DE975706C - Einrichtung zur Vermeidung von schaedlichen Schwingungsvorgaengen beim Schalten von Kondensatoren, insbesondere Hochspannungs-kondensatoren - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 14. JUNI 1962

S 18672 VIIId/sic

Beim Schalten von Kondensatoren treten bekanntlich Schwingungsvorgänge auf. Diese können insbesondere beim Parallelschalten von Hochspannungskondensatoren sehr hohe Stromspitzen hoher Frequenz zur Folge haben. Bei Normalkondensatoren ergibt sich beispielsweise beim Einschalten eines Kondensators eine Spitze von mindestens der 25fachen Höhe des Nennstromes bei mindestens 25 fächer Nennfrequenz, was etwa eine mindestens Ö25fache Stromsteilheit bedeutet. Die Stromsteilheit steigt mit der Spannung, und sie kann bei hohen Spannungen bis zum Mehrtausendfachen ansteigen.

Zur Verringerung dieser schädlichen Schwingungsvorgänge beim Parallelschalten von Kondensatoren ist es bekannt, den Kondensatoren Drosselspulen vorzuschalten, um den Einschaltstromstoß und die Stromsteilheit zu begrenzen.

Da die Reihenschaltung eines Kondensators mit einer Drosselspule einen Resonanzkreis für eine bestimmte Frequenz darstellt und bei Übereinstimmung dieser Frequenz mit einer im Netz vorhandenen Oberwelle sehr große Oberwellenströme auftreten können, hat man die Vordrosselspulen so bemessen, daß die Resonanzfrequenz zwischen der Grundfrequenz und der ersten in größerem Maße enthaltenen Oberwelle, nämlich der fünften Oberwelle, liegt. Der induktive Widerstand der Vordrossel wurde demgemäß größer als 5% des kapazitiven Widerstandes des zu schaltenden Konden-

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sators gewählt. Man hielt ihn bisher in der Größenordnung von etwa 7 bis 10% als am geeignetsten. Eine solche Vordrossel ist aber nicht nur kostspielig, sondern man verliert durch sie gleichzeitig einen entsprechenden Prozentsatz der kapazitiven Blindleistung des Kondensators, so daß die Kondensatorleistung um den gleichen Betrag vergrößert werden muß. Außerdem erschwert eine so große Reiheninduktivität auch den Abschaltvorgang dadurch, daß die bei Rückzündungen am Schalter auftretenden Schwingungen wenig gedämpft sind und die Gefahr von Schwingungsaufschaukelungen zunimmt. Dadurch erhöhen sich die Schalterbeanspruchungen bei Vergrößerung der Vordrosselinduktivität über 7°/o- des kapazitiven Widerstandes des zu schaltenden Kondensators eventuell mehr, als sie durch die Verkleinerung der Schaltströme abnehmen.

Es ist auch schon der Vorschlag bekannt, den ao induktiven Widerstand der Vordrossel so zu bemessen, daß er nur 0,3 bis 1,0% des kapazitiven Widerstandes des Kondensators beträgt. In bestimmten Fällen, d. h. in Netzen, in denen mit Rücksicht auf einen möglichst hohen Kurzschlußstrom ohnehin Schalter mit einer im Verhältnis zur Kondensatorleistung sehr großen Kurzschlußleistung vorhanden sind, kann man zwar durch eine derartige Bemessung der Vordrossel noch zu befriedigenden Ergebnissen gelangen. Will man aber größere Kondensatorleistungen mit einer Vordrossel schalten, deren induktiver Widerstand entsprechend dem bekannten Vorschlag zwischen 0,3 und ι ^fl/o liegt, so ergeben sich — wie Versuche gezeigt haben — für die Schalter so schwierige Schaltvorgänge, daß sie mit den üblichen Schaltern nicht mehr beherrscht werden können, und es wären Schalter erforderlich, welche im Verhältnis zur Kondensatorleistung einen so großen Aufwand bedingen, daß sie nicht mehr wirtschaftlich sind. Man hat daher bei großen Kondensatorleistungen auf Vordrosseln verzichtet und den Kondensatoren zur Dämpfung während des Schaltvorganges große Widerstände vorgeschaltet. Auch dieser Weg ist wegen des zusätzlichen Aufwandes zum Schalten dieses Widerstandes unbefriedigend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde^, beim Schalten von Kondensatoren, insbesondere Hochspannungskondensatoren, einen einwandfreien Schaltvorgang mit einem Minimum an Aufwand besonders hinsichtlich der zu verwendenden Schaltmittel sicherzustellen. Sie geht von der Erkenntnis aus, daß dies nur erreichbar ist, wenn Stromamplitude und Stromsteilheit bestimmte Werte nicht überschreiten, und daß hierbei folgende Ge-Sichtspunkte zu berücksichtigen sind: -

Bei der Variation der Eigenfrequenz der sich beim Schalten eines Kondensators ausbildenden freien Schwingung durch Änderung einer vorgeschalteten Induktivität (z.B. von 0,3°/o ab aufwärts) sind Frequenzen unter 400 Hz erheblich schwieriger zu beherrschen als höhere Frequenzen, weil die üblichen Schalter dann dazu neigen, bereits nach der ersten Halbwelle jede Rückzündungsschwingung zu unterbrechen. Mit der Vergrößerung der Induktivität tritt deshalb oberhalb einer bestimmten Frequenz die Gefahr der Aufschaukelung der Schalter spannung auf, die um so größer ist, je weniger die Schwingung gedämpft ist.

Bei Schaltern, deren Ausschaltvorgang länger als eine Halbwelle der Netzfrequenz dauern kann — und das sind die meisten der heute üblichen Hochspannungsschalter —, spielt die Dämpfung der Ausgleichsschwingung eine wichtige Rolle für die Höhe einer Spannungsaufschaukelung. Die Dämpfung ist abhängig von der Induktivität der Drosselspule und den Wirkverlusten im Schwingungskreis. Je höher zur Verringerung von Stromamplitude und Stromsteilheit die Induktivität der Drosselspule gewählt wird, desto höher müssen auch die Verluste im Schwingungskreis sein. Bei Eigenfrequenzen unter 400 Hz genügen die natürlichen Verluste des Schwingungskreises nicht, und es müßten so große Dämpfungswiderstände vorgeschaltet werden, daß sie nicht in Dauerbetrieb eingeschaltet bleiben können. Dadurch würden sich aber wieder komplizierte Schaltungen ergeben, beispielsweise für besondere Überbrückungsschalter für die Dämpfungswiderstände und Verriegelungen zur Erzwingung der richtigen Schaltfolge, oder es müßten besondere Schalter mit Vorkontakten verwendet werden, die ebenfalls Sonderkonstruktionen und daher eine wesentliche Verteuerung bedingen. Die Beanspruchung von Schaltern, Kondensatoren und sonstigen Netzteilen ist nicht nur durch die Vorgänge beim Einschalten, sondern auch durch die Höhe und die Steilheit der Stromstöße beim Wiederzünden des beim Abschalten unterbrochenen Schaltlichtbogens bedingt. Es konnte festgestellt werden, daß bei Steilheiten, die über die beim Netzkurzschluß in der betreffenden Anlage auftretenden Stromsteilheiten hinausgehen, die Verwendung von Schaltern größerer Abschaltleistung unerläßlich ist.

Da im Netz häufig Spannungsoberwellen der 5- und 7fachen Netzfrequenz enthalten sind, darf die Eigenfrequenz des Schwingungskreises nicht mit dieser Frequenz übereinstimmen, da sonst durch vergrößerte Oberwellenströme Kondensator, Schalter_ und sonstige Netzteile reichlicher ausgelegt werden müßten und dadurch wieder eine Vermehrung des Aufwandes und damit eine Verteuerung der Anlage eintreten würde.

Die genaue Erforschung dieser Zusammenhänge und die quantitative Abgrenzung dieser sich teilweise widersprechenden Forderungen führte zu dem Ergebnis, daß für die praktisch vorkommenden Fälle eine Möglichkeit besteht, mit üblichen Hochspannungsschaltern und ohne im Dauerbetrieb überbrückte besondere Dämpfungswiderstände lediglich mit einer Vordrossel bestimmter Größe auch große Hochspannungskondensatoren einwandfrei zu schalten. Diese Möglichkeit ist dann gegeben, wenn gemäß der Erfindung die Vordrossel so bemessen wird, daß ihr induktiver Widerstand zwischen 1,1 und" 1,8% des kapazitiven Widerstandes des· zu schaltenden Kondensators beträgt. -Wie

Versuche ergeben haben, sind die Beanspruchungen des Schalters dann nicht größer als die Beanspruchungen, welche dieser bei Kurzschlüssen ohnehin bewältigen muß. Es sind demnach keine größeren Schalter erforderlich, und es bedarf auch keiner besonderen Schalterspezialkonstruktionen. Auch die induktive Blindleistung einer so bemessenen Drossel ist noch nicht so groß, daß sie die Größe des Kondensators nachteilig beeinflußt.

ίο Durch die Erfindung wird es möglich, nicht nur Kondensatoren kleiner Leistung mit überdimensionierten Schaltern zu schalten, wie es die bekannte Bemessungsvorschrift (0,3 bis 1,0%) zuläßt, sondern auch große Kondensatoren mit mehreren ioookVA Leistung mittels einer relativ kleinen Vordrossel und eines für derartige Leistungen normal bemessenen Schalters einwandfrei ein- und auszuschalten sowie parallel zu schalten. Die Reiheninduktivität für den einzelnen zu

ao schaltenden Kondensator (Kondensatoreinheit) kann in an sich bekannter Weise als Luftdrossel ausgeführt werden. Diese hat den Vorteil, daß ihr induktiver Widerstand von der Stromstärke unabhängig ist und daher beim Einschaltvorgang ebenso groß ist wie während des Betriebes. Gegenüber der gebräuchlichen, aus Kupferband gewickelten scheibenförmigen Luftdrossel ist es hier vorteilhaft, Eisenband zu verwenden, da die bei den Einschaltschwingungen höherer Frequenz entstehenden größeren Verluste als vergrößerte Dämpfung erwünscht sind, während die Verluste im Dauerbetrieb bei Netzfrequenz wegen der Kleinheit der Drosselleistung nicht ins Gewicht fallen. Infolge der magnetischen Permeabilität des Eisenbandes kann die Windungszahl verkleinert werden. Eine besonders zweckmäßige und wirtschaftliche Form der Vordrosseln bei großen Kondensatorleistungen ergibt sich durch ihre Ausbildung als Eisendrossel mit einem so großen Luftspalt, daß die Eisen-Sättigung bei Normalstrom nur etwa 2000 bis 3000 Gauß beträgt, so daß auch bei etwa iofachem Strom noch keine übermäßige Sättigung des Eisens eintritt und die Induktivität höchstens um 20% kleiner ist als bei Normalstrom.

Die Vordrossel kann in vorteilhafter Weise verkleinert oder gegebenenfalls ganz überflüssig werden, wenn der zu schaltende Kondensator oder die Kondensatoreinheit mit entsprechend großer Eigeninduktivität ausgebildet wird. Dies kann durch die Wahl der Größe des einzelnen Kondensatorwickels und/oder auch dadurch erreicht werden, daß die Stromzuführungen zum einzelnen Wickel im Sinne einer Vergrößerung der Eigeninduktivität des Kondensators angeordnet werden.

In bestimmten Fällen, z. B. bei Verwendung von Schaltern mit längeren Schaltzeiten, kann der Fall eintreten, daß trotz Verwendung einer Drossel mit einem induktiven Widerstand unter 1,8 °/o Spannungsauf schaukelungen bei wiederholten Rückzündungen nicht ganz ausbleiben. Das Schalten von Kondensatoren großer Leistung, insbesondere von Kompensationskondensatoren in Hochspannungsanlagen, kann in solchen Fällen durch die gleichzeitige Anwendung von besonderen Mitteln erleichtert werden, welche einer Spannungsaufschaukelung entgegenwirken. Ein solches Mittel sind an sich bekannte, jedoch besonders bemessene Entladedrosseln mit Eisenkern ohne Luftspalt, die dem Kondensator parallel geschaltet sind.

Die bisher verwendeten Entladedrosseln oder Entladewandler dienten nur dem Zweck, den Kondensator nach beendetem Abschaltvorgang zu entladen ; sie waren aber nicht imstande, den Abschaltvorgang selbst nennenswert zu beeinflussen, da ihr innerer ohmscher Widerstand zu groß war.

Vorteilhaft wird diese Parallelinduktivität zum Kondensator so bemessen, daß ihr ohmscher Widerstand etwa 10 bis 100% des kapazitiven Widerstandes des Kondensators bei Netzfrequenz beträgt und daß sie unmittelbar oberhalb der Betriebsspannung einen scharfen Sättigungsknick aufweist. Dann wird die Entladung des Kondensators beim Ausschalten in so kurzer Zeit erreicht, daß jede Aufschaukelungsgefahr beseitigt ist und praktisch keine nachteilige Funkenbildung am Schalter mehr auftritt. Besonders günstig werden die Verhältnisse, wenn der ohmsche Widerstand der Ausschaltdrossel etwa 25 bis 50% des Kondensator-Scheinwiderstandes bei Netzfrequenz beträgt. Beim Abschalten ist dann der Kondensator schon nach etwa einer Halbwelle annähernd entladen, und Aufschaukelungsvorgänge mit ihrer gefährlichen Vergrößerung der Stromspitzen und Stromsteilheiten sind damit ausgeschlossen.

Diese Entladedrosseln werden vorteilhaft mit den Kondensatoren, oder — falls die zu schaltende Kapazität aus mehreren Kondensatoreinheiten besteht — mit den einzelnen Einheiten oder gegebenenfalls auch mit Gruppen von Kondensatoreinheiten und den Reiheninduktivitäten zu je einer Baueinheit zusammengefaßt, so daß man Kondensatoren erhält, die hinsichtlich ihrer Schalteigenschaften so harmlos sind wie ohmsche oder induktive Widerstände. Man braucht dann — wie Versuche gezeigt haben ■—· beim Einbau irgendwelcher Schalter in Hochspannungsanlagen mit diesen Kondensatoren auf schädliche Schwingungsvorgänge keine Rücksicht mehr zu nehmen. Die Entladedrosseln können mit den Kondensatoren in vollkommen geschlossenen, mit öl oder einer sonstigen Schutzflüssigkeit gefüllten Gehäusen untergebracht werden. Die Anordnung eines ölkonservator ist nicht erforderlich. Die Wärmeausdehnung des Öles oder der sonstigen Schutzflüssigkeit kann dadurch ausgeglichen werden, daß eine oder mehrere Wände des Behälters elastisch ausgeführt werden. Es können aber z. B. bei Freiluftanlagen sowohl die Vordrosseln als auch die Entladedrosseln in besonderen Behältern untergebracht sein.

In der Zeichnung ist die an sich bekannte Schal- 12s tung von Kondensatoren mit Reihen- und Parallelinduktivität dargestellt. R und S sind die beiden Phasen des zu kompensierenden Netzes. 1 und 1' sind zwei mittels der Schalter 2, 2' einschaltbare Kondensatoren, zu denen je eine Vordrossel 3, 3' in Reihe und je eine Entladedrossel 4, 4' parallel liegt.

Es genügt aber in einer Anlage mit nur zwei Kondensatoren auch eine einzige Reiheninduktivität.

Claims (9)

1. Patentansprüche·.
   5

   i. Einrichtung zur Vermeidung von schädlichen Schwingungsvorgängen beim Schalten von Kondensatoren, insbesondere Hochspannungskondensatoren, durch eine Reiheninduktivität, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Reiheninduktivität, daß ihr induktiver Widerstand zwischen i,i und i,8°/o des kapazitiven Widerstandes des zu schaltenden Kondensators beträgt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiheninduktivität aus einer Eisendrossel mit so großem Luftspalt besteht, daß ihr induktiver Widerstand bei etwa dem iofachen Betrag des normalen Konden-

   ao satorstromes höchstens um 20%· kleiner ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiheninduktivität als Luftdrossel aus Eisenband in Scheibenform aufgebaut ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiheninduktivität durch die Wahl der Größe des einzelnen Kondensatorwickels und/oder die Lage der Anschlüsse desselben im Kondensator geschaffen ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem einzelnen zu schaltenden Kondensator eine derart bemessene Induktivität parallel geschaltet ist, daß sie sich oberhalb der Betriebsspannung schnell sättigt und ihr ohmscher Widerstand zwischen 10 und 100% des Scheinwiderstandes des zu schaltenden Kondensators bei Netzfrequenz liegt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand der Parallelinduktivität zwischen 25 und 50% des Schein Widerstandes des Kondensators bei Netzfrequenz beträgt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Parallelinduktivität bei Kondensatoren, die aus mehreren Einzelelementen bestehen, mit den Einzelelementen oder mit Gruppen von Einzelelementen zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelinduktivitäten in geschlossenen, mit einer Schutzflüssigkeit gefüllten Behältern untergebracht sind, die zur Aufnahme der Wärmeausdehnung der Schutzflüssigkeit mit einer oder mehreren elastischen Wänden versehen sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reiheninduktivitäten und/oder die Parallelinduktivitäten in besonderen mit einer Schutzflüssigkeit gefüllten Behältern untergebracht sind, die zur Aufnahme der Wärmeausdehnung der Schutzflüssigkeit mit einer oder mehreren elastischen Wänden versehen sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 422 040;

   österreichische Patentschrift Nr. 149 619;

   Siemens-Zeitschrift, 1953, S. 258 bis 264; VDE-Fachberichte, 1935, S. 25 bis 30;

   Buch von Bornitz: »Starkstromkondensatoren und umlaufende Phasenschieber«, Verlag Oldenburg, 1942, S. 106 bis 124.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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