstücke der Vakuumschaltkammer dienen.

Die Öffnungsgeschwindigkeit bzw. die weitere Bewegung des Magnetantriebes 3 bis zur Öffnung der Schaltstücke in den Vakuumschaltkammern 2, Phase S und T des Drehstromsystems, soll nun so bemessen sein, daß diese in einer Zeitdifferenz von t_p=5 ms (bei einer Frequenz von 50 Hz) bzw. von 5<t_p-t_SA<3 ms und gleichzeitig öffnen, Fig. 2.

Bei einer von 50 Hz abweichenden Netzfrequenz ist die Zeitdifferenz t_p zwischen Löschen des Vakuumlichtbogens im Stromnulldurchgang in der erstlöschenden Phase bis zum Stromnulldurchgang der beiden anderen, durch den Phasensprung dann in Reihe liegenden Pole entsprechend zu bemessen. Damit wird nach Fig. 2 in dem symmetrischen Drehstromsystem bzw. bei einer symmetrischen Drehstromlast (Motor) mit einer gegenüber einer Einzelpolsteuerung wesentlich niedrigeren Aufwand eine Ausschaltung mit einem ebenfalls vernachlässigbaren niedrigen Schaltstückabbrand erreicht, der eine der mechanischen gleiche elektrische Lebensdauer bei praktisch allen Belastungsarten ermöglicht. Damit auch die schädlichen Auswirkungen bzw. der Schaltstückabbrand durch Prellen während des Einschaltvorganges, hervorgerufen durch hohe Ausgleichströme bei Zuschalten von noch laufenden Motoren mit Restmagnetfeld, reduziert werden, wird der Magnetantrieb so gesteuert bzw. bei einem konstanten Einschaltverhalten so zugeschaltet, daß in den beiden bei jedem Ausschaltvorgang zuletzt öffnenden, aber zuerst schließenden Vakuumschaltkammern, bei jedem Einschaltvorgang die Schaltstücke dann geschlossen werden, wenn die beiden Spannungssysteme, d. h., das vom Netz und das vom Restmagnetfeld im Motor induzierte, nur um einen Winkel von ±Φ=±30° elektrisch voneinander abweichen, Fig. 3. Beim Schalten von Kondensatoren oder induktiven Verbrauchern könnte einer dieser beiden zuerst schließenden Vakuumschaltkammern als Bezugsphase genommen werden und ein Schließen dieser Vakuumschaltkammer bzw. der Schaltstücke in einem Zeitfenster von ±2 ms vor bzw. nach dem Stromnulldurchgang (bezogen auf ein eingeschwungenes und symmetrisches Drehstromsystem) erfolgen.

In einer weiteren Verbesserung des Erfindungsgedankens könnten in dem Vakuumschütz mit Gruppenantrieb und gesteuertem Magnetantrieb bzw. Magnetantrieb mit konstantem Bewegungsverhalten und zeitlich gestaffelter Schaltstücköffnung bzw. gestaffeltem Schaltstückschließen in den zuerst schließenden Phasen, nach Fig. 1 die Phasen S und T, die Schaltstücke 5 ms vor dem Stromnulldurchgang in der Phase R, bezogen auf ein eingeschwungenes Dreiphasensystem mit 50 Hz, schließen und die Schaltstücke der Vakuumschaltkammer in der Phase R in einem gleichen und zum Ausschaltvorgang analogen Zeitabstand von 5 ms geschlossen werden.

Damit werden Ausgleichsvorgänge bei einem Einschaltvorgang zu beliebigen Zeitpunkten einer Stromhalbwelle zwar nicht vollkommen vermieden, aber entscheidend reduziert.

Ein weiterer Vorteil des gesamten Erfindungsgedankens besteht in der Möglichkeit, das einzusetzende Schaltstückvolumen wesentlich zu verringern und gleichzeitig auch damit das Schaltkammervolumen herabzusetzen. Der prinzipielle Aufbau einer zur Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung notwendigen Steuerung des Magnetantriebes 3 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Befehl zum Ein- und Ausschalten wird über den Steuerschalter 7 (Hilfsschalter, Steuerschalter, elektronische Steuerung u. a.) an den Prozessor 6 gegeben. Als weitere Signale werden dem Prozessor 6 die Phasenlage des Bezugsstromes I_R (nach Fig. 1 und 2) und der Phasenwinkel zwischen der Netzspannung U_R und der vom Motor erzeugten Restspannung U_RM bzw. die Differenz zwischen beiden Spannungen zugeführt. Von dem Prozessor 6 wird daraus ein Signal bzw. die Betätigung des Schaltgliedes 5 (Relais, steuerbarer Halbleiter u. ä.) abgeleitet und zwar so, daß unter der erfindungsgemäßen Voraussetzung einer konstanten Ein- und Ausschaltverzugszeit des Vakuumschützes mit Magnetantrieb 3 und Vakuumschaltkammern 1 und 2 das Schließen als auch Öffnen der Schaltstücke in dem erfindungsgemäßen Zeitfenster erfolgt.

Als eine weitere und vorteilhafte Ergänzung des Erfindungsgedankens kann dabei als Kriterium noch eingefügt werden, daß ein Einschaltbefehl für den Magnetantrieb 3 durch den Prozessor nur dann abgeleitet wird, wenn die zum sicheren Betätigen des Magnetantriebes 3 erforderliche Mindestanzugsspannung U_Bmin vorhanden ist. Eine weitere vorteilhafte Auslegung des Erfindungsgegenstandes kann darin bestehen, daß der Magnetantrieb 3 mit einer konstanten Ausschaltverzugszeit von n · 10 ms (n=1) ausgelegt wird, bezogen auf die zuerst öffnende Vakuumschaltkammer.

In diesem Fall kann als Signal für die Einleitung des Ausschaltvorganges der Stromnulldurchgang des Belastungsstromes in der Bezugsphase auf bekannte Weise und mit einfachen Mitteln herangezogen werden.

Claims

1. Dreipoliges Vakuumschütz mit Gruppenantrieb zum Schalten von Drehstromverbrauchern, bestehend aus drei Vakuumschaltkammern, die durch einen gemeinsamen Gruppen-Magnetantrieb betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetantrieb (3) einen konstanten und gleichbleibenden Ein- und Ausschaltverzug aufweist und daß durch an sich bekannte mechanische Mittel, z. B. versetzt ausgebildeter Hub, bei jedem Ausschaltvorgang in einer ausgewählten Vakuumschaltkammer (1) (Bezugsphase) die Schaltstücke zuerst öffnen und in einer konstanten Zeitspanne die Schaltstücke der anderen beiden Vakuumschaltkammern (2) gleichzeitig öffnen, daß die Öffnung der Schaltstücke der Bezugsphase in bereits vorgeschlagener Weise durch Steuerung des Magnetantriebes in Abhängigkeit von der Phasenlage des zu unterbrechenden Stromes in einem Zeitfenster von 2<t_SA<0 ms vor dem natürlichen Stromnulldurchgang in dieser Phase erfolgt und daß die Zeitspanne bis zum Öffnen der Schaltstücke der beiden anderen Vakuumschaltkammern (2) bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 5 ms beträgt und daß das Schließen der Schaltstücke in den beiden zuletzt öffnenden aber zuerst schließenden Vakuumschaltkammern (2) in vorgeschlagener Weise in einem Zeitbereich von ±2 ms vor bzw. nach dem Stromnulldurchgang in einer dieser beiden Phasen erfolgt und daß danach in einer konstanten Zeitspanne von 5 ms die Schaltstücke in der zuerst öffnenden aber zuletzt schließenden Vakuumschaltkammer schließbar sind.

2. Dreipoliges Vakuumschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- und Ausschaltbefehl mittels Prozessor (6) ableitbar ist aus einer Messung der Phasenlage des Stromes in der jeweiligen Bezugsphase, der Messung der Höhe der Betätigungsspannung für den Magnetantrieb (3) sowie einem Vergleich der Phasenlage zwischen Netz- und Motorrestspannung.

3. Dreipoliges Vakuumschütz nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom Prozessor (6) nur dann ein Signal für das Schließen der Schaltstücke in der für das Schließen gewählten Bezugsphase abgebbar ist, wenn die Abweichung zwischen Netz- und Motorrestspannung nicht mehr als ±30% elektrisch beträgt.

4. Dreipoliges Vakuumschütz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetantrieb (3) mit einer konstanten Ausschaltverzugszeit von n · 10 ms ausgelegt ist und daß als Ausschaltsignal der Stromnulldurchgang der Bezugsphase Verwendung findet.