NL1018960C2

NL1018960C2 - Driefasensysteem met een inschakelinrichitng voor het gecontroleerd inschakelen van een belastingsnetwerk op een driefasenvermogensbron.

Info

Publication number: NL1018960C2
Application number: NL1018960A
Authority: NL
Inventors: Gerard Cornelis Schoonenberg
Original assignee: Holec Holland Nv
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-03-17
Also published as: ATE289704T1; CN1301521C; BR0212792A; EP1433188A1; DE60203052D1; WO2003028056A1; CN1555564A; DE60203052T2; EP1433188B1; US20040245964A1

Description

Driefasensysteem met een inschakelinrichting voor het gecontroleerd inschakelen van een belastingsnetwerk op een driefasenvermogensbron.

5 De uitvinding heeft betrekking op een driefasensysteem omvattende een driefasenvermogensbron, een driepolenschakelaar, via welke de fasenklemmen van de driefasenvermogensbron met een belastingsnetwerk kunnen worden verbonden, referentietijdstipdetector voor het bepalen van een referentietijdstip en een aanstuurschakeling voor het aansturen van de polen van de schakelaar, waarbij de polen 10 van de driepolenschakelaar op gestuurde tijdstippen met verschillende tijdsafstanden ten opzichte van het referentietijdstip worden ingeschakeld.

Een dergelijke inrichting is bekend uit de ter inzage gelegde Duitse octrooiaanvrage DE-A-4 105 698. Dit bekende driefasensysteem omvat een belastingsnetwerk, dat door middel van een driepolenschakelaar op een 15 driefasenvermogensbron wordt ingeschakeld, waarbij de polen individuele inschakeltijdstippen hebben. Hierdoor wordt de elektrische en mechanische levensduur van de schakelaars voor alle typen belastingen en stromen verlengd.

De uitvinding heeft ten doel te voorzien in een driefasensysteem van de in de aanhef genoemde soort, waarbij bij het inschakelen ook bij aanwezigheid van een 20 kortsluiting de hoeveelheid opgewekte (boog)energie beperkt wordt ook tijdens de voorontstekingsfase en het eventuele nadenderen van de contacten van de schakelaarpolen.

Dit doel wordt volgens de uitvinding daardoor bereikt, dat het tijdstip van het contactraken van de eerste pool ligt tussen 185° en 257° vermeerderd met n maal 180° 25 na de nuldoorgang van de spanning tussen de eerste en tweede pool en dat de tijdstippen van contactraken van de tweede en de derde pool liggen op ni maal de frequentieperiode vermeerderd met 120° en vermeerderd met n maal 180° respectievelijk ni maal de frequentieperiode vermeerderd met 240° en vermeerderd met n maal 180° na het tijdstip van contactraken van de eerste pool, waarbij n, nj, en n2 gelijk zijn aan nul of 30 een geheel getal.

7 0 I ·; 2

Bij voorkeur ligt het tijdstip van contactraken van de eerste pool op 2 ms + 185° vermeerderd met n maal 180° na de nuldoorgang van de spanning tussen de eerste en tweede pool.

Door de bovengenoemde keuzen van de tijdstippen van contactraken van de polen 5 van de schakelaar wordt ook bij aanwezigheid van alle mogelijke typen kortsluiting de hoeveelheid opgewekte (boog)energie beperkt. Voorts wordt door de uitvinding het vastlassen van de hoofdcontacten voorkomen. Het risico van herontsteking bij het daaropvolgende uitschakelen is verminderd.

De uitvinding heeft verder nog de volgende voordelen: 10 · minder slijtage, hierdoor veel vaker op kortsluiting in te schakelen, zelfs achter elkaar • dielectrisch gedrag na inschakelen op kortsluiting is beter (geen gedeformeerde -puntjes uit -contacten) • in combinatie met gestuurd uitschakelen kan een kleinere vacuumonderbreker 15 volstaan voor dezelfde specificaties.

Bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvormen zijn in volgconclusies omschreven.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen tonen:

Fig. 1 een principe schema van een driefasensysteem volgens de uitvinding; 20 Fig. 2 een uitvoeringsvorm van het driefasensysteem volgens de uitvinding; en

Fig. 3 nog een andere uitvoeringsvorm van het driefasensysteem volgens de uitvinding.

Fig. 4a, 4b en 4c mogelijke tijdstippen van contactraken van pool LI.

In figuur 1 is een driefasensysteem in principe getoond, dat bestaat uit een 25 driefasenvermogensbron eft, e2t, e3t en een belastingsnetwerk 2, dat via een driepolenschakelaar 1 met de polen LI, L2 en L3 op de fasenklemmen van de driefasenvermogensbron kan worden aangesloten. Het driefasensysteem omvat voorts een nuldoorgangsdetector 3 die is aangesloten tussen twee fasenklemmen, bijvoorbeeld de faseklemmen LI en L2 van de driefasenvermogensbron eft, e2t, e3t. Deze detector 30 bepaalt de nuldoorgangen van de spanning tussen de twee genoemde fasenklemmen en 3 bestuurt op basis van een tijdstip van een nuldoorgang de aanstuurschakeling 4 voor het aansturen van de polen LI, L2 en L3 van de driepolenschakelaar 1. Opgemerkt wordt dat hier bij voorkeur een tussen de fasenklemmen LI en L2 aangesloten nuldoorgangsdetector als referentietijdstipsdetector wordt toegepast, echter is elke 5 detector toepasbaar, zoals bijvoorbeeld een piekdetector. Voorts kan de detector zijn aangesloten tussen 1 fase en aarde, of tussen 2 andere fasen. Het gaat erom dat er een referentie is met de primaire spanning. Tussen 2 fasen meten levert altijd een goed en eenduidig resultaat en daarom heeft dit de voorkeur. Voor een ander referentiepunt moeten de hierna te noemen tijdstippen of hoeken van contactraken uiteraard aangepast 10 worden. De hierna te noemen tijdstippen en hoeken zijn gebaseerd op de nuldoorgangsdetector aangesloten tussen de fasen LI en L2, dus Uli-u= 0.

Het driefasensysteem kan bijvoorbeeld een bekend driefasenmidden-spanningssysteem (ongeveer l-50kV) zijn, welke is uitgerust met vacuumschakelaars als driepolenschakelaar. De uitvinding is zowel voor last- als vermogenschakelaars 15 geschikt. Het kan voorkomen dat in het driefasensysteem, in het bijzonder in het belastingsnetwerk een kortsluiting is opgetreden, waarvan men het bestaan niet kent. Bij het inschakelen op een dergelijke kortsluiting is het van belang om tijdens de (onvermijdbare) voorontsteking minimale energie in de boog toe te laten; dit in verband met eventueel vastlassen van het contact. Dit kan worden bereikt door inschakeling met 20 maximale asymmetrie omdat in het relevante tijdsgebied van circa 2 ms de stijging van de stroom nog minimaal is. Bovendien zal de voorontsteking dan minimaal zijn, omdat de spanning juist nul is zoals geldt bij een inductief belastingsnetwerk. Omdat bij een kortsluiting het netwerk een inductief karakter vertoont zal in die situatie hetzelfde gelden als hiervoor is opgemerkt.

25 Haaks op bovenstaande eis staat dat voor een minimale krachtwerking tussen de onderlinge fasen asymmetrische stromen juist zo veel mogelijk dienen te worden voorkomen. Deze eis wordt als minder stringent beschouwd en wordt dus hierbij niet gesteld. Het netwerk dient sowieso al op de maximaal asymmetrische kortsluitstroom te zijn gedimensioneerd, immers kan de sluiting ook op een andere manier ontstaan, 30 waarbij de volle piek wel wordt gehaald.

De asymmetrie wordt bereikt, doordat de polen L1, L2 en L3 op gestuurde tijdstippen worden ingeschakeld. Om uit te gaan van één referentie die in alle voorkomende gevallen (dus ook bij een zwevend net met reeds bestaande aardfout voor i 0 i :.

4 de schakelaar) voldoet, wordt een fase-fasespanning beschouwd, bijvoorbeeld de spanning tussen de fasenklemmen Li en L2. In het bijzonder wordt een nuldoorgangsdetector 3 toegepast, die in het getoonde voorbeeld met zijn ingangsklemmen is aangesloten op de fasenklemmen Li en L2 en aan zijn uitgang een 5 signaal afgeeft dat een nuldoorgang representeert. Met dit uitgangssignaal van de nuldoorgangsdetector 3 wordt de aanstuurschakeling 4 bestuurd, waarbij de aanstuurschakeling 4 en de daarbij behorende polen LI, L2 en L3 zodanig met elkaar samenwerken, dat het tijdstip van contactraken ofwel het inschakeltijdstip van de eerste pool(Ll) na 185° vermeerderd met n maal 180° na de nuldoorgang ligt en dat de tijd-10 stippen van contactraken van de tweede pool L2 en derde pool L3 120° vermeerderd met n maal 180° respectievelijk 240° vermeerderd met n maal 180° na het tijdstip van contactraken van de eerste pool liggen, waarbij n gelijk is aan nul of een geheel getal. Behalve het hiervoor aangegeven tijdsverschil tussen de tijdstippen van contactraken van de tweede respectievelijk derde pool, kan het tijdverschil indien nodig en gewenst 15 nog worden vergroot met m maal de frequentieperiode voor de tweede respectievelijk ornaat de frequentieperiode voor de derde pool. Omdat de tijdstippen onderling gerelateerd zijn zal n2 in het gekozen voorbeeld niet kleiner moeten zijn dan ni. Uiteraard kan dit bij een andere situatie in het net zoals een andere fasevolgorde anders zijn. Verder kunnen ook hier weer m en n2 gelijk zijn aan nul of een geheel getal 20 vormen. In de praktijk zullen n, en n2 gelijk zijn aan nul omdat men in het algemeen zoveel mogelijk het synchroon schakelen van de drie polen zal willen benaderen.

In het navolgende zal bij wijze van voorbeeld een situatie worden uitgewerkt waarbij wordt uitgegaan van een star geaard netwerk waarvoor de beste keuze voor de sluitvolgorde van de polen LI, L2, L3 als volgt wordt aangegeven: 25 — contactraken van pool LI na max. 2 ms + 185 ten opzichte van het referentietijdstip, t.w. de nuldoorgang van de spanning tussen twee fasen, in dit geval Uli-l2 = 0, (optioneel: ni maal de frequentieperiode wachten) - schakel de pool L2 met een vertraging van 120° ten opzichte van de pool L1. (optioneel: n2 maal de frequentieperiode wachten) 30 - schakel de pool L3 met een vertraging van 240° ten opzichte van de pool LI.

5

Hierbij is rekening gehouden met een voorontsteektijd van max. 2ms en een dendertijd van max. 2 ms. Bij kortere voorontstekingstijd kan het contactraken ook op x +185° plaatsvinden, waarbij x overeenkomt met de kortere ontstekingstijd.

Voor een zwevend net is de beste keuze voor de sluitvolgorde identiek aan die bij 5 een star geaard net.

In tabel A is een vergelijking van gestuurd schakelen (inclusief de effecten van + 1 ms en + 2 ms spreiding in het mechaniek) ten opzichte van het conventioneel gelijktijdig schakelen weergegeven. Hierbij is uitgegaan van een kortsluitstroom van 25 kA.

10 Het belangrijkste criterium is de hoeveelheid energie gedurende de boogfase, die wordt uitgedrukt als I .t of in het geval van een constante hoogspanning als I.t.

Het blijkt uit tabel A dat de tijdconstante r van het net hoegenaamd geen invloed heeft op dat criterium, in ieder geval zolang reële waarden voor r worden aangenomen. De standaard IEC -waarde (r = 45 ms) is dus voldoende om mee verder te rekenen.

15 Als "worst case" is in tabel A uitgegaan van 2 ms voorontsteking + 2 ms denderen. Uiteraard hebben kortere tijden hier een gunstiger effect op (boog)energie (lagere I2.t en I.t waarden). De gegeven hoek geeft het begin van de voorontsteking aan en geldt voor 50 Hz. Twee ms later raken de contacten van pool LI. Tabel A is als voorbeeld gegeven voor 50 Hz. Voor andere frequenties, b.v. 60 Hz gaan soortgelijke beschouwingen op.

20 Bij gelijkblijvende tijden voor spreiding in de tijdsturing voorontsteking en dender gelden andere hoeken voor 60 Hz. Twee ms bij 50 Hz is 36° maar bij 60 Hz immers 43,2°. Men krijgt bij 60 Hz ook andere (enigszins hogere) I2 .t en I.t -waarden. De invloed van gestuurd inschakelen is echter ook voor 60 Hz nog steeds positief.

Wanneer dus rekening wordt gehouden met variaties ten gevolge van spreiding 25 van het mechaniek en de nauwkeurigheid van het tijdsturen van maximaal 2 ms dan ligt het moment van contactraken van de eerste pool LI tussen 185°en 185° + 4 ms. Bij deze variatie is het nog steeds gunstig om gestuurd in te schakelen. Bij beduidend grotere variaties dan + of- 2 ms heeft het nauwelijks zin om gestuurd te willen schakelen. Bij kleinere voorontstekingstijd of kleinere dendertijd wordt het effect van gestuurd 30 inschakelen alleen nog maar gunstiger, want er wordt minder (boog)energie tussen contacten opgewekt.

6

In Fig. 4a is het ideale moment van raken voor de eerste pool (LI) aangegeven. Er is geen spreiding als gevolg van het mechanisme zodat alleen rekening is gehouden met de maximale voorontstekingstijd van 2ms ofwel 36 elektrische graden en maximaal 2ms dus eveneens 36 elektrische graden nadendertijd. Het moment van raken ligt dan bij 5 22 Γ.

Wanneer wel rekening wordt gehouden met een spreiding als gevolg van het mechanisme van maximaal +2 ms en -2 ms zal er een verschuiving van het ideale moment van raken plaatsvinden.

In Fig. 4b is het moment van raken aangegeven ingeval het mechanisme 2 ms te 10 vroeg schakelt waardoor het moment van raken komt te liggen bij 185°.

In Fig. 4c is het moment van raken aangegeven ingeval het mechanisme 2 ms te laat schakelt waardoor het moment van raken komt te liggen bij 257°.

In alle drie de situaties zal echter de periode waarbinnen de boogenergie zich kan manifesteren beperkt blijven tot maximaal 4 ms ofwel 72 elektrische graden en 15 zal dat "venster" als gevolg van de spreiding in het mechanisme zich naar voren of naar achteren in de tijd verschuiven.

Voor 50 Hz ligt het moment van contactraken van de pool LI dus in het gebied van 185° tot 257° na de nuldoorgang (ULi-L2 = 0).

Het contactraken voor pool L2 ligt voor 50 Hz in het gebied van 84 tot 156 .

20 Voor pool L3 geldt bij 50 Hz het gebied van 204° tot 276°. Zoals is opgemerkt zijn deze tijdstippen van contactraken van de polen L2 en L3 gerelateerd aan pool LI en kunnen die tijdstippen eventueel nog worden verlengd met een aantal perioden.

invloed onnauwkeurigheid mechaniek

S Ό. Ό. Os *> O

rt* o Γ*-* _Γ ^ ^ 00 - 3 ^ £ O------- - C/5 ^ o ' -rj- q ΓΟ (N Os 00 u *s S>r r. is e. #s

r£ (N V O O O O

/—\ <, un vo ^ co in ''Γ tN o' Tf so" r-" Os" £ 00 ^ <n (N ^r <N_______ t/5

<N

5 s w (N Q m fN Os c£ (N V o" o" o" o" -------- 2 in

(N

/—N »“ <J < rn SO„ —<^ Os ^ “

W ^ ri o” Tt c"-" r--·" <S S

G, oo ^ N (N vi -2; ----- .g

-C

o w ë

(S _C

< Ό "O

.* ®„ Ö u-, ^ ^ o ''I <* ^ « ^ ηΐ_<Ν V OOOO "o i- --—----„--_---- *-» c o o — 8 O o Ό ^ 'bls-^ssgal J S f ^ I f i i a g s a -5 *~i ^3 <+_J S Co Vi ^ rsi <<* o § o *3 , ^ , es ^ tn O C ÖJD ..—c -f- + i i n i xj ' 8

Er zijn twee mogelijkheden voor de sturing van de polen van de schakelaar. Ten eerste is er een aandrijving met mechanische staffeling opl20° (pool L2) en 240° (pool L3): dus bij 50 Hz op 6,7 en 13,3 ms. De andere mogelijkheid bestaat uit 3 5 onafhankelijke aandrijvingen, die elk 1 pool inschakelen.

In figuur 2 is een eerste uitvoeringsvorm met mechanische vertraging tussen de fasen LI, L2, en L3 getoond.

Een nuldoorgangsdetector 3 detecteert de nuldoorgangen van de spanning tussen de LI - en L2-fase. Het uitgangssignaal van de nuldoorgangsdetector 3 wordt toegevoerd 10 aan de centrale verwerkingseenheid 5 die uit de nuldoorgangsignalen de tijdstippen bepaalt, waarop de actuatoraanstuurinrichting of buffer 6 wordt geactiveerd. Deze actuator-aanstuurinrichting of buffer 6 bestuurt de actuator 7 die op zijn beurt de polen LI, L2, L3 van de driepolenschakelaar 1 inschakelt. Het contactraken van de polen LI, L2 en L3 van de schakelaar wordt beïnvloed door mechanische vertragingen V,, V2 en 15 V3, waarvan de vertragingsperioden er mede voor zorgen dat de polen L1, L2 en L3 op de hierboven genoemde tijdstippen worden ingeschakeld. V| zorgt voor de vertraging van LI, V2 voor de vertraging van L2 en V3 voor de vertraging van L3. Bij voorkeur kan worden volstaan met 2 vertragingen, waarbij de ene zorgt voor de vertraging tussen LI en L2 en de andere voor de vertraging tussen L2 en L3.

20 In figuur 3 is een uitvoeringsvorm met elektronische vertraging tussen de fasen weergegeven. Ook in deze uitvoeringsvorm wordt een nuldoorgangsdetector 3 en een centrale verwerkingseenheid 5 toegepast. De centrale verwerkingseenheid 5 heeft drie uitgangen waarop drie actuatoraanstuurinrichtingen of buffers 61, 62 en 63 zijn aangesloten, waarbij met de uitgangen daarvan de ingangen van de actuatoren 7,, 72 en 25 73 zijn verbonden, die de polen LI, L2 en L3 besturen. De vertraging kan elektronisch zijn geïmplementeerd ergens in de keten van de centrale verwerkingseenheid tot en met de actuatoren 7,, 72 en 73. Vi zorgt voor de vertraging van LI, V2 voor L2 en V3 voor L3. Er kan worden volstaan met 2 vertragingen waarbij de ene zorgt voor de vertraging tussen LI en L2 en de andere voor de vertraging tussen L2 en L3.

30 Door de hier boven genoemde keuze van momenten van contactraken zal een maximaal asymmetrische kortsluitstroom ontstaan, waardoor de thermische belasting 9 van de vermogensschakelaar minimaal wordt. Men is daardoor zonder problemen in staat om de kortsluitstroom nog vaker in te schakelen respectievelijk een kleiner ontwerp te kiezen. De maximale vertraging voor de drie polen is bij voorkeur altijd 5 kleiner dan 1 periode (20 ms bij 50 Hz), dus van geen belang voor de gebruiker.

f <-)

Claims

1 Driefasensysteem omvattende een driefasenvermogensbron, een driepolenschakelaar, via welke de fasenklemmen van de driefasenvermogensbron met een belastingsnetwerk kunnen worden verbonden, een referentietijdstipdetector voor het 5 bepalen van een referentietijdstip en een aanstuurschakeling voor het aansturen van de polen van de schakelaar, waarbij de polen van de driepolenschakelaar op gestuurde tijdstippen met verschillende tijdsafstanden ten opzichte van het referentietijdstip worden ingeschakeld, met het kenmerk, dat het tijdstip van het contactraken van de eerste pool (LI) ligt tussen 185° en 257° vermeerderd met n maal 180° na de 10 nuldoorgang van de spanning tussen de eerste en tweede pool (L1,L2) en dat de tijdstippen van contactraken van de tweede pool (L2) en de derde pool (L3) liggen op n, maal de ffequentieperiode vermeerderd met 120° en vermeerderd met n maal 180 respectievelijk op n 2 maal de frequentieperiode vermeerderd met 240° en vermeerderd met n maal 180° na het tijdstip van contactraken van de eerste pool (LI), waarbij n, nt, 15 en n2 gelijk zijn aan nul of een geheel getal.

2. Driefasensysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tijdstip van contactraken van de eerste pool (LI) 2 ms + 185° vermeerderd met n maal 180° na de nuldoorgang van de spanning tussen de eerste en tweede pool (L1,L2) ligt.

3. Driefasensysteem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tijdstip van 20 contactraken van de eerste pool (LI) in het gebied van 185 tot 185 + 4 ms vermeerderd met n maal 180° na de nuldoorgang van de spanning tussen de eerste en tweede pool (L1,L2) ligt en dat de tijdstippen van contactraken van de tweede pool (L2) en derde pool (L3) liggen in het gebied van n , maal de frequentieperiode vermeerderd met 120° - 2ms tot n imaal de frequentieperiode vermeerderd met 120° + 2 ms en 25 vermeerderd met n maal 180° respectievelijk in het gebied van n 2 maal de frequentieperiode vermeerderd met 240° - 2 ms tot n 2 maal de frequentieperiode vermeerderd met 240° + 2ms en vermeerderd met n maal 180° na het tijdstip van contactraken van de eerste pool (LI), waarbij n, m en n2 gelijk zijn aan nul of een geheel getal.

4. Driefasensysteem volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk, dat de referentietijdstipdetector een nuldoorgangsdetector is, die aangesloten is tussen de twee fasen (L1,L2).

5. Driefasensysteem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de polen van de driepolenschakelaar voorzien zijn van mechanische vertragingen, waarvan de vertragingswaarden overeenkomen met de bij de 5 inschakeltijdstippen van de polen behorende tijdsafstanden.

6. Driefasensysteem volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de aanstuurschakeling van de polen van de driepolenschakelaar voorzien is van een elektronische vertraging, waarvan de vertragingswaarden overeenkomen met de bij de inschakeltijdstippen van de polen behorende tijdsafstanden. 10