EP3053179A1 - Vorrichtung und verfahren zum schalten eines gleichstromes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum schalten eines gleichstromes

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EP3053179A1
EP3053179A1 EP13814053.8A EP13814053A EP3053179A1 EP 3053179 A1 EP3053179 A1 EP 3053179A1 EP 13814053 A EP13814053 A EP 13814053A EP 3053179 A1 EP3053179 A1 EP 3053179A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capacitor
branch
switch
operating current
damping device
Prior art date
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Granted
Application number
EP13814053.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3053179B1 (de
Inventor
Dominik ERGIN
Hans-Joachim Knaak
Mojtaba Mohaddes Khorassani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3053179A1 publication Critical patent/EP3053179A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3053179B1 publication Critical patent/EP3053179B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/548—Electromechanical and static switch connected in series
    • 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
    • H01H33/59—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
    • H01H33/596—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 interrupting dc

Definitions

  • the invention relates to a device for switching a direct current.
  • the device comprises an operating current branch, in which a mechanical switch is arranged, a circuit breaker connected to the operating current branch for interrupting the flow of current in the operating current branch, a capacitor branch arranged in a parallel circuit to the operating current branch, in which a capacitor is arranged, and a damping device, which is a resistance element includes.
  • Switching devices of this type are usually connected to an electrical DC voltage line or a DC voltage network and serve to interrupt the direct current carrying line in the event of a fault.
  • the mechanical switch and the circuit breaker are closed, so that the operating current flows through the operating current branch.
  • the short-circuit current is commutated to the capacitor branch, whereby the capacitor is charged. In this case, a reverse voltage is built, whereby the device is de-energized.
  • the damping device according to WO 2013/093066 A1 is arranged in parallel to the operating current branch and provided for enabling a re-connection of the device after a shutdown in the event of an error within a short time.
  • the switching element In the known device is in a series circuit to the damping device, a further switching element. After a fault, the switching element can be closed with the circuit breaker open and the mechanical switch open, so that the capacitor can discharge via the damping device. This way is a fast one Restart the device allows.
  • the same voltage dimensioning is necessary in the known device for the additional switching element, as for the circuit breaker, which should switch the current in the operating current branch. This leads to increased costs of the additional switching element.
  • the object of the present invention is therefore to propose a device of the type mentioned, which is inexpensive.
  • the damping device is arranged in the capacitor branch in a series circuit to the capacitor or in the operating current branch in a series circuit to the mechanical switch, wherein the damping device can be bridged by means arranged in a parallel circuit to the damping device bridging switch.
  • the bypass switch is closed in normal operation. If an error occurs, the capacitor in the capacitor branch can be charged until the current drops to zero due to the counter-voltage built up.
  • bypass switch can be opened so that the capacitor can discharge via the damping device as soon as the mechanical switch is closed again.
  • the device according to the invention has the advantage that the dimensioning of the dielectric strength of the bypass switch can be reduced. Because after charging the capacitor and opening the circuit breaker, the entire capacitor voltage drops only transiently at the bypass switch alone. In this way, the overall cost of the device can be reduced, since the bypass switch does not have to be designed for a continuous voltage higher than the maximum capacitor voltage, but only for an impulse load during the discharging process.
  • the resistance element of the damping device must be configured according to the energy optionally stored in the capacitor. Since an inductance can be assigned to each resistance element in addition to a resistance value, these two values must fulfill predetermined requirements for the desired time interval between the disconnection and the restarting.
  • the resistance element has an electrical resistance and an inductance whose values allow a discharge of the fully charged capacitor via the damping device within a period of 50 ms to 500 ms, particularly preferably 100 ms to 250 ms.
  • the damping device comprises a separate coil element.
  • the coil element forms a parallel circuit with the resistance element.
  • the damping device formed in this way limits the peak value of the discharge current and absorbs the energy stored in the capacitor particularly effectively.
  • the device further comprises a varistor, for example a metal oxide varistor, which is connected in a parallel circuit to the capacitor and to the operating current branch.
  • a limiting voltage can be defined, which can be maximally established when charging the capacitor.
  • the varistor must be designed such that the limiting voltage is greater than a mains voltage of the DC voltage network to which the device is connected.
  • the device further comprises a power semiconductor switch which is connected in series with the mechanical switch in the is arranged operating branch.
  • the current in the operating current branch initially rises approximately linearly.
  • the power semiconductor switch is set up to switch off in such a case with the smallest possible time delay, preferably in the microsecond range, whereby the further rising current is commutated into the capacitor branch.
  • the opening of the mechanical switch is set in motion. The mechanical switch is then opened, so that the power semiconductor switch is not damaged by the high applied voltage (up to several hundred kilovolts).
  • the device may be designed as a unidirectional or bidirectional switch.
  • the use of the power electronic switch also results in advantageous that the mechanical switch can be opened without current (whereby arc generation can be avoided), and that the mechanical switch does not have to provide the necessary commutation voltage.
  • the capacitor arranged in the capacitor branch preferably has a capacitance value which lies between 25 ⁇ and 200 ⁇ .
  • the bypass switch is a mechanical circuit breaker.
  • the mechanical disconnector uses, for example, an electromagnetic force to open and close its contacts.
  • the bypass switch is a circuit breaker, for example, a conventional AC voltage switch.
  • the bridging switch can always be switched in a currentless state of the device.
  • the requirements for the switching time of the bypass switch are therefore in the usual range of AC technology, preferably in the range of less than 100 ms.
  • the bypass switch in the operating current branch ange- is arranged to pre-charge by means of the device, for example, a cable, for example, a cable on the device, via the damping device.
  • the bypass switch is opened before the line is connected by means of the circuit breaker. Any charge current thus flows through the attenuator, thereby reducing a peak and load on all components in the network.
  • the bypass switch can be closed and normal operation can be started.
  • bypass switch is arranged in the operating current branch, then a further advantage of the device can be seen in the fact that, in the event of a fault, a fault current is to be commutated from the operating current branch to the capacitor branch, if necessary immediately the mechanical switch and the bypass switch can be opened immediately.
  • the invention relates to a method for switching the direct current by means of the device according to the species.
  • the object of the invention is to propose an alternative method for switching the direct current by means of the device according to the species.
  • the object is achieved by the method in which the bypass switch is opened in the event of a fault after opening the circuit breaker and the capacitor is discharged via the operating current branch and the damping device.
  • the bypass switch is closed only after discharging the capacitor and after closing the circuit breaker. sen. If the bypass switch is arranged in the operating current branch, then the current flows after the device is switched on by closing the circuit breaker first for a limited time via the damping device. As a result, the current peak value and thus the load of a device connected downstream of the device can be reduced. For normal operation, the bypass switch is closed again after a predetermined time.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a device according to the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the device according to the invention in a schematic view.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the device 1 according to the invention for switching a direct current.
  • the device 1 has two terminals 141, 142, by means of which the device 1 is connected to a DC voltage network.
  • the current direction is indicated by the arrow 13.
  • the device 1 comprises an operating current branch 2 and a capacitor branch 5, the capacitor branch 5 being connected in parallel to the operating current branch 2.
  • the device 1 has a varistor branch 15, wherein the varistor branch 15 is arranged in a parallel connection to the capacitor branch 5 and to the operating current branch 2.
  • a mechanical switch 3 and a power semiconductor switch 12 are arranged, wherein the mechanical switch 3 and the power semiconductor switch 12 are connected in a series circuit.
  • a capacitor 6 is arranged.
  • a metal oxide varistor 11 is arranged in the varistor branch 15, a metal oxide varistor 11 is arranged.
  • the device 1 further comprises a damping device 7, which is arranged in a series circuit to the mechanical switch 3.
  • a bypass switch 9 is arranged, by means of which the damping device can be bridged.
  • the damping device 7 comprises a coil element 10 and a resistance element 8, the coil element 10 and the resistance element 8 being arranged in a parallel connection to one another.
  • the mechanical switch 3 and the bypass switch 9 are designed as mechanical disconnectors.
  • the power semiconductor switch 12 is designed such that the device 1 can be used as a bidirectional switch.
  • the device 1 further comprises a circuit breaker 4, which is adapted to interrupt the flow of current in the operating current branch 2.
  • a load current flows through the circuit breaker 4, the mechanical switch 3, the half-circuit breaker 12 and the bypass switch 9 in the operating current branch 2.
  • an error occurs in the operating current branch 2 to a corresponding increase in current.
  • the mechanical switch 3 and the power semiconductor switch 12 controls a control unit, not shown in Figure 1, the mechanical switch 3 and the power semiconductor switch 12 to turn off.
  • the power semiconductor switch 12 is therefore locked and the mechanical switch 3 is opened.
  • the current from the operating current branch is commutated to the capacitor branch 5.
  • the circuit breaker 4 is also opened, initially the current continues to flow through the capacitor branch.
  • the capacitor 6 is charged until a voltage across the capacitor 6 drops, which is greater than the mains voltage.
  • the maximum voltage to which the capacitor 6 is charged is defined by the dissipating varistor 11. ned. The current flowing through the device 1 is thereby forced to zero, thus extinguishing a possible arc in the circuit breaker 4. After such a shutdown of the device 1, the capacitor 6 is charged to about twice the nominal voltage. If now the device 1 is switched on again within a short time, the energy stored in the capacitor must first be released.
  • the bypass switch 9 can be opened. If the switch-off operation of the device 1 is terminated by the extinguishing of the arc in the protection switch 4, then the switches 3, 12 can be closed again. About the mechanical switch 3, which is now closed, the power semiconductor switch 12, the
  • Damping device 7 the capacitor 6 now closes a circuit through which the capacitor 6 can be discharged.
  • the coil element 10 and the resistance element 8 of the damping device 7 thereby ensure a limitation of the peak value of the discharge current and for absorption of the stored energy of the capacitor 6.
  • the bypass switch 9 can be closed again. The circuit is thus ready for the renewed connection of the device 1.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the device 1 according to the invention is shown schematically.
  • Identical elements in FIGS. 1 and 2 are each provided with the same reference numerals. In order to avoid repetition, therefore, in the following description of FIG. 2, only those elements are discussed which distinguish the embodiment of FIG. 2 from the exemplary embodiment of FIG.
  • the damping device 7 is arranged in a series Circuit arranged to the capacitor 6 in the capacitor branch 5.
  • the bypass switch 9 is connected in a parallel circuit to the damping device 7, wherein the damping device 7 can be bridged by means of the bypass switch 9.
  • the mode of operation of the device 1 according to FIG. 2 substantially corresponds to the mode of operation of the device 1 of FIG. 1.
  • the current flowing through the device 1 is thereby forced to zero, which extinguishes a possible arc in the protection switch 4.
  • the capacitor 6 is charged to about twice the nominal voltage. If now the device 1 is switched on again within a short time, the energy stored in the capacitor must first be released.
  • the bypass switch 9 can be opened. Furthermore, the switches 3, 12 can be closed again. About the mechanical Switch 3, the power semiconductor switch 12, the damping device 7 and the capacitor 6 now closes a circuit through which the capacitor 6 can be discharged. The coil element 10 and the resistance element 8 of the damping device 7 thereby ensure a limitation of the peak value of the discharge current and for absorption of the stored energy of the capacitor 6. As soon as the capacitor 6 is discharged, the bypass switch 9 can be closed again. The circuit is thus ready for the renewed connection of the device 1. The connection of the

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Schalten eines Gleichstromes. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Betriebsstromzweig (2), in dem ein mechanischer Schalter (3) angeordnet ist, ein mit dem Betriebsstromzweig verbundener Schutzschalter (4) zum Unterbrechen des Stromflusses im Betriebsstromzweig, eine Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig angeordneten Kondensatorzweig (5), in dem ein Kondensator angeordnet ist sowie eine Dämpfungseinrichtung (7), die ein Widerstandselement (8) umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Dämpfungseinrichtung (7) im Kondensatorzweig (5) in einer Reihenschaltung zum Kondensator (6) oder im Betriebsstromzweig (2) in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter (3) angeordnet ist, wobei die Dämpfungseinrichtung (7) mittels eines in einer Parallelschaltung zur Dämpfungseinrichtung (7) angeordneten Überbrückungsschalters (9) überbrückbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schalten des Gleichstromes mittels der artgemäßen Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zum Schalten eines Gleichstromes Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstromes. Die Vorrichtung umfasst einen Betriebsstromzweig, in dem ein mechanischer Schalter angeordnet ist, einen mit dem Betriebsstromzweig verbundenen Schutzschalter zum Unterbrechen des Stromflusses im Betriebsstromzweig, einen in einer Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig angeordneten Kondensatorzweig, in dem ein Kondensator angeordnet ist, sowie eine Dämpfungseinrichtung, die ein Widerstandselement umfasst . Schaltvorrichtungen solcher Art werden üblicherweise an eine elektrische Gleichspannungsleitung oder ein Gleichspannungs- netz angeschlossen und dienen dazu, im Fehlerfall die Gleichstrom führende Leitung zu unterbrechen. In einem Normalbetrieb der Vorrichtung sind der mechanische Schalter sowie der Schutzschalter geschlossen, so dass der Betriebsstrom über den Betriebsstromzweig fließt. Im Kurzschlussfall wird der Kurzschlussstrom auf den Kondensatorzweig kommutiert, wobei der Kondensator aufgeladen wird. Dabei wird eine Gegenspannung aufgebaut, wodurch die Vorrichtung stromlos wird.
So ist die eingangs genannte Vorrichtung beispielsweise in der WO 2013/093066 AI offenbart. Die Dämpfungseinrichtung gemäß der WO 2013/093066 AI ist in Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig angeordnet und dazu vorgesehen, eine Wieder- einschaltung der Vorrichtung nach einer Abschaltung in einem Fehlerfall innerhalb kurzer Zeit zu ermöglichen.
Bei der bekannten Vorrichtung liegt in einer Reihenschaltung zu der Dämpfungseinrichtung ein weiteres Schaltelement. Nach einem Fehlerfall kann bei geöffnetem Schutzschalter sowie geöffnetem mechanischen Schalter das Schaltelement geschlossen werden, so dass sich der Kondensator über die Dämpfungseinrichtung entladen kann. Auf diese Weise ist ein schnelles Wiedereinschalten der Vorrichtung ermöglicht. Allerdings ist bei der bekannten Vorrichtung für das zusätzliche Schaltelement die gleiche Spannungsdimensionierung notwendig, wie für den Schutzschalter, die den Strom im Betriebsstromzweig schalten soll. Dies führt zu erhöhten Kosten des zusätzlichen Schaltelements .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Dämpfungseinrichtung im Kondensatorzweig in einer Reihenschaltung zum Kondensator oder im Betriebsstromzweig in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter angeordnet ist, wobei die Dämpfungseinrichtung mittels eines in einer Parallelschaltung zur Dämpfungseinrichtung angeordneten Überbrückungsschalters überbrückbar ist. Der Überbrückungsschalter ist im Normalbetrieb geschlossen. Kommt es zu einem Fehlerfall, so kann der Kondensator im Kondensatorzweig aufgeladen werden, bis der Strom durch die aufgebaute Gegenspannung auf null sinkt. Bei geöffnetem
Schutzschalter sowie geöffnetem mechanischen Schalter kann der Überbrückungsschalter geöffnet werden, so dass sich der Kondensator über die Dämpfungseinrichtung entladen kann, sobald der mechanische Schalter wieder geschlossen wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Dimensionierung der Spannungsfestigkeit des Überbrückungsschalters heruntergesetzt werden kann. Denn nach der Aufladung des Kondensators und dem Öffnen des Schutzschalters fällt die gesamte Kondensatorspannung nur transient am Überbrückungsschalter allein ab. Auf diese Weise können die Ge- samtkosten der Vorrichtung reduziert werden, da der Überbrückungsschalter nicht für eine Dauerspannung in Höher der maximalen Kondensatorspannung ausgelegt werden muss, sondern nur für eine Impulsbelastung während des Entladevorgangs. Um die Funktion des Wiedereinschaltens der Vorrichtung nach einer Kurzunterbrechung zu gewährleisten, muss das Widerstandselement der Dämpfungseinrichtung entsprechend der im Kondensator gegebenenfalls gespeicherten Energie ausgestaltet werden. Da einem jeden Widerstandselement außer einem Widerstandswert auch eine Induktivität zugeordnet werden kann, müssen diese beiden Werte vorbestimmte Anforderungen an die gewünschte Zeitspanne zwischen der Abschaltung und der Wie- dereinschaltung erfüllen. Vorzugsweise weist das Widerstandselement einen elektrischen Widerstand und eine Induktivität auf, deren Werte eine Entladung des voll aufgeladenen Kondensators über die Dämpfungseinrichtung innerhalb einer Zeitspanne von 50 ms bis 500 ms, besonders bevorzugt von 100 ms bis 250 ms, erlauben.
Als vorteilhaft kann es sich beispielsweise erweisen, wenn die Dämpfungseinrichtung ein separates Spulenelement umfasst. Das Spulenelement bildet dabei mit dem Widerstandselement ei- ne Parallelschaltung. Die derart ausgebildete Dämpfungseinrichtung begrenzt dabei den Spitzenwert des EntladeStromes und absorbiert die im Kondensator gespeicherte Energie besonders effektiv. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen Varistor, beispielsweise einen Metalloxid-Varistor, der in einer Parallelschaltung zum Kondensator sowie zum Betriebsstromzweig geschaltet ist. Mittels des Varistors kann eine Begrenzungsspannung definiert werden, wel- che beim Aufladen des Kondensators maximal aufgebaut werden kann. Der Varistor muss dabei derart ausgebildet sein, dass die Begrenzungsspannung größer als eine Netzspannung des Gleichspannungsnetzes ist, an das die Vorrichtung angeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner einen Leistungshalbleiterschalter, der in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter im Be- triebsstromzweig angeordnet ist. Im Kurzschlussfall steigt der Strom im Betriebsstromzweig zunächst annähernd linear an. Der Leistungshalbleiterschalter ist dazu eingerichtet, in einem solchen Fall mit möglichst kleiner Zeitverzögerung, vor- zugsweise im Mikrosekundenbereich, abzuschalten, wodurch der weiter ansteigende Strom in den Kondensatorzweig kommutiert wird. Gleichzeitig wird das Öffnen des mechanischen Schalters in Gang gesetzt. Der mechanische Schalter wird dann geöffnet, so dass der Leistungshalbleiterschalter durch die hohe anlie- gende Spannung (von bis zu mehreren Hundert Kilovolt) nicht beschädigt wird. Je nach Ausbildung des Leistungshalbleiterschalters kann die Vorrichtung als uni- oder bidirektionaler Schalter ausgebildet sein. Durch die Verwendung des leistungselektronischen Schalters ergibt sich ferner vorteilhaft, dass der mechanische Schalter stromlos geöffnet werden kann (wodurch Lichtbogenentstehung vermieden werden kann) , und dass der mechanische Schalter nicht die notwendige Kommu- tierungssspannung bereitstellen muss. Bevorzugt weist der im Kondensatorzweig angeordnete Kondensator einen Kapazitätswert, der zwischen 25 Ρ und 200 Ρ liegt .
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Überbrü- ckungsschalter ein mechanischer Trennschalter. Der mechanische Trennschalter nutzt beispielsweise eine elektromagnetische Kraftwirkung zum Öffnen und Schließen seiner Kontakte. Es ist allerdings ebenso denkbar, dass der Überbrückungs- schalter ein Leistungsschalter, beispielsweise ein gebräuch- licher Wechselspannungsschalter ist. Der Überbrückungsschal - ter kann stets in einem stromlosen Zustand der Vorrichtung geschaltet werden. Die Anforderungen an die Schaltzeit des Überbrückungsschalters liegen daher im üblichen Bereich der Wechselspannungstechnik, vorzugsweise im Bereich von weniger als 100 ms.
Über die zuvor beschriebene Funktion hinaus ist es möglich, falls der Überbrückungsschalter im Betriebsstromzweig ange- ordnet ist, mittels der Vorrichtung eine beispielsweise auf die Vorrichtung folgende Leitung, zum Beispiel ein Kabel, über die Dämpfungseinrichtung vorzuladen. Dazu wird vor dem Zuschalten der Leitung mittels des Schutzschalters der Über- brückungsschalter geöffnet. Ein etwaiger Ladestrom fließt somit über die Dämpfungseinrichtung, wodurch ein Spitzenwert und die Belastung für alle Komponenten im Netz reduziert werden. Sobald der Strom auf einen vorbestimmten Wert reduziert ist, kann der Überbrückungsschalter geschlossen und der Nor- malbetrieb aufgenommen werden.
Ist der Überbrückungsschalter im Betriebsstromzweig angeordnet, so kann ein weiterer Vorteil der Vorrichtung darin gesehen werden, dass, falls im Fehlerfall ein Fehlerstrom vom Be- triebsstromzweig auf den Kondensatorzweig kommutiert werden soll, gegebenenfalls sofort der mechanische Schalter und der Überbrückungsschalter geöffnet werden können. Dadurch steht eine Lichtbogenspannung der beiden Schalter von Anfang an als Kommutierungsspannung zur Verfügung. Beide Schalter sind da- bei geeigneterweise sehr schnelle Schalter, die über eine Lichtbogentragfähigkeit verfügen .
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schalten des Gleichstromes mittels der artgemäßen Vorrichtung.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein alternatives Verfahren zum Schalten des Gleichstromes mittels der artgemäßen Vorrichtung vorzuschlagen .
Die Aufgabe wird durch das Verfahren gelöst, bei dem im Fehlerfall nach einem Öffnen des Schutzschalters der Überbrückungsschalter geöffnet und der Kondensator über den Betriebsstromzweig und die Dämpfungseinrichtung entladen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Überbrückungsschalter erst nach dem Entladen des Kondensators und nach einem Schließen des Schutzschalters geschlos- sen. Ist der ÜberbrückungsSchalter im Betriebsstromzweig angeordnet, so fließt der Strom nach dem Zuschalten der Vorrichtung durch Schließen des Schutzschalters zunächst für eine begrenzte Zeit über die Dämpfungseinrichtung. Dadurch kön- nen der Strom-Spitzenwert und damit die Belastung einer der Vorrichtung nachgeschalteten Komponente reduziert werden. Für die Aufnahme des Normalbetriebs wird der Überbrückungsschal- ter nach einer vorbestimmten Zeit wieder geschlossen.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren 1 und 2 näher erläutert .
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung;
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schemati- sehen Darstellung.
Im Einzelnen zeigt Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Schalten eines Gleichstromes. Die Vorrichtung 1 weist zwei Klemmen 141, 142 auf, mittels derer die Vorrichtung 1 an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen ist. Die Stromrichtung ist durch den Pfeil 13 angedeutet. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Betriebsstromzweig 2 und einen Kondensatorzweig 5, wobei der Kondensatorzweig 5 in Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig 2 ge- schaltet ist. Ferner weist die Vorrichtung 1 ein Varistorzweig 15, wobei der Varistorzweig 15 in einer Parallelschaltung zum Kondensatorzweig 5 sowie zum Betriebsstromzweig 2 angeordnet ist. Im Betriebsstromzweig 2 sind ein mechanischer Schalter 3 sowie ein Leistungshalbleiterschalter 12 angeord- net, wobei der mechanische Schalter 3 und der Leistungshalbleiterschalter 12 in einer Reihenschaltung geschaltet sind. Im Kondensatorzweig 5 ist ein Kondensator 6 angeordnet. Im Varistorzweig 15 ist ein Metalloxidvaristor 11 angeordnet. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Dämpfungseinrichtung 7, die in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter 3 angeordnet ist. In einer Parallelschaltung zur Dämpfungsein- richtung 7 ist ein Überbrückungsschalter 9 angeordnet, mittels dessen die Dämpfungseinrichtung überbrückt werden kann. Die Dämpfungseinrichtung 7 umfasst ein Spulenelement 10 sowie einen Widerstandselement 8, wobei das Spulenelement 10 und das Widerstandselement 8 in einer Parallelschaltung zueinan- der angeordnet sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der mechanische Schalter 3 und der Überbrückungsschalter 9 als mechanische Trennschalter ausgebildet. Der Leistungshalbleiterschalter 12 ist derart ausgebildet, dass die Vorrichtung 1 als bidirektionaler Schalter verwendet werden kann.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Schutzschalter 4, der dazu eingerichtet ist, den Stromfluss im Betriebsstromzweig 2 zu unterbrechen.
In einem Normalbetrieb der Vorrichtung 1 fließt ein Laststrom über den Schutzschalter 4, den mechanischen Schalter 3, den Halbleistungsschalter 12 sowie den Überbrückungsschalter 9 im Betriebsstromzweig 2. In einem Fehlerfall kommt es im Betriebsstromzweig 2 zu einem entsprechenden Stromanstieg. In einem solchen Fehlerfall steuert eine in Figur 1 nicht dargestellte Regeleinheit den mechanischen Schalter 3 und den Leistungshalbleiterschalter 12 an, abzuschalten. Der Leis- tungshalbleiterschalter 12 wird demnach gesperrt und der mechanische Schalter 3 wird geöffnet. Dabei wird der Strom vom Betriebsstromzweig auf den Kondensatorzweig 5 kommutiert. Zudem wird der Schutzschalter 4 ebenfalls geöffnet, wobei zunächst der Strom weiter durch den Kondensatorzweig fließt. Der Kondensator 6 wird solange aufgeladen bis eine Spannung am Kondensator 6 abfällt, die größer als die Netzspannung ist. Dabei wird die MaximalSpannung, auf die der Kondensator 6 aufgeladen wird, durch den ableitenden Varistor 11 defi- niert. Der durch die Vorrichtung 1 fließende Strom wird dadurch auf null gezwungen, womit ein möglicher Lichtbogen im Schutzschalter 4 verlöscht. Nach einer solchen Abschaltung der Vorrichtung 1 ist der Kondensator 6 auf etwa die doppelte Nennspannung aufgeladen. Soll nun innerhalb kurzer Zeit die Vorrichtung 1 wieder zugeschaltet werden, muss die im Kondensator gespeicherte Energie zunächst freigesetzt werden.
Sobald der Strom im mechanischen Schalter 3 und damit im ge- samten Betriebsstromzweig null ist, kann der Überbrückungs- schalter 9 geöffnet werden. Ist der Abschaltvorgang der Vorrichtung 1 durch das Verlöschen des Lichtbogens im Schutz - Schalter 4 beendet, so können die Schalter 3, 12 wieder geschlossen werden. Über den mechanischen Schalter 3, der nun geschlossen ist, den Leistungshalbleiterschalter 12, die
Dämpfungseinrichtung 7, den Kondensator 6 schließt sich nun ein Stromkreis, über den der Kondensator 6 entladen werden kann. Das Spulenelement 10 sowie das Widerstandselement 8 der Dämpfungseinrichtung 7 sorgen dabei für eine Begrenzung des Spitzenwertes des EntladeStromes und für eine Absorption der gespeicherten Energie des Kondensators 6. Sobald der Kondensator 6 entladen ist, kann der Überbrückungsschalter 9 wieder geschlossen werden. Die Schaltung ist damit bereit für die erneute Zuschaltung der Vorrichtung 1. Die Zuschaltung der Vorrichtung 1 erfolgt über das Schließen des Schutzschalters 4.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Gleichar- tige Elemente in den Figuren 1 und 2 sind dabei jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher in der folgenden Beschreibung der Figur 2 nur auf diejenigen Elemente eingegangen, die das Ausführungsbeispiel der Figur 2 vom Ausführungsbeispiel der Figur 1 un- terscheiden.
In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist die Dämpfungseinrichtung 7 in einer Reihen- Schaltung zum Kondensator 6 im Kondensatorzweig 5 angeordnet. Der Überbrückungsschalter 9 ist in einer Parallelschaltung zur Dämpfungseinrichtung 7 geschaltet, wobei die Dämpfungs- einrichtung 7 mittels des Überbrückungsschalters 9 überbrückt werden kann.
Die Funktionsweise der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise der Vorrichtung 1 der Figur 1.
Im Normalbetrieb fließt ein Laststrom über den Schutzschalter 4, den mechanischen Schalter 3 und den Halbleistungsschalter 12 im Betriebsstromzweig 2. In einem Fehlerfall kommt es im Betriebsstromzweig 2 zu einem entsprechenden Stromanstieg. In einem solchen Fehlerfall steuert eine in Figur 1 nicht dargestellte Regeleinheit den mechanischen Schalter 3 und den Leistungshalbleiterschalter 12 an, abzuschalten. Der Leistungshalbleiterschalter 12 wird demnach gesperrt und der mechanische Schalter 3 wird geöffnet. Zudem wird der Schutz- Schalter 4 ebenfalls geöffnet. Auf diese Weise wird der Strom vom Betriebsstromzweig auf den Kondensatorzweig kommutiert. Dabei wird der Kondensator 6 aufgeladen bis eine Spannung am Kondensator abfällt, die größer als die Netzspannung ist. Dabei wird die MaximalSpannung, auf die der Kondensator 6 auf- geladen wird, durch den ableitenden Varistor 11 definiert.
Der durch die Vorrichtung 1 fließende Strom wird dadurch auf null gezwungen, womit ein möglicher Lichtbogen im Schutz - Schalter 4 verlöscht. Nach einer solchen Abschaltung der Vorrichtung 1 ist der Kondensator 6 auf etwa die doppelte Nenn- Spannung aufgeladen. Soll nun innerhalb kurzer Zeit die Vorrichtung 1 wieder zugeschaltet werden, muss die im Kondensator gespeicherte Energie zunächst freigesetzt werden.
Sobald der Strom im mechanischen Schalter 3 null ist, und ist der Abschaltvorgang der Vorrichtung 1 durch das Verlöschen des Lichtbogens im Schutzschalter 4 beendet, kann der Überbrückungsschalter 9 geöffnet werden. Ferner können die Schalter 3, 12 wieder geschlossen werden. Über den mechanischen Schalter 3, den Leistungshalbleiterschalter 12, die Dämpfungseinrichtung 7 und den Kondensator 6 schließt sich nun ein Stromkreis, über den der Kondensator 6 entladen werden kann. Das Spulenelement 10 sowie das Widerstandselement 8 der Dämpfungseinrichtung 7 sorgen dabei für eine Begrenzung des Spitzenwertes des EntladeStromes und für eine Absorption der gespeicherten Energie des Kondensators 6. Sobald der Kondensator 6 entladen ist, kann der Überbrückungsschalter 9 wieder geschlossen werden. Die Schaltung ist damit bereit für die erneute Zuschaltung der Vorrichtung 1. Die Zuschaltung der
Vorrichtung 1 erfolgt über das Schließen des Schutzschalters 4.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstromes
2 Betriebsstromzweig
3 mechanischer Schalter
4 SchutzSchalter
5 Kondensatorzweig
6 Kondensator
7 Dämpfungseinrichtung
8 WiderStandselement
9 ÜberbrückungsSchalter
10 Spulenelement
11 Varistor
12 Leistungshalbleiterschalter
13 Richtungspfeil
141 Klemme
142 Klemme
15 Varistorzweig

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Schalten eines Gleichstromes, umfassend
- einen Betriebsstromzweig (2), in dem ein mechanischer
Schalter (3) angeordnet ist,
- einen mit dem Betriebsstromzweig (2) verbundener Schutzschalter (4) zum Unterbrechen des Stromflusses im Betriebsstromzweig (2) ,
- einen in Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig (2) angeordneten Kondensatorzweig (5) , in dem ein Kondensator (6) angeordnet ist, sowie
- eine Dämpfungseinrichtung (7) , die ein Widerstandselement (8) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungseinrichtung (7) im Kondensatorzweig (5) in einer Reihenschaltung zum Kondensator (6) oder im Betriebsstromzweig (2) in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter (3) angeordnet ist, wobei die Dämpfungseinrichtung (7) mittels eines in einer Parallelschaltung zur Dämpfungseinrichtung (7) angeordneten Überbrückungsschalters (9) überbrückbar ist.
2. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Widerstandselement (8) einen elektrischen Widerstand und eine Induktivität aufweist, deren Werte derart bemessen sind, dass die Entladungszeit einer Entladung des Kondensators (6) über die Dämpfungseinrichtung (7) zwischen 50 ms und 500 ms, bevorzugt zwischen 100 ms und 250 ms, beträgt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dämpfungseinrichtung (7) eine Parallelschaltung aus dem Widerstandselement (8) und einem Spulenelement (10) umfasst .
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Varistor (11) vorgesehen ist, der in einer Parallelschaltung zum Betriebsstromzweig (2) und zum
Kondensatorzweig (5) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (1) ferner einen Leistungshalbleiter- Schalter (12) umfasst, der in einer Reihenschaltung zum mechanischen Schalter im Betriebsstromzweig (2) angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensator (6) einen Kapazitätswert zwischen 25 Ρ und 200 μΡ aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Überbrückungsschalter (9) ein mechanischer Trennschalter ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Überbrückungsschalter (9) ein elektronischer Leistungsschalter ist.
9. Verfahren zum Schalten eines Gleichstromes mittels der Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem im Fehlerfall nach einem Öffnen des Schutzschalters (4) der Überbrückungsschalter (9) geöffnet und der Kondensator (6) über den Betriebsstromzweig (2) und die Dämpfungseinrichtung (7) entladen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der ÜberbrückungsSchalter (9) nach dem Entladen des Kondensators (6) und nach einem Schließen des Schutzschalters (4) geschlossen wird.
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