EP0338374A2 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Antriebseinrichtung eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerätes - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Antriebseinrichtung eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerätes Download PDF

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EP0338374A2
EP0338374A2 EP89106315A EP89106315A EP0338374A2 EP 0338374 A2 EP0338374 A2 EP 0338374A2 EP 89106315 A EP89106315 A EP 89106315A EP 89106315 A EP89106315 A EP 89106315A EP 0338374 A2 EP0338374 A2 EP 0338374A2
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EP
European Patent Office
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time
switch
switching
voltage
command
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89106315A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0338374A3 (de
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Bernhard Dr. Thies
Rainer Scharf
Eberhard Schott
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ABB AG Germany
ABB AB
Original Assignee
Asea Brown Boveri AG Germany
Asea Brown Boveri AB
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Filing date
Publication date
Application filed by Asea Brown Boveri AG Germany, Asea Brown Boveri AB filed Critical Asea Brown Boveri AG Germany
Publication of EP0338374A2 publication Critical patent/EP0338374A2/de
Publication of EP0338374A3 publication Critical patent/EP0338374A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • H01H33/593—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for ensuring operation of the switch at a predetermined point of the ac cycle
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    • H01H11/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of electric switches
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a drive device of a medium or high voltage switching device according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for performing the method.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for controlling the drive device of a medium-voltage or high-voltage switching device which leads to a reduction in the switch load.
  • a facility for carrying out the method is to be specified.
  • the method and the device should enable better monitoring of the switching device or its state.
  • the invention is based on the consideration that further information acquisition and processing in switching devices improves the availability, extends the service life and finally should save material. These goals can be achieved by recording the time curve of current and voltage and calculating optimal times for switching the switchgear on or off in order to minimize the arc time. In addition, faulty states can be recognized and reported at an early stage by detecting characteristic variables of the switching device, for example for assessing the state of an extinguishing medium, and by monitoring the switch movement.
  • a switch-on command is delayed and thus switched through to the drive device without taking into account the time profile of the voltage at the switch contacts. If not by chance the AC voltage to be switched at the decisive moment, i.e. If the contacts have reached the so-called pre-ignition distance, have a zero crossing, an arc arises. This creates a switching overvoltage in the network, which is limited with the help of switch-on resistors. With the invention it is proposed to measure the voltage curve at the still open contacts, to calculate the optimal time for switching on and, accordingly, to delay the connection of an upcoming switch-on command to the switch drive.
  • a switch-off command is likewise given to the switch drive without delay. This is not critical if only one operating current has to be switched off. However, if a short-circuit current has to be switched off, which can be more than an order of magnitude higher than the operating current, the load due to a long arc time can be very high. Although the minimum arc time depending on the switch type cannot be avoided, the total time of the Arc significantly extended if the switch contacts are opened too early, ie before the DC component contained in the short-circuit current has decayed to a value that the switching device can switch off.
  • the switching device With the invention it is proposed to measure the current profile with closed contacts by measurement and to have a switching command with a delay in such a way that the total extinguishing time is approximately the minimum arcing time.
  • the switching device must therefore only be designed for this defined case and not for possible extreme cases.
  • the devices for recording and processing data provided for determining the procedural delay times when switching on and off can advantageously be used for self-monitoring of the switching device and its drive device.
  • a time t E is entered as an example in FIG. 1 at which a switch-on command E occurs.
  • a switch-on delay period EV is determined in a drive control device, by which the switch-on command E is delayed and is forwarded to the switch drive device at a time t EV .
  • To determine the switch-on delay EV the time profile of the voltage u is recorded and the times t o of the next zero crossings are calculated.
  • a contact movement duration OZ is stored in the control device, which is required for moving the contacts from the open position O to the position corresponding to the pre-ignition distance.
  • a movement delay time B is also stored, which elapses before the contact movement begins when the switch-on command is present at the drive device.
  • the next possible time t o is selected and the switch-on delay time EV is determined such that the pre-ignition distance Z of the contacts is just reached at the selected time t o of the voltage zero crossing.
  • FIG. 2 shows how an optimal time for switching off a short-circuit current is found using the method according to the invention.
  • a current i is plotted against time t, which is the time course of a short-circuit current, the typically contains a decaying DC component DC.
  • the temporal course of the current i is first recorded by measurement technology and it is assumed in the example shown that a switch-off command A is given to the drive control device by a higher-level protection and control device, for example a branch control or higher-level control device, at a time t A.
  • an expected further profile of the current i ′ is calculated and both a point in time t dc at which the DC component DC will have decayed to a value that can be switched off by the switching device, as well as an expected time t io at which the current i ′ will go through zero for the first time after the time t dc and taking into account a minimum arc time TL.
  • a point in time t AV is calculated up to which the switching on of the pending switch-off command A to the drive control device is delayed during a switch-off delay period AV.
  • the minimum arc time TL and a switch intrinsic time BA are taken into account, both of which depend on the switch type and whose values are stored in the control device. If the direct current component DC is very small and a fast-working calculation method is used to determine whether the predetermined limit dc has been undershot, the calculated time t AV can lie before the time t A. In this case, the switch proper time BA must also be taken into account when selecting the time t io .
  • the time t AV determined in this way is the optimal time to initiate the switch-off process, since it is the earliest possible time for a shutdown with a minimal arc time is found. An earlier shutdown leads to a longer arc duration and thus to increased burn-up.
  • a switching device 1 is provided with an interrupter unit 2, which is insulated with the aid of an insulating device 3 against a drive device 4 which is at ground potential.
  • the invention can also be implemented by arranging the drive device at high voltage potential.
  • the drive device 4 is connected to the interrupter unit 2 via an electrically insulating shift linkage 5.
  • the drive device 4 contains in the usual way a release unit 6 for the switching on and off process, an energy recharging unit 7, a switch position detection 8, an on-site control 9 and an emergency operating device 10.
  • the drive device 4 is connected to an electronic control device 11, which is expediently designed as a programmable logic controller (PLC).
  • the control device 11 is in turn connected to a higher-level protection and control device 12.
  • the control device 11 with voltage sensors 13, a current sensor 14, position indicators 15, a pressure sensor 16 for detecting the pressure of a gaseous extinguishing agent, and a temperature sensor 17 for detecting the ambient temperature via optical fibers 18.
  • the connections between control device 11 and drive device 4 and between protection and control device 12 and control device 11 are expediently designed as BUS systems 19. Coaxial lines or optical fibers are suitable for the BUS systems 19. Instead of a BUS system, multi-core connecting lines can also be provided.
  • the functionality of the sensors 13 ... 17 can be continuously monitored. In the event of a fault, a message can be sent to the higher-level protection and control device 12.
  • the control device 11 can advantageously determine the absolute value of the gas density of the extinguishing medium.
  • the absolute value of the gas density of the extinguishing medium is an important variable which ensures the function of the interrupter unit 2, in particular when short-circuit currents are switched off.
  • the mathematical relationship between the operating current and ambient temperature on the one hand and the temperature of the extinguishing medium on the other hand is ascertained and the result is stored in a data memory of the control device 11.
  • a Mollier diagram is also stored there.
  • the respective absolute value of the gas density can be determined from the measured pressure of the extinguishing medium and the extinguishing agent temperature.
  • the extinguishing agent temperature is calculated using the stored mathematical relationship between the extinguishing agent temperature and the measured values for the operating current and the ambient temperature.
  • the position of the switch 15 can be checked in an advantageous manner with the aid of the position indicator 15, which switch position should be reached on the basis of the specification for the drive device 4.
  • the position indicators are arranged as close as possible to the interrupter unit 2 and thus to its switch contacts 20.
  • the position indicators 15 are arranged at coupling points 21 of the shift linkage 5, whereby a breakage of the shift linkage 5 is also detected.
  • the position indicators 15 can be designed, for example, as reflection light barriers or as inductive or capacitive proximity switches.
  • the response time of the switching device 1 and the average speed of the switching contacts 20 of the interrupter unit 2 can be calculated by means of the position indicators 15.
  • a comparison with predefined target values within a tolerance band allows early detection of irregularities on the switching device 1 and the drive device 4.
  • the control device 11 reports the detected irregularity via the bidirectional BUS 19 to the higher-level protection and control device 12.
  • This self-diagnosis of the switching device leads to an essential higher reliability and availability of the switching device than is common today. Maintenance intervals no longer have to be carried out after a certain number of switching operations, but are only required if a need for maintenance is identified based on the self-diagnosis of the switching device. This is a decisive economic advantage for the operation of the switchgear.
  • the design of the energy recharging unit 7 depends on the type and construction of the drive system, ie in what manner the energy storage is carried out.
  • the energy storage can be in the form of mechanical storage by means of springs or in the form of storage of a pressurized gas volume.
  • additional sensors (not shown) are used to record the energy content of the storage device.
  • a certain amount of energy is taken from the energy store for a certain switching cycle.
  • the energy usually stored is sufficient for one cycle, eg off-on-off switching, in special cases also for on-off-on-off cycles.
  • the energy to be recharged after a switching cycle has been carried out can be monitored by the control device 11 and compared with target values within a tolerance band.
  • the charging time for the energy supply to the energy store is expediently used as the criterion for the monitoring. Self-diagnosis ensures that irregularities are recognized and reported at an early stage.
  • Monitoring of the triggering unit 6 is also expediently included in the diagnostic system, the execution of which depends on the design of the drive system. With the aid of the control device 11 and the connected sensors, a comprehensive self-diagnosis of the device status can be carried out overall and data can be made available for decentralized operation detection.

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Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung einer Antriebseinrichtung eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerätes Bei einem Mittel- oder Hochspannungsschaltgerät besteht die Aufgabe durch Verbesserung der Steuerung und Überwachung des Schaltgerätes einschließlich Antriebseinrichtung die Schalterbelastung zu verringern und die Verfügbarkeit bzw. deren Überwachung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch Ermittlung eines optimalen Zeitpunktes (tEV, tAV) zum Einschalten bzw. zum Ausschalten des Schaltgerätes (1) gelöst, wodurch sich eine minimale Lichtbogenzeit ergibt. Außerdem wird mit Hilfe einer elektronischen Antriebssteuereinrichtung (11) und verschiedenen Sensoren (13...17) eine ständige Diagnose der Verfügbarkeit des Schaltgerätes (1) durchgeführt. Die Erfindung läßt sich in Schalteinrichtungen der Mittel- und Hochspannungstechnik anwenden. Signifikant ist Fig. 3.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steue­rung einer Antriebseinrichtung eines Mittel- oder Hoch­spannungsschaltgerätes gemäß dem Oberbegriff des An­spruchs 1. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Beim Einschalten von Mittel- und Hochspannungsschaltge­räten entsteht bei einem von der Schalterkonstruktion und der Spannungshöhe abhängigen Kontaktabstand, der soge­nannten Vorzunddistanz, ein Lichtbogen, da bei diesem Kontaktabstand die Isolierfähigkeit des Löschmittels nicht mehr ausreicht. Dies führt über der Schaltstrecke zu einem Spannungszusammenbruch mit hohem du/dt, wodurch Wanderwellen im Netz entstehen, die andere Netzkomponen­ten beanspruchen. Beim Ausschalten, insbesondere beim Ausschalten eines Kurzschlußstromes, werden die Schalt­kontakte erheblich belastet, da das Löschen des beim Ausschalten entstehenden Lichtbogens eine gewisse Zeit dauert, die sich aus der Mindest-Löschzeit und der ver­bleibenden Zeit bis zum nächsten Nulldurchgang des Wech­selstromes zusammensetzt. Die Schaltgeräte müssen den daraus resultierenden Belastungen gerecht werden und entsprechend aufwendig ausgeführt sein.
  • Ein weiteres Problem besteht bei bekannten Schaltgeräten darin, daß Störungen an der Schalterantriebseinrichtung sowie sonstige fehlende Voraussetzungen für einen stö­rungsfreien Schaltbetrieb weitgehend unerkannt bleiben und somit das Schaltgerät im entscheidenden Augenblick versagen kann. Um dem vorzubeugen, müssen häufig War­tungsarbeiten durchgeführt werden, auch wenn kein kon­kreter Anlaß dazu besteht. Die weitaus häufigsten Schalthandlungen im Netz sind erforderlich, um Schalter "freizuschalten" für Reparaturarbeiten.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Antriebseinrichtung eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerates anzugeben, das zu einer Verringerung der Schalterbelastung führt. Au­ßerdem soll eine Einrichtung zur Durchführung des Ver­fahrens angegeben werden. Schließlich soll das Verfahren und die Einrichtung eine bessere Überwachung des Schalt­gerätes bzw. seines Zustandes ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbeg­riff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkma­le gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie eine Ein­richtung zur Durchführung des Verfahrens sind in weite­ren Ansprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß sich durch weitergehende Informationserfassung und -verarbei­tung bei Schaltgeräten eine Verbesserung der Verfügbar­keit, eine Verlängerung der Lebensdauer und schließlich eine Einsparung an Material erzielen lassen sollten. Diese Ziele lassen sich erreichen, durch Erfassen des zeitlichen Verlaufs von Strom und Spannung und Berech­nung von optimalen Zeitpunkten zum Einschalten oder Aus­schalten des Schaltgerätes um die Lichtbogenzeit zu mi­nimieren. Außerdem lassen sich durch Erfassung von cha­rakteristischen Größen der Schalteinrichtung, beispiels­weise zur Beurteilung des Zustandes eines Löschmediums, und durch Überwachung der Schalterbewegung fehlerhafte Zustände frühzeitig erkennen und melden.
  • Bei bekannten Schalterantriebssteuerungen wird ein Ein­schaltbefehl unverzögert und damit ohne Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs der Spannung an den Schaltkon­takten zur Antriebseinrichtung durchgeschaltet. Wenn nicht zufällig die zu schaltende Wechselspannung im ent­scheidenden Augenblick, d.h. wenn die Kontakte die soge­nannte Vorzünddistanz erreicht haben, einen Nulldurch­gang aufweist, entsteht ein Lichtbogen. Dabei entsteht eine Schaltüberspannung im Netz, die man mit Hilfe von Einschaltwiderständen begrenzt. Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, den Spannungsverlauf an den noch offenen Kontakten meßtechnisch zu erfassen, den optimalen Zeit­punkt zum Einschalten zu berechnen und entsprechend ver­zögert die Durchschaltung eines anstehenden Einschaltbe­fehls auf den Schalterantrieb vorzunehmen.
  • Ein Ausschaltbefehl wird bei bekannten Verfahren eben­falls unverzögert auf den Schalterantrieb gegeben. Dies ist unkritisch, wenn lediglich ein Betriebsstrom abzu­schalten ist. Wenn jedoch ein Kurzschlußstrom abzuschal­ten ist, der mehr als eine Größenordnung höher als der Betriebsstrom sein kann, so kann die Belastung infolge einer langen Lichtbogenzeit sehr hoch sein. Zwar läßt sich die vom Schaltertyp abhängige minimale Lichtbogen­zeit nicht vermeiden, jedoch wird die Gesamtzeit des Lichtbogens wesentlich verlängert, wenn die Schaltkon­takte zu früh geöffnet werden, d.h. vor Abklingen des im Kurzschlußstrom enthaltenen Gleichstromanteils auf einen Wert, den das Schaltgerät abschalten kann. Mit der Er­findung wird vorgeschlagen, den Stromverlauf bei ge­schlossenen Kontakten meßtechnisch zu erfassen und einen Schaltbefehl in solcher Weise verzögert wirksam werden zu lassen, daß sich als Gesamtlöschzeit etwa die minima­le Lichtbogenzeit ergibt. Das Schaltgerät muß somit nur für diesen definierten Fall und nicht für mögliche Ex­tremfälle konzipiert werden.
  • Die für die Ermittlung der verfahrensgemäßen Verzöge­rungszeiten beim Einschalten und Ausschalten vorgesehe­nen Einrichtungen zur Erfassung und Verarbeitung von Daten lassen sich vorteilhaft zur Eigenüberwachung des Schaltgerätes und seiner Antriebseinrichtung nutzen.
  • Eine genauere Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnung und eines darin dargestellten Ausführungs­beispiels für eine Einrichtung zur Durchführung des er­findungsgemäßen Verfahrens.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Spannung an den geöffneten Kontakten eines Schaltgerätes sowie den zeitlichen Verlauf der optimal gesteuerten Schaltkontaktbewegung beim Einschalten,
    • Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines Kurzschlußstromes und die Festlegung eines optimalen Zeitpunktes für die Abschaltung dieses Stromes,
    • Fig. 3 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
  • Anhand der Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Vorgehen beim Einschalten erläutert. Dort ist der Verlauf einer Wechselspannung u über die Zeit t aufgetragen, die an den geöffneten Kontakten des Schaltgerätes gemessen wird. Außerdem ist die Kontaktbewegung dargestellt durch Angabe einer Kontaktstellung S in Abhängigkeit von der Zeit t. Die Kontaktstellung S wechselt beim Einschalten von einer Offen-Stellung O in eine Geschlossen-Stellung G, wobei während des Übergangs eine der Vorzünddistanz Z entsprechende Stellung erreicht wird.
  • In Fig. 1 ist beispielhaft ein Zeitpunkt tE eingetragen, zu dem ein Einschaltbefehl E auftritt. In einer An­triebssteuereinrichtung wird eine Einschaltverzögerungs­dauer EV ermittelt, um die der Einschaltbefehl E ver­zögert wird und zu einem Zeitpunkt tEV an die Schalter­antriebseinrichtung weitergeleitet wird. Zur Ermittlung der Einschaltverzögerungsdauer EV wird der zeitliche Verlauf der Spannung u erfaßt und es werden die Zeit­punkte to der nächsten Nulldurchgänge berechnet. In der Steuereinrichtung ist eine Kontaktbewegungsdauer OZ ge­speichert, die erforderlich ist für eine Bewegung der Kontakte aus der Offen-Stellung O in die der Vorzünddi­stanz entsprechende Stellung. Außerdem ist eine Bewe­gungsverzugszeit B gespeichert, die vergeht ehe bei an der Antriebseinrichtung anstehendem Einschaltbefehl die Kontaktebewegung beginnt. Unter Berücksichtigung der gespeicherten Bewegungsverzugszeit B und der Kontaktbe­wegungsdauer OZ wird der nächste mögliche Zeitpunkt to ausgewählt und die Einschaltverzögerungsdauer EV so festgelegt, daß zum gewählten Zeitpunkt to des Span­nungsnulldurchgangs gerade die Vorzünddistanz Z der Kon­takte erreicht wird.
  • In Fig. 2 ist dargestellt,wie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein optimaler Zeitpunkt zum Abschalten eines Kurzschlußstromes gefunden wird. In Fig. 2 ist ein Strom i über der Zeit t aufgetragen, wobei es sich um den zeitlichen Verlauf eines Kurzschlußstromes handelt, der in typischer Weise einen abklingenden Gleichstromanteil DC enthält. Der zeitliche Verlauf des Stroms i wird zu­nächst meßtechnisch erfaßt und es wird im dargestellten Beispiel angenommen, daß zu einem Zeitpunkt tA ein Aus­schaltbefehlt A von einer übergeordneten Schutz- und Steuereinrichtung, z.B. einer Abzweigsteuerung oder übergeordneten Leiteinrichtung, an die Antriebssteue­reinrichtung gegeben wird. Daraufhin wird anhand des gemessenen Verlaufs des Stroms i und mit Hilfe eines gespeicherten Netzmodells ein voraussichtlicher weiterer Verlauf des Stroms i′ berechnet und sowohl ein Zeitpunkt tdc zu dem der Gleichstromanteil DC auf einen Wert abge­klungen sein wird, der von dem Schaltgerät abgeschaltet werden kann, als auch ein voraussichtlicher Zeitpunkt tio zu dem der Strom i′ nach dem Zeitpunkt tdc und un­ter Berücksichtigung einer minimalen Lichtbogenzeit TL erstmals durch Null gehen wird. Ausgehend von dem ermit­telten Zeitpunkt tio zu dem die Abschaltung erfolgt sein soll, wird rückwärts ein Zeitpunkt tAV errechnet, bis zu dem während einer Ausschaltverzögerungsdauer AV die Durchschaltung des anstehenden Ausschaltbefehls A auf die Antriebssteuereinrichtung verzögert wird. Dabei wird die minimale Lichtbogenzeit TL berücksichtigt und eine Schaltereigenzeit BA, die beide vom Schaltertyp abhängen und deren Werte in der Steuereinrichtung gespeichert sind. Wenn der Gleichstromanteil DC sehr klein ist und ein schnell arbeitendes Rechenverfahren zur Feststellung der Unterschreitung des vorgegebenen Grenzwertes dc be­nutzt wird, kann der errechnete Zeitpunkt tAV vor dem Zeitpunkt tA liegen. In diesem Fall muß bei der Wahl des Zeitpunkts tio zusätzlich die Schaltereigenzeit BA be­rücksichtigt werden.
  • Der so ermittelte Zeitpunkt tAV ist der optimale Zeit­punkt zur Einleitung des Abschaltvorganges, da damit der frühest mögliche Zeitpunkt für eine Abschaltung mit mi­nimaler Lichtbogenzeit gefunden ist. Eine frühere Ab­schaltung führt zu einer längeren Lichtbogendauer und damit zu verstärktem Abbrand.
  • Es versteht sich, daß die mit dem erfindungsgemäßen Ver­fahren angestrebte schonende Betriebsweise des Schaltge­rätes nur gewährleistet ist, wenn der zeitliche Verlauf des Stromes und der Spannung korrekt erfaßt werden. Des­halb wird vorgeschlagen, eine Eigendiagnose der erfor­derlichen Meßeinrichtung vorzusehen und bei festgestell­ten Mängeln eine Schalthandlung zu sperren.
  • In Fig. 3 ist das Konzept einer Einrichtung zur Durch­führung des beschriebenen Steuerungsverfahrens darge­stellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Schaltgerät 1 mit einer Unterbrechereinheit 2 vorgese­hen, die mit Hilfe einer Isoliereinrichtung 3 gegen eine auf Erdpotential befindlichen Antriebseinrichtung 4 iso­liert ist. Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei einer Anordnung der Antriebseinrichtung auf Hochspannungspo­tential realisieren.
  • Die Antriebseinrichtung 4 ist über ein elektrisch iso­lierendes Schaltgestänge 5 mit der Unterbrechereinheit 2 verbunden. Die Antriebseinrichtung 4 enthält in üblicher Weise eine Auslöseeinheit 6 für den Ein- und Ausschalt­vorgang, eine Energie-Nachladeeinheit 7, eine Schalter­stellungserfassung 8, eine Vorort-Steuerung 9 und eine Notbetriebseinrichtung 10.
  • Die Antriebseinrichtung 4 ist mit einer elektronischen Steuereinrichtung 11 verbunden, die zweckmäßig als spei­cherprogrammierte Steuerung (SPS) ausgeführt ist. Die Steuereinrichtung 11 ist ihrerseits mit einer übergeord­neten Schutz- und Steuereinrichtung 12 verbunden. Außer­dem ist die Steuereinrichtung 11 mit Spannungssensoren 13, einem Stromsensor 14, Stellungsmeldern 15, einem Drucksensor 16 zur Erfassung des Druckes eines gasförmi­gen Löschmittels, und einem Temperatursensor 17 zur Er­fassung der Umgebungstemperatur uber Lichtwellenleiter 18 verbunden. Die Verbindungen zwischen Steuereinrich­tung 11 und Antriebseinrichtung 4 sowie zwischen Schutz- und Steuereinrichtung 12 und Steuereinrichtung 11 sind zweckmäßig als BUS-Systeme 19 ausgeführt. Für die BUS-­Systeme 19 sind Koaxialleitungen oder Lichtwellenleiter geeignet. Anstelle eines BUS-Systems konnen auch mehra­drige Verbindungsleitungen vorgesehen werden.
  • Mit Hilfe der Steuereinrichtung 11 kann die Funktions­tüchtigkeit der Sensoren 13....17 ständig überwacht wer­den. Im Störungsfall kann eine Meldung an die übergeord­nete Schutz- und Steuereinrichtung 12 erfolgen.
  • Mit Hilfe des Stromsensors 14, des Drucksensors 16 und des Temperatursensors 17 kann von der Steuereinrichtung 11 auf vorteilhafte Weise der absolute Wert der Gasdich­te des Löschmediums ermittelt werden. Der absolute Wert der Gasdichte des Löschmediums ist eine wichtige Größe, die die Funktion der Unterbrechereinheit 2, insbesondere beim Ausschalten von Kurzschlußströmen sicherstellt. Dazu wird vor der Inbetriebnahme des Schaltgerätes 1 der mathematische Zusammenhang zwischen Betriebsstrom und Umgebungstemperatur einerseits und der Temperatur des Löschmediums andererseits festgestellt und das Ergebnis in einem Datenspeicher der Steuereinrichtung 11 abge­legt. Außerdem ist dort ein Mollier-Diagramm abgelegt. Mit Hilfe des Mollier-Diagramms kann aus dem gemessenen Druck des Löschmediums und der Löschmitteltemperatur der jeweilige absolute Wert der Gasdichte ermittelt werden. Dabei wird die Löschmitteltemperatur jeweils errechnet mit Hilfe des gespeicherten mathematischen Zusammenhangs zwischen Löschmitteltemperatur und gemessenen Werten für den Betriebsstrom und die Umgebungstemperatur.
  • Weiterhin kann auf vorteilhafte Weise mit Hilfe der Stellungsmelder 15 die Schalterstellung überprüft wer­den, die aufgrund der Vorgabe an die Antriebseinrichtung 4 erreicht sein soll. Dazu sind die Stellungsmelder mög­lichst nahe an der Unterbrechereinheit 2 und damit an deren Schaltkontakten 20 angeordnet. In der dargestell­ten Ausführung sind die Stellungsmelder 15 an Kupplungs­stellen 21 des Schaltgestänges 5 angeordnet, wodurch auch ein Bruch des Schaltgestanges 5 erfaßt wird. Die Stellungsmelder 15 können beispielsweise als Reflexions­lichtschranken oder als induktive bzw. kapazitive Näher­ungsschalter ausgeführt sein.
  • Während einer Ein- und Aus-Schaltung kann mit Hilfe der Stellungsmelder 15 die Reaktionzeit des Schaltgerätes 1 und die mittlere Geschwindigkeit der Schaltkontakte 20 der Unterbrechereinheit 2 rechnerisch ermittelt werden. Ein Vergleich mit vorgegebenen Sollwerten innerhalb ei­nes Toleranzbandes erlaubt ein frühzeitiges Erkennen von Unregelmäßigkeiten am Schaltgerät 1 und der Antriebsein­richtung 4. Die Steuereinrichtung 11 meldet die erkannte Unregelmäßigkeit uber den bidirektionalen BUS 19 der übergeordneten Schutz- und Steuereinrichtung 12. Diese Selbsdiagnose des Schaltgerätes führt zu einer wesent­lich höheren Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit des Schaltgerätes als es heute üblich ist. Wartungsinterval­le müssen nicht mehr nach einer bestimmten Anzahl von Schalthandlungen durchgeführt werden, sondern sind nur dann erforderlich, wenn aufgrund der Selbstdiagnose des Schaltgerätes ein Wartungsbedarf erkannt wird. Dies ist ein entscheidender wirtschaftlicher Vorteil für den Be­trieb des Schaltgerätes.
  • Die Ausführung der Energie-Nachladeeinheit 7 hängt vom Typ und der Konstruktion des Antriebssystems ab, d.h. in welcher Art die Energiespeicherung durchgeführt wird. Die Energiespeicherung kann in Form einer mechanischen Speicherung mittels Federn oder in Form einer Speiche­rung eines unter Druck gesetzten Gasvolumens ausgebildet sein. Entsprechend dazu werden nicht dargestellte zu­sätzliche Sensoren für die Erfassung des Energieinhaltes der Speichereinrichtung verwendet. Für einen bestimmten Schaltzyklus wird dem Energiespeicher eine bestimmte En­ergiemenge entnommen. Die in der Regel gespeicherte En­ergie reicht für einen Zyklus, z.B. Aus-Ein-Aus-Schal­tung aus, in Sonderfällen auch für Ein-Aus-Ein-Aus-Zyk­len. Auf vorteilhafte Weise kann die nach einem durchge­führten Schaltzyklus nachzuladende Energie von der Steu­ereinrichtung 11 überwacht werden und mit Sollwerten innerhalb eines Toleranzbandes abgeglichen werden. Als Kriterium für die Überwachung wird zweckmäßig die Lade­zeit für die Energiezufuhr in den Energiespeicher heran­gezogen. Damit ist über die Selbstdiagnose sicherge­stellt, daß Unregelmäßigkeiten frühzeitig erkannt und gemeldet werden.
  • In das Diagnosesystem wird zweckmäßig auch eine Überwa­chung der Auslöseeinheit 6 einbezogen, deren Ausführung von der Konzeption des Antriebssystems abhängt. Mit Hil­fe der Steuereinrichtung 11 und der angeschlossen Senso­ren kann insgesamt eine umfangreiche Selbstdiagnose des Gerätezustandes durchgeführt werden und es können Daten fur eine dezentrale Betriebserfassung zur Verfügung ge­stellt werden.
  • Auch wenn nicht von dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Optimierung von Schaltzeitpunkten Gebrauch gemacht wird, bzw. nicht von allen Verfahrensteilen, so führt bereits die Verwendung einer speicherprogrammierten Steuerung zur Steuerung der Antriebseinrichtung zu einer wesentli­chen Verbesserung der Verfügbarkeit und einer verbesser­ten Möglichkeit zur Überwachung des Zustands des Schalt­gerätes und seines Antriebs. Es können eine Reihe von mechanischen und elektromechanischen Komponenten konven­tioneller Antriebssteuerungen ersetzt und in Verbindung mit entsprechenden Sensoren Überwachungsfunktionen rea­lisiert werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Steuerung einer Antriebseinrich­tung eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerätes für Wechselspannung, wobei durch die Antreibseinrichtung bei in einer Antriebssteuereinrichtung eingegebenem Ein­schaltbefehl wenigstens einer der Schaltkontakte des Schaltgerätes auf einen anderen Schaltkontakt zu bewegt wird und entsprechend bei einem Ausschaltbefehl wenig­stens einer der Schaltkontakte von einem anderen Schalt­kontakt weg bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
a) bei zu einem Zeitpunkt (tE) eingegebenem Einschalt­befehl (E)
- der zeitliche Verlauf derjenigen Wechselspan­nung (u) erfaßt wird, die über den geöffneten Kontakten (20) anliegt und aus der gemessenen Wechselspannung (u) Zeitpunkte (to) der fol­genden Spannungsnulldurchgänge errechnet wer­den und
- ein Zeitpunkt (tEV) errechnet wird, bis zu dem eine Durchschaltung des eingegebenen Ein­schaltbefehls (E) auf die Antriebseinrichtung (4) etwa verzögert wird, wobei der Zeitpunkt (tEV) um eine Schalterzeit (TS) versetzt vor demjenigen Spannungsnulldurchgangszeitpunkt (to) liegt, der mindestens um die Schalterzeit (TS) versetzt dem Eingabezeitpunkt (tE) des Einschaltbefehls (E) folgt und wobei die Schalterzeit (TS) der Summe einer Bewegungs­verzugszeit (BE) der Schaltkontakte (20) nach dem Durchschaltezeitpunkt (tEV) des Einschalt­befehls (E) und einer Kontaktbewegungsdauer (OZ) entspricht, die benötigt wird zur Bewe­gung der Kontakte aus einer Offen-Stellung (0) in eine Vorzünddistanz-Stellung (Z) und
b) bei aufgrund eines Kurzschlusses eingegebenem Aus­schaltbefehl (A) zu einem Zeitpunkt (tA) die Durch­schaltung des Befehls (A) auf die Antriebseinrich­tung (4) um eine Ausschaltverzögerungsdauer (AV) verzögert wird, wobei die Ausschaltverzögerungsdau­er (AV) wie folgt ermittelt wird:
- es wird der zeitliche Verlauf des Stroms (i) bei geschlossenen Kontakten (20) gemessen und daraus der voraussichtliche weitere Verlauf des Stromes (i′) sowie eines darin enthaltenen Gleichstromanteils (DC) errechnet;
- wenn der Gleichstromanteil (DC) auf einen vor­gegebenen Wert (dc) abgeklungen ist, wird ein Zeitpunkt (tio) des Nulldurchgangs des errech­neten Stroms (i′) berechnet, der mindestens um eine Lichtbogenzeit (TL) versetzt folgt;
- ausgehend von diesem Nulldurchgangszeitpunkt (tio), zu dem der Strom (i) abgeschaltet sein soll, wird unter Berücksichtigung der Lichtbo­genzeit (TL) und einer Schaltereigenzeit (BA) ein Zeitpunkt (tAV) für die Weiterleitung des Ausschaltbefehls (A) an die Antriebseinrich­tung (4) ermittelt und die Ausschaltverzöge­rungsdauer (AV) als Differenz zwischen dem Weiterleitungszeitpunkt (tAV) und dem Ein­schaltbefehlszeitpunkt (tE) errechnet, wobei bei negativer Differenz die Berechnung des Weiterleitungszeitpunkts (tAV) wiederholt wird, ausgehend von einem neuen Nulldurch­gangszeitpunkt (tio), der mindestens um die Lichtbogenzeit (TL) und die Schaltereigenzeit (BA) versetzt auf den Zeitpunkt folgt, zu dem der Gleichstromanteil (DC) mindestens auf den vorgegebenen Wert (dc) abgeklungen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß zur Feststellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung (u) und des Stroms (i) eine Mehrfachabtastung der gemessenen Spannungs- und Stromsignale innerhalb einer Periode erfolgt und die gemessenen Werte digitali­siert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Funktionstüchtigkeit der Antriebs­einrichtung (4), der Steuereinrichtung (11) und der Sen­soren (13...17) ständig überwacht und Störungen gemeldet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß der absolute Wert der Dichte eines gasförmigen Löschmittels ermittelt wird, durch
- Messung des Betriebsstromes und der Umgebungstempe­ratur und Umrechung dieser Meßwerte mit Hilfe eines gespeicherten mathematischen Zusammenhangs in eine Löschmitteltemperatur und
- Messung des Löschmitteldruckes sowie Verknüpfung dieses Meßwertes mit der errechneten Löschmittel­temperatur mit Hilfe eines gespeicherten Mollier-­Diagramms.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet, daß aus den Signalen von Stel­lungsmeldern (15) am Schaltgerät (1) eine mittlere Ge­schwindigkeit der Schaltkontaktebewegung während des Ein- und Ausschaltens ermittelt wird und die ermittelte Geschwindigkeit mit einem gespeicherten zulässigen Ge­schwindigkeitsbereich verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­durch gekennzeichnet, daß die erforderliche Zeit zur Nachladung einer mechanisch gespeicherten Schalteran­triebsenergie für Diagnoszwecke überwacht wird.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einem Schaltgerät (1) mit Antriebseinheit (4) von einer übergeordneten Schutz- und Steuereinrichtung (12) Schaltbefehle (E,A) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinrichtung (11) vorgesehen ist, der die Schaltbe­fehle (E,A) sowie Meßsignale (u,i) von am Schaltgerät (1) angeordneten Strom- und Spannungssensoren(13,14) als Eingangsgrößen zugeführt sind und die Schaltbefehle (E,-­A) nach Ablauf von ermittelten Verzögerungszeiten (EV,-­AV) an die Antriebseinrichtung (4) weiterleitet.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß als elektronische Steuereinrichtung (11) eine speicherprogrammierte Steuerung vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge­kennzeichnet, daß Stellungsmelder (15) vorgesehen sind, die im Bereich von Kupplungsstellen (21) eines Schaltge­stänges (5) angeordnet sind und die Bewegung des Schalt­gestanges (5) überwachen.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (16) zur Erfassung des Löschmitteldruckes und ein Temperatursen­sor (17) zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorgese­hen sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung zwischen Sen­soren (13 bis 17) Lichtwellenleiter (18) vorgesehen sind.
12. Einrichtung zur Steuerung eines Antriebs eines Mittel- oder Hochspannungsschaltgerates, dadurch gekenn­zeichnet, daß diese Steuereinrichtung als speicherpro­grammierbare Steuerung ausgeführt ist und mit ihr wenig­stens eine der Funktionen Schalterstellungserfassung, Schaltverriegelung, Einschalt- und Ausschalt-Auslösung, Schalterantriebsenergienachladung, Schalter- und An­triebs-Zustandsdiagnose, und Löschmittelzustandserfas­sung realisiert ist.
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