EP0980086B1 - Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung einer Schaltanlage - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung der Sicherungskammer einer Schaltanlage mit nachgeschaltetem Transformator, beispielsweise zur Versorgung eines Niederspannungsfeldes, wobei in der Sicherungskammer eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung und eine Auslöseeinrichtung zum Schalten eines Transformatorschalters angeordnet sind.
• Die prinzipielle Aufgabe einer Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung, im folgenden HH-Sicherung genannt, besteht darin, bei einem Kurzschlußstrom im Transformator den Schmelzleiter zum Schmelzen zu bringen, damit der Transformator gegen die höchstgefährlichen Folgen eines inneren Kurzschlusses geschützt ist, zum Beispiel gegen die Explosion eines mit Öl gefüllten Kessels mit Brandfolge und dergleichen. Transformatorstationen mit einem Mittelspannungsabteil, einem Transformator- und einem Niederspannungsabteil stehen zum Beispiel bei der Versorgung von Siedlungsanlagen in bewohnten Gebieten und müssen daher dringend und optimal geschützt werden.
• Eine andere Gefahrenquelle ist aber die Überhitzung der Sicherung mit Folgeschäden, und es wurden dafür Sicherungen mit einem Schlagmelder entwickelt, um auch bei Überströmen, ohne daß in dem Transformator ein Kurzschluß schon entstanden ist, durch die Auslösung des Schlagmelders einen Transformatorschalter zu öffnen. Der Transformatorschalter kann nur relativ kleine Ströme in der Größenordnung von zum Beispiel bis 400 A schalten, während die HH-Sicherung eigentlich für große Ströme bis zum Beispiel 50.000 A ausgelegt ist. Diese großen Ströme werden von dem Transformatorschalter nicht beherrscht, so daß solche Teilbereichssicherungen den Transformatorschalter für die genannten kleineren Ströme und die Sicherung für die Kurzschtußströme verwenden. Solche HH-Sicherungen mit Schlagmelder sind aber mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Zum Beispiel können sie bei relativ kleinen Strömen nicht mehr oder nicht schnell genug abschalten, so daß eine Überhitzung und thermische Überlastung der Sicherungskammer einer Schaltanlage nicht immer zuverlässig vermieden werden kann.
• Die Konzeption bekannter Schutzreinrichtungen hat sich als mangelhaft erwiesen, weil man bei der Erstellung bekannter Schutzeinrichtungen von der Überlegung ausgegangen ist, daß die thermische Überlastung der Sicherungskammer durch Überlastströme des Transformators hervorgerufen wird. Bei dem bekannten Thermoschutz wird der Schlagmelder dazu benutzt, um den Transformator im kritischen Falle abzuschalten. Unter dem minimalen Abschaltstrom I_min, welches der kleinste Strom ist, welchen die Sicherung abschalten kann, schmilzt aber der Schmelzleiter, ohne daß die Sicherung die Ausschaltung beherrscht. Die Sicherung wird vielmehr bei Strömen unter I_min unter Umständen thermisch zerstört. Dennoch würde allein ein solcher "Überstrom", der unter I_min liegt, den Strom durch die betrachtete Sicherung nicht abschalten.Dieser wenn auch geringe Strom erzeugt eine sehr große Wärme und hohe Temperaturen in der Sicherung, ohne daß eine Abschaltung erfolgt. I_min ist im allgemeinen der zweifache oder dreifache Nennstrom der Sicherung.
• Der Nennstrom einer Sicherung wird häufig so gewählt, daß er dem doppelten bis dreifachen Transformator-Nennstrom entspricht. Solche großen Stromwerte dürfen den Transformator aber nicht auf Dauer durchfließen. In der Praxis verhindert häufig die Netzführung, daß der Transformator wesentliche Überströme trägt, zum Beispiel damit er sich nicht übermäßig erwärmt. Ein derart hoher und unzulässiger Stromwert liegt unterhalb des Nennstromwertes der Sicherung. Letzterer wird in der Praxis also nicht erreicht, so daß eine Schutzreinrichtung für diesen Bereich der Stromwerte nicht wirksam sein kann. Der Strombereich zwischen dem Sicherungsnennstrom und dem minimalen Ausschaltstrom I_min bei bekannten Sicherungen ist für die Erfindung uninteressant.
• Hingegen kann durch besondere Betriebsbedingungen der Schmelzleiterwiderstand R einer Sicherung steigen. Das kann zu einer Gefährdung der Sicherung, auch bei üblichen Transformatorbetriebsströmen, führen, zum Beispiel wenn aus dem Hauptschmelzleiter, der sich aus mehreren Teilleitern, parallel verlaufenden Schmelzleitern, zusammensetzt, einzelne Teilschmelzleiter zerstört werden. Bei sukzessiver Zerstörung einzelner Schmelzleiter kann die Wärmeleistungsabgabe P_a der Sicherung, d.h. die Verlustleistung der Sicherung, bei sehr kleinen Strömen einen kritischen Wert erreichen, der größer ist als das Leistungsaufnahmevermögen der Sicherungskammer. Dadurch wird die Sicherungskammer thermisch überlastet.
• Aus DE 36 23 424 A ist eine Schutzeinrichtung ähnlich der eingangs bezeichneten Art bekannt, bei der eine elektrische Schaltanlage u.a. mit integriertem Transformator abgeschaltet wird und bei der eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung vorgesehen ist. Im bekannten Fall wird an jeder Sicherung die Spannung über den Schmelzleiter gemessen, der Messwert wird in einer elektrischen Schaltung mit einem Schwellenwert verglichen, und bei dessen Überschreiten werden mechanische Glieder betätigt, insbesondere durch die Einschaltung von Elektromagneten. Zum Abschalten der elektrischen Schaltanlage werden bei dieser Einrichtung ein Verstärker für jedes Meßsignal, ein nachgeschaltetes Differenzmeßgerät sowie eine Ausgangsleistungsstufe vorgesehen. Die Meßsignale für die Abschaltung werden in einer nachfolgenden, hochohmigen elektrischen Schaltung verarbeitet, wobei jedes Meßsignal verstärkt und einem Oder-Glied zugeführt wird. Die Ausgabe des Abschaltsignals erfolgt aufgrund der Meßsignale, die in einer äußeren Schaltung, vollkommen getrennt von der Sicherung, verarbeitet werden.
• Getrennt von dieser Schaltung und ihrer Beschreibung sollen sich im bekannten Fall herkömmliche Sicherungsträger für die Koppelkapazitäten eignen, über welche die Meßwerte ausgekoppelt werden. Eine Ausführungsform beschreibt die herkömmliche mechanische Auslösung von Lastschaltern, die zumindest teilweise beibehalten werden kann. Im Auslösefall treibt ein aus der Sicherung austretender Stift ein Gestänge, das wiederum die Öffnung des Lastschalters bewirkt. Dieser Auslösefall ist getrennt von der bekannten externen Meßschaltung zu sehen, welche dem jeweiligen Koppelkondensator im Abstand von der Sicherung nachgeschaltet ist.
• Eine kompakte Bauweise einer Schutzeinrichtung kann aber mit einer externen Meßschaltung nicht erreicht werden.
• Die DE 19 20 825 beschreibt eine Hochspannungs-Hochleistungssicherung, deren Zweck es ist, die besagte Vorrichtung zum Betätigen eines Lastschalters zum Ansprechen zu bringen, der sich außerhalb der Sicherung befindet. Dies soll geschehen, bevor die Erwärmung des Sicherungsgehäuses einen Grad erreicht, der seinen unversehrten Bestand gefährdet. Der Last- oder Leistungsschalter liegt dabei im Stromkreis der Sicherung. Über eine Sicherungskammer und deren thermische Überlastung finden sich keine Aussagen, sondern nur über die Sicherung selbst. Auch über eine Parallelschaltung von Haupt- und Hilfsschmelzleiter finden sich keine Angaben.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art mit kompaktem Aufbau zu schaffen, mit deren Hilfe eine Abschaltung des Transformators auch bei erheblich kleineren Strömen erfolgt, als bisher möglich, vorzugsweise unterhalb des Nennstromes der HH-Sicherung, insbesondere wenn letztere defekt ist.
• Diese Aufgabe läßt sich erfindungsgemäß dadurch lösen, daß die HH-Sicherung wenigstens einen Hauptschmelzleiter und wenigstens einen parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter aufweist und mit der Auslöseeinrichtung so gestaltet ist, daß letztere spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer über ihre Auslösespannung den eine Freiauslösung aufweisenden Transformatorschalter öffnet. Durch diese Maßnahmen kann die Öffnung des Transformatorschalters unabhängig vom Betriebsstrom erfolgen, auch bei kleinem Betriebsstrom, d.h. im Extremfall sogar unterhalb des Transformatornennstromwertes. Die Auslösung erfolgt nämlich immer vor und spätestens bei Überschreiten des vorbestimmten zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen von einer Überhitzung durch Überlastströme des Transformators ausgegangen wird, erfolgt die Auslösung erfindungsgemäß zum Beispiel auch bei Werten weit unterhalb des Sicherungsnennstromes I_Nenn. Bei den erheblichen Wärmeleistungen durch sehr kleine Ströme unter dem Sicherungsnennstromwert, die entstehen können, wenn einzelne Schmelzleiter der Sicherung defekt sind, muß mit einer Zerstörung der Sicherungskammer gerechnet werden, und die neue Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung verhindert gerade die thermische Überlastung der Sicherungskammer.
• Der Leistungsabgabewert des Sicherungseinsatzes wird auf einen zulässigen, maximalen Wert unter dem Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer voreingestellt und darf nicht überschritten werden. Wenn zum Beispiel innen von einem stromdurchflossenen Schmelzleiter eine zu große Leistungsabgabe erfolgt, dann heizt sich die Sicherungskammer auf und kann bei Überschreiten des zulässigen Leistungsaufnahmewertes thermisch überlastet werden.
• Durch die Parallelschaltung von Haupt- und Hilfsschmelzleitern kann man auf in der Literatur teilweise schon angegebene Vorschläge für Schlagstiftvorrichtungen zurückgreifen, die auf das Durchschmelzen z.B. eines Hilfsschmelzleiters ansprechen.
• Diese vorteilhaften Wirkungen können auch von einer kompakt aufgebauten Schutzeinrichtung erreicht werden, weil die Auslöseeinrichtung Teil der HH-Sicherung ist und nicht außerhalb der Einrichtung eine besondere Verarbeitungsschaltung benötigt.
• Vorteilhaft ist es deshalb, wenn die Auslösespannung spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsabgabewertes der Sicherung erreicht wird. Der maximale Leisungsabgabewert ist dann erreicht, wenn das Leistungsaufnahmevermögen der Sicherungskammer überschritten wird. Solange die Leistungsabgabe der Sicherung das maximale Leistungsaufnahmevermögen der Sicherungskammer nicht überschreitet, besteht für die Schaltanlage keine Gefahr. Das maximale Leistungsaufnahmevermögen wird von dem jeweiligen Hersteller der Schaltanlage angegeben.
• Es können infolge impulsförmiger Strombelastungen durch Inrush- oder Blitzströme einzelne oder mehrere der vorstehend schon erwähnten, parallel geschalteten Teilschmelzleiter unterbrochen werden. Hierdurch steigt die Wärmeleistungsabgabe der Sicherung und kann sogar bei Transformatomennstrom den zulässigen Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer überschreiten. In Verbindung mit einem Transformatorschalter mit Freiauslösung verhindert die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung in überraschender Weise eine mögliche thermische Überlastung der Sicherungskammer.
• Die erfindungsgemäße Maßnahme, den Leistungsabgabewert als Auslösekriterium zu verwenden, erlaubt ein leichteres Messen. Die Leistungs- bzw. Wärmeleistungsabgabe P_a der Sicherung darf nämlich den zulässigen Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer nicht überschreiten.
• Es ist vorteilhaft, wenn erfindungsgemäß der Leistungsabgabewert im Bereich zwischen 60 W und 90 W liegt; wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der Leistungsabgabewert etwa = 75 W beträgt. Es sollte also gelten $${\mathrm{P}}_{\mathrm{a}}\mathrm{\le }\mathrm{75}\mathrm{W}\mathrm{.}$$

  
• Durch die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung wird die Leistungsabgabe der Sicherung überwacht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Schutzeinrichtung spannungs- und somit leistungsbezogen auslöst: $${\mathrm{U}}_{\mathrm{a}}\mathrm{=}\mathrm{R}\mathrm{\times }{\mathrm{I}}_{\mathrm{b}}$$

  

  $${\mathrm{U}}_{\mathrm{a}}\mathrm{\times }{\mathrm{I}}_{\mathrm{b}}\mathrm{=}{\mathrm{P}}_{\mathrm{a}}\mathrm{\le }\mathrm{75}\mathrm{W}\mathrm{.}$$

  
• Die Auslösespannung U_a des Systems mit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung ist so bemessen, daß das Produkt aus der Auslösespannung U_a und dem Betriebsstrom I_b bei steigendem Schmelzwiderstand R den Wert von zum Beispiel 75 W nicht überschreitet. Durch die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung wird die Leistungsabgabe der Sicherung nicht nur überwacht, sondern auch der Transformatorschalter ausgelöst, bevor der zulässige Leistungsabgabewert bzw. spätestens wenn dieser Wert oder der Leistungsaufnahmewert der Sicherungskammer überschritten wird. Im Gegensatz zu einer bekannten Lösung wirkt der Schutz unabhängig vom Sicherungsnennstrom und nur abhängig von der Leistungsabgabe der Sicherung. Die Schutzeinrichtung kann somit auf die üblichen zulässigen Leistungsaufnahmewerte von Sicherungskammem in SF₆-isolierten Schaltanlagen ausgelegt werden.
• Zweckmäßig ist die Erfindung ferner dadurch ausgestaltet, daß die HH-Sicherung mit ihrer Auslöseeinrichtung in einem Gießharzgehäuse innerhalb einer SF₆-Kammer als Sicherungskammer angeordnet ist. Durch das isolierende Schwefelhexafluoridgas hat man hervorragende Isoliereigenschaften, kann die Abstände der Bauteile verkleinern und damit auch eine gekapselte Schaltanlage sehr kompakt aufbauen. Bei solchen Anlagen werden die Sicherungen in engen Kammern eingesetzt, die einerseits die Wärmeableitung von der Sicherung stark einschränken und andererseits selbst nur ein begrenztes Wärmeaufnahmevermögen haben. Bei richtiger Zuordnung der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung zu den Transformatoren besteht keine thermische Überlastungsgefahr für die Sicherungskammern, solange die Sicherungen in Ordnung sind. Im Falle deren Beschädigung oder teilweisen Zerstörung wird unter besonderen Umständen der Leistungsabgabewert der Sicherung erreicht oder überschritten, und dann öffnet die Auslöseeinrichtung den Transformatorschalter.
• Vorteilhaft ist es dabei, wenn erfindungsgemäß die Auslöseeinrichtung als Schlagstiftvorrichtung ausgebildet ist. Die vorstehende Formel des Produktes von Austösespannung U_a und Betriebsstrom I_b gilt in gleicher Weise.
• Weitere Vorteile der Schmelzeinrichtung gemäß der Erfindung sind außer der Überwachungsmöglichkeit der Wärmeleistungsabgabe der Sicherung zum Beispiel die Alterungsfreiheit und die Funktionsfähigkeit unabhängig von der Einbaulage der Sicherung. In sehr einfacher Weise basiert die neue Schutzeinrichtung auch auf dem ohm'schen Gesetz.
• Setzt man die neue Einrichtung gemäß der Erfindung in einer Schaltanlage mit gekapselten Abteilen ein, zum Beispiel in einem Transformatorhäuschen mit einer Mittelspannungsschaltanlage, dann kann man die gefürchteten Schäden bei der Zerstörung von SF₆-Schaltanlagen mit Vorteil verhindern. Es können auf diese Weise Schaltanlagen auch in besiedelte Gebiete gesetzt und dort gefahrlos betrieben werden. Weil die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung auch bei niedrigen Auslösespannungen für das Schlagstiftsystem einwandfrei arbeitet, kann man bis zu großen Betriebsströmen noch einen guten und sicheren Schutz vorsehen.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1

schematisch die Sicherungskammer einer SF₆-Schaltanlage mit einer Ringkabelleitung,

Figur 2

einen Ausschnitt der Schutzreinrichtung im Transformatorabgangsfeld der Sicherungskammer mit nachgeschaltetem Transformator und

Figur 3

die schematische Darstellung einer Sicherung mit einem Hauptschmelzleiter und einem parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter mit Haltedraht und Schlagstift.

• In einer Mittelspannungsschaltanlage 23 zeigt Figur 1 die Sicherungskammer 1 schematisch durch eine strichpunktierte Linie. Es handelt sich hier speziell um eine SF₆-isolierte Schaltanlage. Die gesamte Schaltanlage 23 ist aufgeteilt in ein unteres Kabelfeld 2, ein oberes Kabelfeld 3 und das in der Mitte befindliche Transformatorfeld 4. Von einer Sammelschiene 5, welche durch alle drei Felder 2, 3, 4 hindurchgeht, führt der obere Kabelschalter 6 des Kabelfeldes 3 zu einem Ringkabelabgang 7, während der Kabelschalter 8 im unteren Kabelfeld 2 zu dem Ringkabelabgang 9 führt. Auch der in dem in der Mitte angeordneten Transformatorfeld 4 angeordnete Kabel- oder Transformatorschalter 10 schafft einen Abgang von der Sammelschiene 5, wenn er geschlossen ist, allerdings über die mit 11 bezeichnete Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung. Diese ist mit dem Transformatorabgang 14 zu dem Transformator 15 hin verbunden.
• Der Transformator 15 ist samt Transformatorabgang 14 und HH-Sicherung 11 in Figur 2 vergrößert und deutlich herausgezeichnet. Die an der HH-Sicherung 11 anschließende gestrichelte Linie 16 veranschaulicht die Schlagstifteinrichtung an der HH-Sicherung.Der Transformatorschalter 10 ist mit Freiauslösung gezeigt.
• In Figur 3 ist die Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung 11 vergrößert herausgezeichnet. Man erkennt den Schlagstift 16, der von einem Haltedraht 17 gegen die Kraft einer Druckfeder 18 gehalten wird. Zu dem schlagstiftseitigen Sicherungskontakt 19 fließt der Strom aus dem gegenüberliegenden Sicherungskontakt 20 einmal über den Hauptschmelzleiter 21 und zum anderen über den parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter 22. In an sich bekannter Weise fließt der durch den Hilfsschmelzleiter 22 fließende Strom auch durch den Haltedraht 17, der nach dem Schmelzen reißt und den Schlagstift 16 zum Öffnen des Transformatorschalters 10 auslöst.
• Die in den Zeichnungen dargestellte Schutzeinrichtung sorgt für einen Schutz der Sicherungskammer 1 auch gegen thermische Überlastung, wenn der eine oder andere (oder mehrere) der Teilschmelzleiter des Hauptschmelzleiters 21 geschmolzen sind und sich dadurch der Widerstand der HH-Sicherung 11 ungewünscht erhöht. Hat eine 20 kV-40A-Sicherung zum Beispiel drei Teitschmelzleiter, von denen zwei defekt sind, dann überschreitet die Leistungsabgabe der Sicherung P_a den vorgegebenen Schwellwert von 75 W mit der Folge, daß der Schlagstift 16 auslöst und den Transformatorschalter mit Freiauslösung 10 öffnet. Auch bei einem Strom, der unter dem Nennstrom der Sicherung liegt, kann damit eine Auslösung erfolgen und auf diese Weise die thermische Überlastung der Sicherungskammer 1 vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1

Sicherungskammer

2

unteres Kabelfeld

3

oberes Kabelfeld

4

Tansformatorfeld

5

Sammelschiene

6

Kabelschalter des Kabelfeldes 3

7

Ringkabelabgang

8

Kabelschalter 8

9

Ringkabelabgang 9

10

Transformatorschalter

11

HH-Sicherung

12

13

14

Transformatorabgang

15

Transformator

16

Schlagstift

17

Haltedraht

18

Druckfeder

19

Sicherungskontakt

20

Sicherungskontakt

21

Hauptschmelzleiter

22

Hilfsschmelzleiter

23

Mittelspannungsschaltanlage

Claims (6)

1. Schutzeinrichtung gegen die thermische Überlastung der Sicherungskammer (1) einer Schaltanlage mit nachgeschaltetem Transformator (15), beispielsweise zur Versorgung eines Niederspannungsfeldes, wobei in der Sicherungskammer (1) eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung (11) und eine Auslöseeinrichtung (16-18) zum Schalten eines Transformatorschalters (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die HH-Sicherung (11) wenigstens einen Hauptschmelzleiter (21) und wenigstens einen parallel dazu geschalteten Hilfsschmelzleiter (22) aufweist und mit der Auslöseeinrichtung (16-18) so gestaltet ist, daß letztere spätestenes bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsaufnahmewertes der Sicherungskammer (1) über ihre Auslösespannung (U_a) den eine Freiauslösung aufweisenden Transformatorschalter (10) öffnet.
2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösespannung (U_a) spätestens bei Überschreiten eines zulässigen Leistungsabgabewertes (P_a) der Sicherung (11) erreicht wird.
3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabgabewert (P_a) im Bereich zwischen 60 W und 90 W liegt.
4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsabgabewert (P_a) etwa gleich 75 W ist.
5. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die HH-Sicherung (11) mit ihrer Auslöseeinrichtung (16-18) in einem Gießharzgehäuse innerhalb einer SF₆-Kammer als Sicherungskammer (1) angeordnet ist.
6. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseeinrichtung (16-18) als Schlagstiftvorrichtung ausgebildet ist.

Images