EP1690276B1 - Schaltgerät für den mittel- und hochspannungsbereich - Google Patents

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EP1690276B1
EP1690276B1 EP04820595.9A EP04820595A EP1690276B1 EP 1690276 B1 EP1690276 B1 EP 1690276B1 EP 04820595 A EP04820595 A EP 04820595A EP 1690276 B1 EP1690276 B1 EP 1690276B1
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switches
switching device
switching
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Edgar Dullni
Manfred Hauck
Maik Hyrenbach Dr.
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ABB Schweiz AG
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ABB Technology AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/14—Multiple main contacts for the purpose of dividing the current through, or potential drop along, the arc

Definitions

  • the invention relates to a switching device for the medium and high voltage range according to the preamble of claim 1.
  • the field relates to medium voltage switching devices, but does not exclude high voltage switching devices, in particular a vacuum circuit breaker, which is suitable for frequent switching of capacitor banks.
  • the invention is therefore based on the object to improve a switching device of the generic type to the extent that the remindzündungshunt better ensured and the voltage is effectively divided in the switching process.
  • the drives of the switches are mechanically coupled. This makes a good Heidelbergsychronisieriana possible.
  • a suitable synchronization can also be done by the drives of the switches are electrically coupled.
  • the time window dt can be varied with setting means.
  • an optimal time window dt of less than or equal to 3 milliseconds results.
  • an antenna which is galvanically connected to both switches is arranged between the switching paths of the two switches in such a way that the resulting partial electrical capacitances are almost symmetrical.
  • switches connected in series are structurally similar. This is a further advantageous measure for effectively described symmetrization of the voltage distribution in the event of a switch.
  • the two switches are vacuum circuit breakers.
  • the two switches are arranged on a base plate and the connections to a busbar and / or cable plug and / or converter are arranged within a gas-tight housing which is filled with SF 6 or N 2 or air as insulating gas.
  • SF 6 or N 2 or air as insulating gas
  • circuit breaker 1 of the type VD4X, which is also used for outgoing and feed-in fields, arranged one above the other on a common base plate 2.
  • the base plate is placed gas-tight in front of a pressure-resistant housing.
  • the connections to the busbar or cable plug and converter are carried out within the gas-tight space in a known manner.
  • An example for use in a gas-insulated system ZX1.2 or ZX2 is the publication.
  • the training and rewinding for electrical actuation of the drives are connected either in series or in parallel. Since the time accuracy of the switching is of little importance, the single coils are only electrically coupled. If one of the switches should not turn on, a fault message will be generated. The switch can then be switched off again without danger.
  • the switch-off must happen almost simultaneously in order to ensure a distribution of the voltage between the two vacuum chambers. Due to the steepness of the recurrent voltage after current quenching a synchronization of less than 3 ms is required. This is achieved here on the one hand by the use of similar switches (1) and by a mechanical coupling (2) of the switch-off (3).
  • the rigid coupling between the two shafts is adjustable and allows adjustment of the switch-off times. This achieves a synchronization of less than 3 ms, preferably 1 ms.
  • an electrode (4) can be positioned.
  • the electrode increases the coupling between the two vacuum chambers.
  • the location and shape of such electrodes is determined by the location of the switching chambers, especially their capacitance to ground or to the high voltage potential.
  • a field with a capacitor switch can be arranged as desired in the usual outgoing or feed-in fields.
  • FIG. 2 an equivalent circuit diagram for the entire switching path, representative of all three phases.
  • a separator 10 is arranged, which is designed as a three-position switch with grounding position 11.

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  • High-Tension Arc-Extinguishing Switches Without Spraying Means (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät für den Mittel- und Hochspannungsbereich gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Das Sachgebiet betrifft Mittelspannungsschaltgeräte, schließt aber Hochspannungsschaltgeräte nicht aus, im speziellen einen Vakuum-Leistungsschalter, der zum häufigen Schalten von Kondensatorbänken geeignet ist.
  • Bekannt sind entweder SF6-gefüllte und Vakuumleistungsschalter, die neben dem kapazitiven Strom auch Kurzschlussströme abschalten können, oder spezielle Kondensatorschaltgeräte, die nur den kapazitiven Strom beherrschen. Beim Abschalten des Kondensatorladestroms treten hohe Wiederkehrspannungen im Netz auf, die die Gefahr von Rückzündungen über die Schaltstrecke in sich bergen. Daraus entstehende Überspannungen können die Kondensatoren oder Netzmittel schädigen. Die seit 2001 geltende IEC 62271-100 berücksichtigt diese Möglichkeiten stärker als früher und klassifiziert Leistungsschalter nach geringer und sehr geringer Rückzündungshäufigkeit. In den entsprechenden Typprüfungen darf überhaupt keine Rückzündung vorkommen. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an das Verhalten des Leistungsschalters. Mit höherer Spannung, hier im wesentlichen der 36kV Netzebene und höher, wird es immer schwieriger, die Rückzündungsfreiheit zu garantieren. Dies liegt im Vakuumschaltprinzip selbst begründet, das eine Wurzelabhängigkeit des Kontaktabstandes mit der dielektrischen Festigkeit der Anordnung beinhaltet. Höhere Durchschlagsspannungen sind also nur mit überproportional großem Kontaktabstand zu erkaufen. Dazu kommt die statistische Natur der Vakuumdurchschläge mit einer mit der Oberflächenstruktur stark variierenden Durchschlagspannung.
  • Aus der US 3839 612 sowie der US 3708 638 sind jeweils parallen Schaltkammern bekannt, bei welchen zumindest jeweils ein Potential miteinander verschaltet sind.
  • Insbesondere ist aus der US 3708638 A , sowie der US 3813506 , sowie der DE 3901712 A1 eine Reihenschaltung von zwei Schaltern die koordiniert geschaltet werden an sich bereits bekannt. Bei der US 3708638 A handelt es sich aber um Schalter unterschiedlicher Funktionstypen.
  • Aus der US 3839612 A ist ein Schaltgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern, dass die Rückzündungsfreiheit besser gewährleistet und die Spannung im Schaltprozess wirksam aufgeteilt wird.
  • Bei einem Schaltgerät der gattungsgemäßen Art ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schaltgerätes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Idee ist nun, zwei Vakuumkammern pro Phase hintereinander zu schalten. Damit wird in erster Linie die Spannung zwischen den Schaltstrecken aufgeteilt und die Wurzelabhängigkeit vorteilhaft ausgenutzt. Zum andern ist der Vakuumdurchschlag ein sehr schneller Prozess, der aber zum Teil längere Vorlaufzeiten benötigt. Die Wahrscheinlichkeit, dass gerade während der ersten Entladung ein Durchschlagsprozess in der zweiten Schaltstrecke abläuft, ist sehr klein. Da sich bei einem Teildurchschlag einer Strecke nur parasitäre Kapazitäten entladen können, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Strecke wieder verfestigt, bevor ein Gesamtdurchschlag auftritt.
  • Die Idee, zwei Vakuumkammern in Reihe zu schalten ist an sich zwar schon bekannt, aber die Realisierung durch zwei unabhängige, aber gleichartige Leistungsschalter, deren Ein- und Ausschaltmittel elektrisch bzw. mechanisch gekoppelt sind ist dabei besonders. Durch eine spezielle mechanische Kopplung der Ausschaltwellen wird ein Gleichlauf von kleiner 3 ms erreicht. Auf diese Weise kann es beim Schalten tatsächlich auch zu der Aufteilung der anliegenden elektrischen Spannung kommen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Antriebe der Schalter mechanisch gekoppelt sind. Dadurch ist eine gute Schaltsychronisierbarkeit möglich.
  • Alternativ dazu kann eine geeignete Synchronisation auch erfolgen, indem die Antriebe der Schalter elektrisch gekoppelt sind.
  • Um das Schaltverhalten auch an mechanisch und/oder elektrisch individuelle Gegegenheiten jeweils anpassen zu können, ist das Zeitfenster dt mit Einstellmitteln variierbar.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung ergibt sich ein optimales Zeitfenster dt von kleiner oder gleich 3 Millisekunden.
  • Ein Optimaler Wert ergibt sich bei dt = 1 Millisekunde.
  • Ferner ist zwischen den Schaltstrecken der beiden Schalter eine galvanisch mit beiden Schaltern verbundene Antenne derart angeordnet, dass die sich ergebenden elektrischen Teilkapazitäten nahezu symmetrisch sind. Mit dieser Maßnahme der Symmetrisierung kommt es zu einer optimalen Spannungsaufteilung auf die beiden Schaltstrecken.
    Diese Maßnahme ist einfach aber erheblich wirkungsvoll und stellt eine besonders vorteilhafte und präferierte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltgerätes dar.
  • In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass die in Reihe geschalteten Schalter baulich gleichartig sind. Dies ist eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur wirksamen beschriebenen Symmetriesierung der Spannungsaufteilung im Schaltfall.
  • Vorteilhaft ist auch dass die beiden Schalter Vakuumleistungsschalter sind.
  • In baulich vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die beiden Schalter auf einer Grundplatte angeordnet und die Verbindungen zu einer Sammelschiene und/oder Kabelstecker und/oder Wandler innerhalb eines gasdichten Gehäuses angeordnet sind, welches mit SF6 oder N2 oder Luft als Isoliergas gefüllt ist. Auf diese Weise ist das Erfindungsgemäß erzielbare Schaltprinzip in übliche Schaltgerätbauarten integrierbar.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1: Schaltgerät mit lediglich den beiden Vakuumleistungsschaltern pro Phase.
    • Fig. 2: Ersatzschaltbild
  • Es sind zwei Leistungsschalter 1 des Typs VD4X, der auch für Abgangs- und Einspeisefelder eingesetzt wird, übereinander auf einer gemeinsamen Grundplatte 2 angeordnet. Die Grundplatte wird gasdicht vor ein druckfestes Gehäuse gesetzt. Die Verbindungen zur Sammelschiene bzw. zu Kabelstecker und Wandler erfolgen innerhalb des gasdichten Raumes in bekannter Weise. Ein Beispiel für den Einsatz in einer gasisolierten Anlage ZX1.2 oder ZX2 gibt die Druckschrift.
  • Die Aus- und Einspulen zur elektrischen Betätigung der Antriebe sind entweder in Reihe oder parallel geschaltet. Da der Zeitgenauigkeit der Einschaltung keine große Bedeutung zukommt, werden die Einspulen nur elektrisch gekoppelt. Falls einer der Schalter nicht einschalten sollte, wird eine Störmeldung generiert. Der Schalter kann dann ohne Gefahr wieder ausgeschaltet werden.
  • Die Ausschaltung dagegen muss nahezu zeitgleich passieren, um eine Aufteilung der Spannung auf die beiden Vakuumkammern zu gewährleisten. Aufgrund der Steilheit der wiederkehrenden Spannung nach Stromlöschung wird ein Gleichlauf von kleiner 3 ms gefordert. Erreicht wird dies hier zum einen durch die Verwendung gleichartiger Schalter (1) und durch eine mechanische Kopplung (2) der Ausschaltwellen (3). Die starre Kopplung zwischen beiden Wellen ist einstellbar und ermöglicht eine Justierung der Ausschaltzeiten. Damit wird ein Gleichlauf von kleiner 3 ms, vorzugsweise 1 ms erreicht.
  • Zur Vergleichmäßigung der Spannungsaufteilung zwischen den Schaltstrecken kann eine Elektrode (4) positioniert werden. Im vorliegenden Fall erhöht die Elektrode die Kopplung zwischen beiden Vakuumkammern. Der Ort und die Form solcher Elektroden wird durch die Lage der Schaltkammern speziell deren Kapazität zu Erde oder zum Hochspannungspotential bestimmt.
  • Durch Verwendung von Standardkomponenten insbesondere für die Verbindung der Felder untereinander und Beibehaltung der Sammelschienenlage ist ein Feld mit Kondensatorschalter beliebig anreihbar an übliche Abgangs- oder Einspeisefelder.
  • Um die Verschaltung als solche die aus Figur 1 nicht zu erkennen ist klar zu machen zeigt Figur 2 ein Ersatzschaltbild für die gesamte Schaltstrecke, repräsentativ für alle drei Phasen.
    Am Abgang von L1 ist ein Trenner 10 angeordnet, der als Dreistellungsschalter mit Erdungsstellung 11 ausgestaltet ist.
  • Dann folgen in Reihe die beiden Leistungsschalter 1. Zwischen den einzelnen Schaltstrecken ist eine quasi als Antenne wirkende Elektrode 4 plaziert. Zwischen dieser und der jeweiligen Schaltstrecke des jeweiligen Schalters 1 bilden sich Teilkapazitäten. Aufgrund der physischen also baulichen Symmetrie, die auch aus Figur 1 hervorgeht bilden sich diese auch symmetrisch aus, und begünstigen in der Schaltphase die gewollte symmetrische Verteilung der geschaltetet elektrischen Spannung auf beide Schalter.

Claims (9)

  1. Schaltgerät für den Mittel- und Hochspannungsbereich mit Leistungs- und/oder Lastschaltern, wobei auf jeder Phase zwei unabhängige, aber gleichartige Leistungsschalter (1) in Reihe geschaltet sind, welche in einem kleinen Zeitfenster dt zueinander koordiniert schaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaltstrecken der beiden Schalter eine galvanisch mit beiden Schaltern verbundene, als Antenne wirkende Elektrode (4) derart angeordnet ist, dass die sich ergebenden elektrischen Teilkapazitäten nahezu symmetrisch sind.
  2. Schaltgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebe der Schalter (1) mechanisch gekoppelt sind.
  3. Schaltgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebe der Schalter (1) elektrisch gekoppelt sind.
  4. Schaltgerät nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Zeitfenster dt mit Einstellmitteln variierbar ist.
  5. Schaltgerät nach Anspruch 2, 3, oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Zeitfenster
    dt ≤ 3 Millisekunden ist.
  6. Schaltgerät nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Zeitfenster
    dt = 1 Millisekunde ist.
  7. Schaltgerät nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die in Reihe geschalteten Schalter (1) baulich gleichartig sind.
  8. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die beiden Schalter (1) Vakuumleistungsschalter sind.
  9. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die beiden Schalter (1) auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet und die Verbindungen zu einer Sammelschiene und/oder Kabelstecker und/oder Wandler innerhalb eines gasdichten Gehäuses angeordnet sind, welches mit SF6 oder N2 oder Luft als Isoliergas gefüllt ist.
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