DE4317965A1 - Hybrider Leistungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen hybriden Leistungs­ schalter zum Abschalten eines Netzzweiges, insbesondere zur extrem strombegrenzenden Abschaltung bei Kurzschlüs­ sen.

Bei hybriden Leistungsschaltern bindet beim Abschalten ein Kommutieren von dem im Betriebsfall leitenden mechanischen Schalter auf einen den Kurzschluß begrenzenden Zweig statt. Der Widerstand des geschlossenen mechanischen Schaltgliedes ist sehr gering. Bei rein mechanischen Leistungsschaltern beträgt die in Wärme umgesetzte Ver­ lustleistung für Nennströme I_N von 10 bis 1000 A etwa p = 0,1 W pro Pol/Phase. Demgegenüber sind die Durchlaß­ verluste von bipolaren Halbleitern durch die Durchlaß­ spannung von beispielsweise typisch 1,5 V beim Thyristor und 2,5 V beim abschaltbaren Thyristor bis zu zwei Grö­ ßenordnungen höher als beim mechanischen Schalter. Bei unipolaren Halbleitern wie beispielsweise MOS-Transistoren ist in der Hauptstrombahn kein pn-Übergang, so daß der Durchlaßwiderstand prinzipiell durch Flächenvergrößerung beliebig verkleinert werden kann. Halbleiterschalter wer­ den in der Praxis zur Verwendung als Fehler-Strom-Limiter eingesetzt (sh. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 5, No. 4 (1990), p. 1830 bis 1838).

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen bipolaren Halbleiterschalter zu konzipieren, mit dem Netzzweige sicher zu- bzw. abgeschaltet werden können und bei dem insbesondere bei Vorliegen eines Kurzschlusses eine extrem strombegrenzende Abschaltung gewährleistet ist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Parallelschal­ tung eines schnellen mechanischen Schalters und eines Thyristors gelöst. Dabei hat vorzugsweise der schnelle mechanische Schalter einen sogenannten Thomson-Antrieb. Der Thyristor ist vorzugsweise abschaltbar und insbeson­ dere ein sogenannter GTO (gate turn off).

Grundidee der erfindungsgemäßen Schaltanordnung ist, daß der mechanische Schalter nur den Nennstrom bzw. betriebs­ mäßig zulässigen Überstrom tragen muß, nicht jedoch Kurz­ schlußströme. Bei Verdacht auf einen möglichen Kurzschluß wird der GTO gezündet und der mechanische Schalter mit einem Thomson-Antrieb geöffnet. Es bildet sich ein klei­ ner Abreißfunken und die Schaltstrecke ist in kürzester Zeit wieder verfestigt. Hat sich der Verdacht auf Kurz­ schluß bestätigt, schaltet der GTO ab. Liegt kein Kurz­ schluß vor, schließt der mechanische Schalter wieder. Die dabei am GTO auftretende Verlustenergie ist vernachlässig­ bar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen

Fig. 1 einen hybriden Leistungsschalter mit einer zuge­ hörigen Prüfschaltung,

Fig. 2 die Realisierung eines schnellen mechanischen Schalters im geschlossenen sowie geöffneten Zustand und

Fig. 3 mit Teilfig. a bis d Spannungsverlauf und Strom­ verteilung bei einem Abschaltvorgang eines Schal­ ters gemäß Fig. 1 und Fig. 2.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Netzgerät, mit 2 ein Kondensator vorgegebener Kapazität, beispielsweise 0,196 F, mit 3 ein als Thyristor realisierter Halbleiterschalter und mit 4 ein Verbraucher mit vorgegebenem ohmschen und induktiven Widerstand, bspw. 22 mΩ und 42,5 µH bezeichnet. Die Kompo­ nenten 1 bis 4 bilden eine Prüfschaltung, die weitgehend einem realen Netzabzweig entspricht, wobei der Prüfstrom durch die Kondensatorentladung durch Einschalten des Thy­ ristors B erzeugt wird. Mit einer solchen Prüfschaltung können unterschiedlichste Schaltanordnungen getestet wer­ den.

In der Prüfschaltung gemäß Fig. 1 ist speziell ein hybrider Leistungsschalter als zu prüfender Schalter an­ geordnet. Er besteht im einzelnen aus der Parallelschal­ tung eines GTO 10 (gate turn off-Thyristor) und eines schnellen mechanischen Schalters 20. Dem GTO 10 ist eine Schutzbeschaltung 15 zugeordnet. Sie besteht im einzelnen aus der Parallelschaltung einer Diode 16 mit nachgeschal­ teter Kapazität 17 und eines ohmschen Widerstandes 18. Derartige Schutzschaltungen sind als sogenannte Snubber­ kreise bekannt. Weiterhin ist dem GTO 10 zur Spannungs­ begrenzung ein Varistor 19 parallelgeschaltet.

In Fig. 2 ist der schnelle mechanische Schalter 20 gemäß Fig. 1 im einzelnen dargestellt. Er besteht im wesentli­ chen aus Silber-Kontakten 21, die an Blattfedern 22 an­ gebracht sind und von letzteren zusammengedrückt werden. Beispielsweise beträgt das Nennschaltvermögen eines sol­ chen Schalters 25 A. Die Kontakttrennung erfolgt bei sol­ chen schnellen Schaltern durch das Auseinanderdrücken der Kontakte 21 mit einem als Schneide ausgebildeten Stößel 23, an dem sich weiterhin eine Aluminiumscheibe 24 be­ findet.

Der sogenannte Thomson-Antrieb wird durch eine Spule 25 gebildet, die von einem nicht dargestellten Thyristor Zündgerät angesteuert wird. Durch die Aktivierung des Thomson-Antriebes mit Spule 25 ist mit einer maximalen Beschleunigung von < 50.10³ m/s² eine weit schnellere Antriebsart gegeben, als dies bisher durch feder- oder pyrotechnische Antriebe möglich ist. In Verbindung mit der den Lichtbogen verlängernden und damit die Abschaltung fördernden Anordnung ist somit eine extrem schnelle Ab­ schaltung gewährleistet. Das Zündgerät selbst wird aus dem Stromsignal des Hauptstromkreises über einen Schwellwert­ detektor gezündet.

Mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 wurden Ver­ suche mit Ladespannungen bis 30 V durchgeführt, was einem prospektiven Kurzschlußstrom von 2,2 kA entspricht. Bei den zugehörigen Ergebnissen, die auf einem Oszillographen sichtbar gemacht wurden, zeigen in Fig. 3 die Teilfig. a die Spannung am hybriden Leistungsschalter 10, 20, die Teilfig. b den Strom am Varistor 19, die Teilfig. c den Strom im mechanischen Schalter 20 und die Teilfig. d den Strom im GTO 10. Die Zeitablenkung wurde jeweils mit 50 µs/div, die Spannung am hybriden Leistungsschalter ge­ mäß Fig. 3a mit 100 V/div, der Strom im Varistor 19 gemäß Fig. 3b, der Strom im mechanischen Schalter 20 gemäß Fig. 3c mit 20 A/div und der Strom im GTO 10 gemäß Fig. 3c mit 20 A/div gewählt. Der so dargestellte Kurvenverlauf ist signifikant für den anhand Fig. 1 und Fig. 2 beschrie­ benen hybriden Leistungsschalter 10, 20.

Es zeigt sich, daß bei einem Strom von ca. 30 A der Schwellwertdetektor bei t₀= 60 µs anspricht und den Thyri­ stor im Spulenkreis des Thomson-Auslösers 25 zündet. Nach weiteren 130 µs kommutiert der Strom bei t₁ vom mechani­ schen Schalter 20 voll auf den GTO 10. Da der GTO 10 von Anfang an leitfähig ist, fließt gemäß der Widerstandsauf­ teilung vom mechanischen Schalter 20 mit seinem Lichtbogen und dem GTO 10 ein Strom durch den GTO 10.

Eingehende Versuche haben bestätigt, daß zur Wiederver­ festigung der Schaltstrecke infolge des sehr kleinen, mit dem Auge kaum feststellbaren Lichtbogens eine Zeit von etwa 20 µs genügen kann. Dadurch schaltet der GTO 10 bereits nach 200 µs nach Strombeginn bei t₂ ab und leitet die Abschaltung des gesamten Kreises ein. Der Momentanwert des Stromes beträgt hier etwa 110 A.

Das Abschalten des GTO′s 10 dauert typischerweise 8 µs. Der GTO-Zweig ist jedoch weiter leitend, da der Strom in dem Snubber-Kreis 15 kommutiert, wo er den Kondensator 17 lädt und somit eine Spannung aufbaut. Das Maximum der Spannung beträgt 250 V und hat einen Strom zur Folge, welcher nach ca. 150 µs abgeklungen ist.

Bei Berücksichtigung der Zeitkoordinaten in Fig. 3 ergibt sich, daß die gesamte Stromflußzeit t₃ ungefähr 300 µs beträgt. Zwischen Ansprechen des Schwellwertschalters und Ende des Stromflusses liegen also etwa 240 µs.

Claims (6)

1. Hybrider Leistungsschalter zum Abschalten eines Netz­ zweiges, insbesondere zur extrem strombegrenzenden Ab­ schaltung bei Kurzschlüssen, gekennzeichnet durch die Parallelschaltung eines schnellen mechanischen Schalters (20) und eines Thyristors (10).

2. Hybrider Leistungsschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der schnelle mechanische Schalter (20) einen sogenannten Thomson-Antrieb (25) hat.

3. Hybrider Leistungsschalter nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Thyri­ stor (10) abschaltbar ist.

4. Hybrider Leistungsschalter nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der ab­ schaltbare Thyristor ein sogenannter GTO (10) ist.

5. Hybrider Leistungsschalter nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Spannungsbegrenzung und Energieaufnahme dem GTO (10) ein Varistor (19) parallelgeschaltet ist.

6. Hybrider Leistungsschalter nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Schutzbeschaltung (15) für den GTO vorgesehen ist.