WO1990003656A1 - Verfahren zum betrieb eines elektrischen leistungsschalters - Google Patents

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WO1990003656A1
WO1990003656A1 PCT/DE1989/000608 DE8900608W WO9003656A1 WO 1990003656 A1 WO1990003656 A1 WO 1990003656A1 DE 8900608 W DE8900608 W DE 8900608W WO 9003656 A1 WO9003656 A1 WO 9003656A1
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switching
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opening
circuit breaker
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PCT/DE1989/000608
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Peter Huhse
Josef Trott
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H9/563—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for multipolar switches, e.g. different timing for different phases, selecting phase with first zero-crossing
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electrical circuit breaker with switching paths for the phases of a three-phase network.
  • a method for operating an electrical circuit breaker is known from US Pat. No. 3,555,354, in which the energy conversion in the switching paths is limited by shortening the arc times.
  • the start of the actual separation of the switching elements is delayed in comparison to the time of an arbitrary switch-off command to such an extent that at the time of the zero crossing of the current there is just enough distance between the switching elements to extinguish the arc.
  • a trigger control unit detects the flowing current via current transformers and obtains periodic pulses therefrom each at the zero crossing of the current and in the maximum or minimum of the current curve. Both pulses are fed via a timing element to an AND gate, which can additionally be acted upon by a signal which is derived from the absolute magnitude of the current.
  • the trigger signal emanating from the AND gate arrives in the usual way at a trigger magnet which actuates a valve or a latching arrangement to release the switching mechanism or the switch drive.
  • a switching method has already become known (DE-C-28 54 092) in which two of the switching paths of a switching device are opened at least a third of a cycle of the mains frequency later than the first switching path, plus the minimum arc duration in the first switching path.
  • This method fundamentally prevents the occurrence of the so-called virtual current cut-off in the last two poles of the circuit breaker that are to be deleted, but can due to the fact that the switching process begins at any time, not to prevent multiple re-ignitions in the first-erasing pole or in the last-erasing poles, which are also the cause of overvoltages.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a circuit breaker for a three-phase network and a circuit breaker operating according to this method, in order to reliably and with relatively little effort to the occurrence of overvoltages when switching off consumers in a three-phase network avoid.
  • the switching pieces of the individual switching paths are opened after the time of a command to switch off at a time which is in a fixed relationship to the zero crossing of the current in one phase and b) the Switch elements of the switching path of at least one phase are opened at a point in time which is given time interval is offset from the time of opening of the switching elements of the switching path of a further phase.
  • the so-called opening window ie the period in which the opening movement of the switching elements must begin, is increased to a value which, compared to the use of a circuit breaker which switches simultaneously in all switching sections, is increased significantly without it independent electronic and mechanical individual control of all switching paths is required.
  • the method according to the invention can advantageously be carried out in such a way that the switching elements of the switching paths of two phases are opened together, as is known per se.
  • the method according to the invention can advantageously also be carried out in such a way that the switching pieces of the switching paths of all phases are opened at different times from one another.
  • the distances between successive times for the opening can be the same.
  • the time interval when the switching path is opened in succession can be two thirds of the duration of a half-wave.
  • an opening window of a favorable size is obtained even if the time intervals are approximately be a third of the duration of a half wave.
  • a circuit breaker for carrying out a method according to one of the preceding claims can comprise the following: a) means for detecting the current zero crossings of at least one phase b) a tripping control device for a drive mechanism for opening the switching elements of the switching paths, the bl) with an input for a control command for switching off and is equipped with b2) means for a control of the drive mechanism which is delayed as a function of the current zero passage.
  • the predetermined time intervals between the opening of the switching pieces of the different switching sections can be brought about by an inevitable mechanical dependency provided in the drive mechanism. In this way, a change in the time intervals in the opening of the switching paths is avoided in principle.
  • the circuit breakers of the circuit breaker contain a copper-chromium contact material.
  • the individual due to the ver desk ⁇ ately high vapor pressure components achieve low • Abr regardingstromrack and thereby hardly give rise to the formation of surges.
  • such materials can only be used for switching tasks in which the requirement for avoiding overvoltages and. high or very high switching capacity.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a three-phase consumer in an unearthed or optionally earthed three-phase network.
  • FIG. 2 shows schematically how a switching operation is carried out on a non-earthed network with simultaneous opening of two switching paths.
  • FIG. 3 shows a switching process with simultaneous opening of two switching sections with a different time interval when the first switching section and the two subsequent switching sections are opened.
  • FIG. 4 shows the switching process with successive disconnection of all three switching paths of a circuit breaker for an earthed three-phase network.
  • FIG. 5 shows the switching process, likewise when the three switching paths are opened in succession with a different time interval for both forms from FIG. 4 shown by networks.
  • a three-phase current source 1 feeds a consumer 3, for example a three-phase motor, via a three-pole power switch 2.
  • the circuit breaker 2 contains, for example, three vacuum tubes as switching paths, which have the property that their switching paths very quickly regain their dielectric strength when switched off. This is one of the causes of overvoltages. According to the present investigations, damaging overvoltages can arise in this circuit arrangement, especially when the switching paths of the circuit breaker 2 are opened when the rotor is blocked or starting.
  • the switching elements of the switching paths are operatively connected to a switching mechanism 5 which is controlled by an electrical trigger control device 4.
  • An electrical variable is fed to the trigger control device 4 via at least one current transformer 7, which is proportional to the current flowing in a phase, for example the phase R, and with which the zero current crossings are detected in this phase.
  • the phases S and T current transformers can additionally be provided for detecting the respective zero crossings. This enables monitoring whether the current phase shifts between the zero crossings in the three phases are compatible with the staggered times provided for the switching distances.
  • the trigger control device 4 is provided with an input for a control signal B for an external command to switch off the consumer 3 from the power source 1.
  • the network configuration can be both a grounded and an unearthed network. Accordingly, an earth line for the star point of the current source 1 and the consumer 3 is shown in dashed lines in FIG.
  • FIG. 2 shows how the new one is used Heidelbergverfahre ⁇ s in an unearthed network the occurrence of any overvoltages can be avoided.
  • This time period is about 8 ms in a 50 Hz network and represents the so-called opening window, in the observance of which no multiple re-ignitions can occur.
  • This opening window has sufficient distances from the preceding and the following zero current passage, so that a sufficient dielectric strength of the switching path against the recurring voltage is ensured.
  • the switching path for phase R goes out when the instantaneous value "0" is reached. Since the other two switching paths are still closed in phases S and T, the currents continue to flow in these phases, but in a different way than in the stationary state. Rather, the currents in phases S and T suffer an irregularity and a shift such that the next zero crossing of both phases takes place together half a half-wave after the zero crossing of phase R.
  • the switching paths for phases S and T are now also opened within an opening window with the previously explained width, this opening window being shifted by 1.5 half-waves compared to the first opening window for phase R. This means that multiple reignitions cannot occur in phases S and T either. At the same time, the problem of virtual power cut in the last erasing poles is completely avoided.
  • the switching paths in the paths are also common and opened with a delay compared to the switching path for phase R.
  • the method used can be used for both earthed and unearthed systems. 3, the curves for the current profile in an ungrounded network are shown in full, while the curve parts shown in broken lines apply to an earthed network.
  • the opening of the switching path of phase R takes place within the hatched opening window 10 of the time axis, which is located between times t, and t 2 before the current zero crossing of phase R at time t QR .
  • the time interval t QR to t 2 represents the minimum time interval to the current zero crossing, which ensures for a given circuit breaker that at time t QR the switching elements are so far apart that a re-ignition in the switching path of phase R can no longer take place and thus the one flowing in phase R.
  • the currents After extinguishing the current in phase R, the currents continue to flow in the initially closed phases S and T.
  • the switching paths of phases S and T are opened together in the hatched opening window 12, which is located between times t and t. located.
  • the limits for the opening window 12 result from the fact that the earliest possible switching time t must lie after the time t n ⁇ for the next current zero crossing.
  • This current zero crossing follows in the example of FIG. 3 for a network with the direction of rotation RST in phase S.
  • the latest possible switching instant t must have sufficient distance from the next possible current zero crossing, which in the worst case occurs with a grounded network in phase T. occurs at time t o ⁇ . This distance must also be approximately 1.5 ms to avoid multiple reignitions.
  • this time interval can be approximately one third of the duration of a half period corresponding to the time interval t ⁇ T -t QR between two successive zero current crossings in the phase R and T are reduced.
  • the practical meaning of the opening windows 10 and 12 is that they represent a tolerance limit for the time of the true contact opening. If you put the time of the theoretical contact opening in the middle of a
  • Opening window half the width of the opening window indicates the maximum possible deviation of the time of the real contact opening from the time of the theoretical contact opening. In practice, this deviation results, for example, from production-related scattering in the properties of the mechanical components, from aging during operation or from environmental influences, such as, for example, due to the temperature.
  • FIG. 3 also shows that, for an unearthed network, the time t QSR for the zero current crossing of phases S and T coincides and, depending on the consumer properties, is in a time window identified by a double arrow, which is due to the zero current crossing for the phase T connects in the grounded network, so that the switching method explained according to Figure 3 for both a grounded as well as for an unearthed network.
  • phase S is then opened within an opening window which is delayed by two thirds of a half-wave compared to the first opening window, whereupon its current also ends with the following zero crossing.
  • the same procedure is used for the third switching path in phase T " , which is likewise interrupted within an opening window offset by two thirds of a half wave.
  • the switching method according to FIG. 5 is also based on the principle of having the three switching paths of the circuit breaker 2 open in succession. By deviating the distance, however, it is achieved that the switching method according to FIG. 5 is suitable for both earthed and unearthed networks.
  • the switching path of phase R is opened within the hatched opening window 14 on the time axis, which is between times t 5 and t g .
  • the earliest possible switching time tc immediately follows a current zero phase R phase.
  • the switching path of phase T is first opened in opening window 16, the earliest possible time t 7 also occurs immediately after a current zero crossing of phase T closes.
  • the switching path of phase S is opened in opening window 17 between times t ⁇ g and t ⁇ .
  • the staggering takes place in the sequence RTS and is dependent on the direction of rotation of the three-phase network.
  • the staggering must take place in the order RST, so that for a staggering according to the exemplary embodiment in FIG. 5, knowledge of the direction of network rotation is required. is.
  • the time intervals t 7 -t 5 and t *, 0 -t 7 between the switching times of the phases are approximately the same size and amount to approximately one third of the duration of a half-wave.
  • the staggering time t 7 -t 5 between the switching time for the switching section of phase R and the switching time for the switching section T can also be shortened, in which case the time t 5 on the time axis must be shifted accordingly to the right.
  • the switching paths for phases R and T can be opened together so that the opening tion window 14 and that opening window 16 coincide.
  • the opening window 14 and the opening window 16 can also be shifted to the right on the time axis until the opening windows 16 and 17 coincide and the operating situation according to FIG. 3 is reached.

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Abstract

Bei einem Schaltverfahren für dreipolige Leistungsschalter wird der Schaltvorgang durch ein Auslösesteuergerät zunächst für die Schaltstrecke einer Phase in einem Zeitpunkt eingeleitet, der mit Sicherheit zum Erlöschen des Stromes in der betreffenden Phase beim nächsten Nulldurchgang führt. Die beiden weiteren Schaltstrecken werden entweder gemeinsam oder gestaffelt nacheinander ebenfalls innerhalb eines derart bemessenen Öffnungsfensters betätigt, das auch die Ströme in diesen Phasen ohne Überspannungen erlöschen. Je nach der Konfiguration des Netzes und in Abhängigkeit davon, ob die Öffnung der beiden verbleibenden Schaltstrecken gleichzeitig oder gestaffelt erfolgt, beträgt die Staffelung ein Drittel, zwei Drittel oder 1,5 Halbwellen. Das Schaltverfahren eignet sich insbesondere für Vakuum-Leistungsschalter in induktiven Stromkreisen.

Description

Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elek¬ trischen Leistungsschalters mit Schaltstrecken für die Phasen eines dreiphasigen Netzes.
Durch die US-A-3 555 354 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters bekannt geworden, bei dem der Energieumsatz in den Schaltstrecken durch eine Verkürzung der Lichtbogenzeiten beschränkt wird. Der Beginn der tatsächlichen Trennung der Schaltstücke wird hierzu gegenüber dem Zeitpunkt eines willkürlichen Ausschaltbefehls soweit verzögert, daß jeweils zum Zeitpunkt der Nulldurchganges des Stromes eine zum Löschen des Lichtbogen gerade ausreichende Distanz zwischen den Schaltstücken besteht. Ein Auslösesteuergerät erfaßt hierzu über Stromwandler den fließenden Strom und gewinnt hieraus periodische Impulse jeweils beim Nulldurchgang des Stromes und im Maximum bzw. Minimum der Stromkurve. Beide Impulse werden über ein Zeitglied einem UND-Glied zugeführt, das zusätzlich durch ein Signal beaufschlagbar ist, das von der absoluten Höhe des Stromes abgeleitet ist. Das von dem UND-Glied aus¬ gehende Auslösesignal gelangt in üblicher Weise zu einem Aus¬ lösemagneten, der ein Ventil oder eine Vefklinkungsanordnung zur Freigabe des Schaltmechanismus bzw. des Schalterantriebes betätigt.
Insbesondere beim Betrieb elektrischer Anlagen mit einer in¬ duktiven Last hat sich gezeigt, daß erhebliche Überspannungen entstehen können, wenn beim Abschalten des Stromes die wieder- kehrende Spannung schneller ansteigt als die dielektrische Wiederverfestigung der Schaltstrecke. Dies ist besonders bei Vakuumschaltern der Fall, wenn die Kontakttrennung kurz vor dem Stromnulldurchgang erfolgt, aber auch bei Schaltgeräten mit anderen Löschmedien, beispielsweise bei Druckgasschaltern. Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß hohe Überspannungen insbesondere beim Abschalten anlaufender Drehstrommotoren auf- treten können, wenn zugleich netz- und lastseitig eine Kapazität mit einer bestimmten Größe vorhanden ist.
Versucht man, ein Schaltverfahren der durch die US-A-3 555 354 bekannt gewordenen Art in einem dreiphasigen Netz zu realisieren, so zeigt es sich, daß sowohl an die elektronischen Steuermittel als auch an den mechanischen Antrieb der hiervon gesteuerten Schalter und an deren Schalteigenschaften derart hohe An¬ forderungen gestellt werden müssen, daß mit vertretbarem Auf- wand keine für den praktischen Einsatz geeigneten Komponenten herstellbar sind. Diese hohen Anforderungen sind darauf zu¬ rückzuführen, daß für den gemeinsamen Trennvorgang der Schalt¬ stücke in einem dreiphasigen 50 Hz-Netz nur ein sogenanntes Öffnungsfenster von etwa 2 ms zur Verfügung steht, um das Auf- treten der multiplen Wiederzündungen im erstlöschenden Pol und den hierdurch bewirkten virtuellen Stromabriß in den letzt¬ löschenden Polen zu vermeiden.
Mit Rücksicht auf diese Probleme ist bereits der Weg beshritten worden, Zusatzschaltungen aus Kondensatoren und Widerständen oder Überspannungsabieiter vorzusehen, um die Höhe der Über¬ spannungen zu begrenzen. Auch diese Maßnahmen sind jedoch mit einem beträchtlichen Aufwand verbunden und erbringen dennoch häufig nicht die erwünschte Wirkung, weil für diesen Zweck bereitgestellte einheitliche Bauelemente in den unterschied¬ lichen elektrischen Anlagen nicht gleichermaßen wirksam sind.
Zur Vermeidung der erwähnten Überspannungen in einem drei¬ phasigen Netz ist bereits ein Schaltverfahren bekannt geworden (DE-C-28 54 092), bei dem zwei der Schaltstrecken eines Schaltgerätes mindestens um ein Drittel eines Zyklus der Netzfrequenz später geöffnet werden als die erste Schaltstrecke, zuzüglich der minimalen Lichtbogendauer in der ersten Schalt¬ strecke. Dieses Verfahren verhindert grundsätzlich das Auf- treten des sog. virtuellen Stromabrisses in den beiden letzt¬ löschenden Polen des Leistungsschalters, vermag jedoch auf- grund der Tatsache, daß der Schaltvorgang zu einem beliebigen Zeitpunkt beginnt, nicht die multiplen Wiederzündungen im erst¬ löschenden Pol oder in den letztlöschenden Polen zu verhindern, die ebenfalls Ursache von Überspannungen sind.
Bei einem weiteren, durch die GB-A-1 473 837 bekannt gewordenen Schaltverfahren für die zu einem mehrphasigen Netz gehörenden Schaltstrecken sind unabhängig voneinander steuerbare Antriebs¬ mittel für die Schaltstrecken vorgesehen. Bei diesem Verfahren werden die Stromnulldurchgänge in jeder Phase überwacht, und der Schaltvorgang wird für jede Phase unabhängig von den Schaltvorgängen in den anderen Phasen ausgelöst. Auf diese Weise wird zwar für jede Schaltstrecke ein relativ breites und daher vergleichsweise günstig beherrschbares Öffnungsfenster erreicht, daß für jede Schaltstrecke in einem 50 Hz-Netz etwa 8 ms beträgt, erfordert aber die Ausrüstung jeder der drei Schaltstrecken mit unabhängigen elektronischen und mechanischen Steuermitteln. Dieser Aufwand steht gleichfalls einer wirt¬ schaftlichen Anwendung des betreffenden Verfahrens entgegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Leistungsschalters für ein dreiphasiges Netz sowie einen nach diesem Verfahren arbeitenden Leistungsschalter anzugeben, um beim Abschalten von Verbrauchern in einem Dreh- Stromnetz das Entstehen von Überspannungen unmittelbar vom Schaltvorgang zuverlässig und mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst: a) die Öffnung der Schaltstücke der einzelnen Schaltstrecken erfolgt nach dem Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschalten jeweils zu einem Zeitpunkt, der in einer festen Beziehung zum Nulldurchgang des Stromes in einer Phase steht und b) die Schaltstücke der Schaltstrecke wenigstens einer Phase werden in einem Zeitpunkt geöffnet, der um einen vorge- gebenen Zeitabstand gegenüber dem Zeitpunkt der Öffnung der Schaltstücke der Schaltstrecke einer weiteren Phase versetzt ist. Durch diese Maßnahmen wird das sog. Öffnungsfenster, d. h. der Zeitraum, in dem der Beginn der Öffnungsbewegung der Schaltstücke erfolgen muß, auf einen Wert vergrößert, der gegenüber der Verwendung eines in allen Schaltstrecken gleich¬ zeitig schaltenden Leistungsschalters deutlich vergrößert ist, ohne daß es einer voneinander unabhängigen elektronischen und mechanischen Einzelsteuerung aller Schaltstrecken bedarf.
Die durch diese Merkmale erreichte Vergrößerung des Öffnungs- fensters mildert die Anforderungen an die beteiligten Kom¬ ponenten soweit, daß alle in Betracht kommenden elektrischen und mechanischen Toleranzen aufgefangen werden, wie sie ins¬ besondere im Antrieb von Leistungsschaltern durch die Um¬ gebungstemperatur, schwankende Hilfsspannungen, Abnutzungsgrad und ähnliche Einflüsse gegeben sind. Damit läßt sich mit ver¬ tretbarem technischem Aufwand eine wichtige Forderung für den allgemeinen Einsatz eines solchen Schaltverfahren erfüllen, nämlich die Beibehaltung der günstigen Eigenschaften über einen Zeitraum vieler Jahre ohne NachJustierung.
Das Verfahren nach der Erfindung kann vorteilhaft in der Weise durchgeführt werden, daß die Schaltstücke der Schaltstrecken zweier Phasen gemeinsam geöffnet werden, wie dies an sich be¬ kannt ist. Dabei empfiehlt es sich, bei der Anwendung des Ver¬ fahrens in einem ungeerdeten Netz die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen der ersten Schaltstrecke und dem gemeinsamen Öffnen der weiteren Schaltstrecken auf etwa das 1,5-fache der Dauer einer Halbwelle zu bemessen.
Bei gemeinsamer Öffnung der weiteren Schaltstrecken kann dies jedoch auch etwa ein Drittel der Dauer einer halben Periode nach dem Öffnen der ersten Schaltstrecke erfolgen. Dies führt zu einem Öffnungsfenster mit günstiger Größe sowohl bei ge- erdeten als auch ungeerdeten Netzen.
Ferner kann das Verfahren nach der Erfindung in vorteilhafter Weise auch so durchgeführt werden, daß die Öffnung der Schalt- stücke der Schaltstrecken aller Phasen zeitlich versetzt zu¬ einander erfolgt. Hierbei können die Abstände aufeinander¬ folgender Zeitpunkte für die Öffnung gleich sein.
Wird das Verfahren in einem geerdeten Netz angewandt, so kann der Zeitabstand bei dem aufeinanderfolgenden Öffnen der Schalt¬ strecke zwei Drittel der Dauer einer Halbwelle betragen unab¬ hängig von der Art des Netzes wird jedoch ein Öffnungsfenster günstiger Größe auch dann erhalten, wenn die Zeitabstände etwa ein Drittel der Dauer einer Halbwelle betragen.
Ein Leistungsschalter zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche kann folgendes umfassen: a) Mittel zum Erfassen der Stromnulldurchgänge wenigstens einer Phase b) ein Auslösesteuergerät für einen Antriebsmechanismus zum Öffnen der Schaltstücke der Schaltstrecken, das bl) mit einem Eingang für einen Steuerbefehl zum Ausschalten sowie mit b2) Mitteln für eine in Abhängigkeit vom Stromdulldurchgang verzögerte Steuerung des Antriebsmechanismus ausgerüstet ist.
Wird ein Leistungsschalter mit einem gemeinsamen Antriebs¬ mechanismus für die Schaltstrecken aller Phasen vorgesehen, so können die vorgegebenen Zeitabstände zwischen der Öffnung der Schaltstücke der verschiedenen Schaltstrecken durch eine im Antriebsmechanismus vorgesehene zwangsläufige mechanische Ab¬ hängigkeit bewirkt werden. Hierdurch wird eine Veränderung der Zeitabstände in der Öffnung der Schaltstrecken prinzipiell vermieden. Bei der Anwendung des Verfahren nach der Erfindung empfiehlt es sich grundsätzlich, daß die Schaltstücke des Leistungs¬ schalters einen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff enthalten. Im Gegensatz hierzu ist bisher empfohlen worden, zur Vermeidung von Überspannungen beim Schalten von Vakuum-Leistungsschaltern solche Kontaktwerkstoffe einzusetzen, die aufgrund des verhält¬ nismäßig hohen Dampfdruckes einzelner Komponenten eine niedrige • Abreißstromstärke erreichen und dadurch zur Entstehung von Überspannungen kaum Anlaß geben. Jedoch sind solche Werkstoffe nur bei Schaltaufgaben einsetzbar, bei denen nicht gleich¬ zeitig die Forderung nach Vermeidung von Überspannungen und. hoher oder sehr hoher Schaltleistung gestellt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er- läutert.
Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines dreiphasigen Verbrauchers in einem ungeerdeten oder wahlweise geerdeten Drehstromnetz.
In der Figur 2 ist schematisch die Durchführung eines Schalt¬ vorganges bei nichtgeerdetem Netz mit gleichzeitiger Öffnung von zwei Schaltstrecken dargestellt.
In ähnlicher Form ist in der Figur 3 ein Schaltvorgang mit gleichzeitiger Öffnung von zwei Schaltstrecken mit einem anders bemessenen Zeitabstand bei der Öffnung der ersten Schaltstrecke und der beiden folgenden Schaltstrecken veran¬ schaulicht.
Die Figur 4 stellt den Schaltvorgang bei aufeinanderfolgender Trennung aller drei Schaltstrecken eines Leistungsschalters für ein geerdetes Drehstromnetz dar.
In der Figur 5 ist der Schaltvorgang, gleichfalls bei auf- einanderfolgende Öffnen der drei Schaltstrecken mit gegen¬ über der Figur 4 abweichendem Zeitabstand für beide Formen von Netzen gezeigt.
In der Schaltungsanordnung gemäß der Figur 1 speist eine dreiphasige Stromquelle 1 über einen dreipoligen Leistungs- Schalter 2 einen Verbraucher 3, beispielsweise einen Drehstrom¬ motor. Der Leistungsschalter 2 enthält als Schaltstrecken beispielsweise drei Vakuumröhren, welche die Eigenschaft be¬ sitzen, das ihre Schaltstrecken beim Ausschalten ihre dielek¬ trische Festigkeit sehr rasch wieder erlangen. Dies ist eine der Ursachen für die Entstehung von Überspannungen. Nach den vorliegenden Untersuchungen können in dieser Schaltungsan- • Ordnung besonders dann schädliche Überspannungen entstehen, wenn die Schaltstrecken des Leistungsschalters 2 bei blockier¬ tem oder anlaufendem Läufer geöffnet werden. Die Schaltstücke der Schaltstrecken stehen mit einem Schaltmechanismus 5 in Wirkverbindung, der von einem elektrischen Auslösesteuergerät 4 angesteuert wird. Dem Auslösesteuergerät 4 wird über min¬ destens einen Stromwandler 7 eine elektrische Größe zugeführt, die dem in einer Phase, beispielsweise der Phase R, fließenden Strom proportional ist und mit der die Stromnulldurchgänge in dieser Phase erfaßt werden. Wie in der Figur 1 dargestellt, können jedoch zusätzlich die Phasen S und T Stromwandler zum Erfassen der jeweiligen Nulldurchgänge vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine Überwachung, ob die aktuellen Phasenver- Schiebungen zwischen den Nulldurchgängen in den drei Phasen mit den für die Schaltstrecken vorgesehenen Staffelzeiten ver¬ träglich sind. Außerdem ist das Auslösesteuergrät 4 mit einem Eingang für ein Steuersignal B für eine externe Befehlsgabe zum Abschalten des Verbrauchers 3 von der Stromquelle 1 ver- sehen. Bei der Netzkonfiguration kann es sich sowohl um ein geerdetes als auch um ein ungeerdetes Netz handeln. Dement¬ sprechend ist in der Figur 1 gestrichelt jeweils eine Erd¬ leitung für den Sternpunkt der Stromquelle 1 und des Ver¬ brauchers 3 gezeigt.
In der Figur 2 ist dargestellt, wie durch Anwendung des neuen Schaltverfahreπs in einem ungeerdeten Netz die Entstehung jeglicher Überspannungen vermieden werden kann. Zunächst wird mittels des von den Phasenströmen beaufschlagten Auslösesteuer¬ gerätes 4 der Schaltmechanismus 5 des Leistungsschalters 2 der- art betätigt, daß die Öffnung der Schaltstrecke des einen
Poles in der Phase R innerhalb des schraffierten Bereiches der Zeitachse in der Figur 2 erfolgt. Dieser Zeitraum beträgt etwa 8 ms in einem 50 Hz-Netz und stellt das sog. Öffnungsfenster dar, bei dessen Einhaltung keine multiplen Wiederzündungen auftreten können. Dieses Öffnungsfenster weist aufreichende Abstände zum vorangehenden und zum nachfolgenden Stromnull¬ durchgang auf, damit eine ausreichende Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke gegenüber der wiederkehrenden Spannung ge¬ währleistet ist.
Erfolgt nun gemäß der Figur 2 in der angegebenen Weise die Öffnung der Schaltstrecke für die Phase R innerhalb dieses Öffnungsfensters, so erlischt der Strom in der Phase R beim Erreichen des Augenblickswertes "0". Da die beiden weiteren Schaltstrecken in den Phasen S und T noch geschlossen sind, fließen die Ströme in diesen Phasen weiter, jedoch in anderer Weise als im stationären Zustand. Vielmehr erleiden die Ströme in den Phasen S und T eine Unregelmäßigkeit und eine Ver¬ schiebung derart, daß der nächste Nulldurchgang beider Phasen gemeinsam eine halbe Halbwelle nach dem Nulldurchgang der Phase R erfolgt. Die Öffnung der Schaltstrecken für die Phasen S und T erfolgt nun gleichfalls innerhalb eines Öffnungsfensters mit der zuvor erläuterten Breite, wobei dieses Öffnungsfenster um 1,5 Halbwellen gegenüber dem ersten Öffnungsfenster für die Phase R verschoben ist. Auch in den Phasen S und T können somit keine multiplen Wiederzündungen entstehen. Gleichzeitig ist das Problem des virtuellen Stromabrisses in den letztlöschenden Polen vollständig vermieden.
In der Beispiel gemäß der Figur 3 wird davon ausgegangen, daß gleichfalls die Schaltstrecken in den Strecken gemeinsam und gegenüber der Schaltstrecke für die Phase R verzögert geöffnet werden. Das angewandte Verfahren ist dabei sowohl für geerdete als auch für ungeerdete Netze anwendbar. In der Figur 3 sind hierzu ausgezogen die Kurven für den Stromverlauf in einem un- geerdeten Netz dargestellt, während die gestrichelt gezeigten Kurventeile für ein geerdetes Netz gelten. Die Öffnung der Schaltstrecke der Phase R erfolgt innerhalb des schraffierten Öffnungsfensters 10 der Zeitachse, daß sich zwischen den Zeit¬ punkten t, und t2 vor dem Stromnulldurchgang der Phase R zum Zeitpunkt tQR befindet. Der Zeitabstand tQR bis t2 stellt den zeitlichen Mindstabstand zum Stromnulldurchgang dar, der für einen gegebenen Leistungsschalter gewährleistet, daß zum Zeit¬ punkt tQR die Schaltstücke soweit voneinander entfernt sind, daß eine Wiederzündung in der Schaltstrecke der Phase R nicht mehr erfolgen kann und somit der in der Phase R fließende
Strom mit dem Stromnulldurchgang erlischt. Dieser Zeitabstand beträgt für Mittelspannungs-Vakuumschalter erfahrungsgemäß etwa 1,5 ms.
Nach dem Löschen des Stromes in der Phase R fließen die Ströme in den zunächst noch geschlossenen Phasen S und T weiter. Die Öffnung der Schaltstrecken der Phasen S und T geschieht im Beispiel der Figur 2 gemeinsam in dem schraffierten Öffnungs¬ fenster 12, das sich zwischen den Zeitpunkten t, und t. be- findet. Die Grenzen für das Öffnungsfenster 12 ergeben sich dadurch, daß der frühest mögliche Schaltzeitpunkt t, nach dem Zeitpunkt tnς für den nächsten Stromnulldurchgang liegen muß. Dieser Stromnulldurchgang folgt im Beispiel der Figur 3 für ein Netz mit dem Drehsinn R-S-T in der Phase S. Der spätest mögliche Schaltzeitpunkt t, muß dabei genügend Abstand zum nächsten möglichen Stromnulldurchgang haben, der im ungün¬ stigsten Fall bei einem geerdeten Netz in der Phase T zum Zeitpunkt toτ erfolgt. Dieser Abstand muß zur Vermeidung multipler Widerzündungen ebenfalls etwa 1,5 ms betragen.
Anhand der Figur erkennt man, daß das für das Schalten der Schaltstrecken der Phasen S und T verbleibende Öffnungsfenster 12 etwa zwei Drittel der Dauer einer Halbperioαe, verringert um den zeitlichen Mindestabstand t0T-t beträgt. Für ein 50 Hz-Netz ergibt sich somit ein Öffnungsfenster 12, dessen Breite etwa 5 ms beträgt, bei dessen Einhaltung keine multi¬ plen Wiederzündungen auftreten können. Der frühest mögliche Schaltzeitpunkt für die Schaltstrecke der Phase R kann bis zum Zeitpunkt tQ vorverlegt werden, so daß der Zeitabstand t,-t, auf maximal zwei Drittel der Dauer einer Halbperiode vergrößert werden kann.
Unter der Voraussetzung, daß die Öffnungsfenster 10 und 12 für alle Schaltstrecken gleich lang sein sollen, kann dieser Zeit¬ abstand auf etwa ein Drittel der Dauer einer Halbperiode ent- sprechend dem Zeitabstand tηT-tQR zwischen zwei aufeinander¬ folgenden Stromnulldurchgängen in der Phase R und T verringert werden. Die praktische Bedeutung der Öffnungsfenster 10 und 12 besteht nun darin, daß sie eine Toleranzgrenze für den Zeit¬ punkt der wahren Kontaktöffnung darstellen. Legt man den Zeit- punkt der theoretischen Kontaktöffnung in die Mitte eines
Öffnungsfensters, so gibt die halbe Breite des Öffnungsfensters die maximal mögliche Abweichung des Zeitpunktes der wahren Koπtaktöffnung vom Zeitpunkt der theoretischen Kontaktöffnung an. Diese Abweichung ergibt sich in der Praxis beispielsweise durch fertigungstechnisch verursachte Streuungen in den Eigen¬ schaften der mechanischen Komponenten, durch Alterung während αes Betriebs oder durch umgebungsabhängige Einflüsse, wie bei¬ spielsweise aufgrund der Temperatur.
Der Figur 3 ist weiterhin zu entnehmen, daß für ein ungeerdetes Netz der Zeitpunkt tQSR für den Stromnulldurchgang der Phasen S und T zusammenfällt und abhängig von den Verbrauchereigen¬ schaften in einem durch einen Doppelpfeil gekennzeichneten Zeitfenster liegt, das sich an den Stromnulldurchgang für die Phase T im geerdeten Netz anschließt, so daß das erläuterte Schaltverfahren gemäß der Figur 3 sowohl für ein geerdetes als auch für ein ungeerdetes Netz geeignet ist.
In dem weiteren Beispiel für ein Schaltverfahren gemäß der Figur 4 wird davon ausgegangen, daß ein geerdetes Netz ent- sprechend den gestrichelten Ergänzungen in der Figur 1 vor¬ liegt und daß die Schaltstrecken der Phasen R, S und T jeweils im gleichen Abstand nacheinander geöffnet werden. In dieser Konfiguration fließen die Ströme in den Phasen S und T nach dem Erlöschen des Stromes in der Phase R unverändert weiter. Ein von Überspannungen vollkommen freies Schalten wird auch in diesem Fall dadurch erreicht, daß der Leistungsschalter 2 zu¬ nächst die Phase R mittels des Auslösesteuergerätes 4 innerhalb des schraffiert gezeigten Öffnungsfensters öffnet, worauf der Strom in der Phase R beim folgenden Nulldurchgang endet. Inner- halb eines gegenüber dem ersten Öffnungsfenster um zwei Drittel eines Halbwelle verzögerten Öffnungsfensters wird daraufhin die Schaltstrecke der Phase S geöffnet, worauf auch deren Strom mit dem folgenden Nulldurchgang endet. In gleicher Weise ird mit der dritten Schaltstrecke in der Phase T "verfahren, die ebenfalls innerhalb eines um zwei Drittel einer Halbwelle ver¬ setzten Öffnungsfenster unterbrochen wird.
Auch dem Schaltverfahren gemäß der Figur 5 liegt das Prinzip zugrunde, die drei Schaltstrecken des Leistungsschalters 2 nacheinander öffnen zu lassen. Durch eine abweichende Bemessung des Abstandes wird jedoch erreicht, daß das Schaltverfahren gemäß der Figur 5 sowohl für geerdete als auch für ungeerdete Netze geeignet ist. Zunächst erfolgt die Öffnung der Schalt¬ strecke der Phase R innerhalb des schraffierten Öffnungs- fensters 14 auf der Zeitachse, daß sich zwischen den Zeit¬ punkten t5 und tg befindet. Der frühest mögliche Schaltzeit¬ punkt tc schließt sich dabei unmittelbar an einen Stromnull¬ gang der Phase R an. Zeitlich verzögert hierzu erfolgt zu¬ nächst die Öffnung der Schaltstrecke der Phase T im Öffnungs- fenster 16, desen frühest möglicher Zeitpunkt t7 sich eben¬ falls unmittelbar an einen Stromnulldurchgang der Phase T an- schließt. Nach einer weiteren Verzögerungszeit erfolgt die Öffnung der Schaltstrecke des Phase S im Öffnungsfenster 17 zwischen den Zeitpunkten t^g und t^.
Den Verhältnissen in einem geerdeten und einem ungeerdeten Netz wird gleichermaßen dadurch Rechnung getragen, daß der Zeitpunkt t,-. einen ausreichenden Zeitabstand z'u frühest möglichen Stromnulldurchgang der Phase S hat. Dieser Strom¬ nulldurchgang kann nicht früher erfolgen, als der Stromnull-- durchgang für die Phase T im geerdeten Netz.
Der Figur 5 ist zu entnehmen, daß die Länge des zur Verfügung stehenden Öffnungsfensters 17 für die Ausschaltung der Phase S auf einen Wert begrenzt wird, der sich aus der Differenz aus zwei Drittel der Dauer einer Halbperiode und dem zeitlichen Mindestabstand des Zeitpunktes t,*, zum Stromnulldurchgang in der Phase S ergibt, der in einem ungeerdeten Netz zum Zeit¬ punkt tQSR = toτ erfolgt. Für ein 50 Hz-Netz ergibt sich somit ein Öffnungsfenster 17 von etwa 6,67 ms - 1,5' ms»5 ms Dauer.
Die Staffelung erfolgt gemäß dem Beispiel der Figur 5 in der Reihenfolge RTS und ist vom Drehsinn des Drehstromnetzes ab¬ hängig. Für ein Netz mit dem Drehsinn RTS-muß die Staffelung in der Reihenfolge RST erfolgen, so daß für eine Staffelung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 5 die Kenntnis des Netzdrehsinns erforderlich. ist.
In dem Beispiel gemäß der Figur 5 sind die Zeitabstände t7-t5 und t*,0-t7 zwischen den Schaltzeitpunkten der Phasen etwa gleichgroß und betragen etwa ein Drittel der Dauer einer Halb¬ welle. Die Staffelzeit t7-t5 zwischen dem Schaltzeitpunkt für Schaltstrecke der Phase R und dem Schaltzeitpunkt für die Schaltstrecke T kann auch verkürzt werden, wobei dann der Zeit¬ punkt t5 auf der Zeitachse entsprechend nach rechts verschoben werden muß. So können beispielsweise die Schaltstrecken für die Phasen R und T gemeinsam geöffnet werden so daß das Öff- nungsfenster 14 und daß Öffnungsfenster 16 zusammenfallen. Entsprechend kann auch das Öffnungsfenster 14 und das Öffnungs¬ fenster 16 gemeinam auf der Zeitachse nach rechts verschoben werden, bis die Öffnungsfenster 16 und 17 zusammenfallen und die Betriebssituation gemäß der Figur 3 erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters (2) mit Schaltstrecken für die Phasen (R, S, T) eines drei- phasigen Netzes mit folgenden Merkmalen: a) die Öffnung der Schaltstücke der einzelnen Schaltstrecken erfolgt nach dem Zeitpunkt einer Befehlsgabe zum Ausschal¬ ten jeweils zu einem Zeitpunkt, der in einer festen Be¬ ziehung zum Nulldurchgang des Stromes in einer Phase (R) steht, b) die Schaltstücke der Schaltstrecke wenigstens einer Phase (R) werden in einem Zeitpunkt geöffnet, der um einen vorge¬ gebenen Zeitabstand (t3-t,) gegenüber dem Zeitpunkt der Öffnung der Schaltstücke der Schaltstrecke einer weiteren Phase (S oder T) versetzt ist.
2. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltstücke der Schaltstrecken zweier Phasen (S, T) gemeinsam geöffnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei der Anwendung in einem ungeerdeten Netz die Zeitdifferenz zwischen dem Öffnen der ersten Schaltstrecke (Phase R) und dem gemeinsamen Öffnen der weiteren Schaltstrecken (Phasen S, T) etwa das 1,5-fache der Dauer einer Halbwelle beträgt.
4. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zeitabstand (t,-t,) etwa ein Drittel der Dauer einer Halbwelle beträgt.
5. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters nach Anspruch 1, d a d u r c h' g e k e n n z e i c h n e t, daß die Öffnung der Schaltstücke der Schaltstrecken aller Phasen (R, S, T) zeitlich versetzt zueinander erfolgt.
6. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zeitabstände (ty-t,-, t ιn"t7-) aufe nander folgender Zeitpunkte für die Öffnung gleich sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei der Anwendung in einem geerdeten Netz der Zeitabstand zwei Drittel der Dauer einer Halbwelle beträgt.
8. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Leistungsschalters nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zeitabstände etwa ein Drittel der Dauer einer Halb¬ welle betragen.
9. Leistungsschalter (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit a) Mitteln (7) zum Erfassen der Stromnulldurchgänge wenigstens einer Phase (R), b) einem Auslösesteuergerät (4) für einen Antriebsmechanismus
(5) zum Öffnen der Schaltstücke der Schaltstrecken, das bl) mit einem Eingang für einen Steuerbefehl (B) zum Aus- schalten sowie mit b2) Mitteln für eine in Abhängigkeit vom Stromnulldurchgang verzögerte Steuerung des Antriebsmechanismus (5).
10. Leistungsschalter (2) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein gemeinsamer Antriebs¬ mechanismus (5) für die Schaltstrecken aller Phasen (R, S, T) vorgesehen ist, bei dem die vorgegebenen Zeitabstände zwischen der Öffnung der Schaltstücke der verschiedenen Schaltstrecken (R, S, T) durch eine im Antriebsmechanismus vorgesehene zwangs- läufige mechanische Abhängigkeit'bewirkt werden.
11. Vakuum-Leistungsschalter für das Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltstücke einen Kupfer-Chrom-Kontaktwerkstoff ent¬ halten.
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