WO2001078097A1 - Verfahren zum abschalten eines kurzschlussstroms im generatornahen bereich und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum abschalten eines kurzschlussstroms im generatornahen bereich und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2001078097A1
WO2001078097A1 PCT/CH2000/000585 CH0000585W WO0178097A1 WO 2001078097 A1 WO2001078097 A1 WO 2001078097A1 CH 0000585 W CH0000585 W CH 0000585W WO 0178097 A1 WO0178097 A1 WO 0178097A1
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current
switching device
circuit breaker
circuit
switching
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PCT/CH2000/000585
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Jochen Kiefer
Martin Kriegel
Lukas Zehnder
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Abb Schweiz Ag
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    • 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
    • H01H33/006—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means adapted for interrupting fault currents with delayed zero crossings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6661—Combination with other type of switch, e.g. for load break switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H87/00—Protective devices in which a current flowing through a liquid or solid is interrupted by the evaporation of the liquid or by the melting and evaporation of the solid when the current becomes excessive, the circuit continuity being reestablished on cooling

Definitions

  • the invention is based on a method for switching off a short-circuit current in a power distribution network and on a device for carrying out the method according to the preamble of claim 9.
  • a switchgear is known from patent specification EP 0 593 902 B1, which can be used in an electrical power distribution network.
  • This switchgear has a series connection of a disconnector with a vacuum interrupter, which is arranged in an insulating gas-filled housing. The always opens first when switching off
  • Vacuum interrupter and interrupts the current, and only then does the isolator open without current.
  • the isolator always switches on without power and only then the vacuum interrupter. Accordingly, the vacuum interrupter serves here as a circuit breaker and the isolator only performs the task of creating a isolating section, which in the open state must hold the voltage then present.
  • Such a switchgear is suitable for use in the areas of the energy distribution network where none special demands are placed on their switching capacity.
  • this switchgear is not intended and not suitable for use as a generator switch, since it has no means to force the zero-current crossings in the vicinity of the generator in the event of generator-fed short-circuits, without which it is not possible to switch off the short-circuits.
  • the circuit breaker vaporizes the asymmetrical component so effectively even with simple means in the case of strongly asymmetrical short-circuit currents which initially have no current zero crossing that current zero crossings occur after a comparatively short period of time, as a result of which premature cancellation the short-circuit current is made possible.
  • This early cancellation of the short-circuit currents advantageously limits the secondary damage and also the duration of the electrodynamic stress on the switchgear.
  • the circuit breaker has a vacuum interrupter and, connected in series with it, a switching device which is constructed similarly to a disconnector.
  • This switchgear which is designed as a type of isolator, is equipped with particularly erosion-proof contacts, and is specially designed to generate the highest possible arc voltage, which attenuates the asymmetrical component of the short-circuit current when it is switched off, so that the time until the first zero crossing is advantageously shortened.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a phase of a first embodiment of a circuit breaker in the open state
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a phase of a second embodiment of a circuit breaker in the switched-off state
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a phase of a third embodiment of a circuit breaker in the switched-off state
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a phase of a fourth embodiment of a circuit breaker in the switched-off state
  • Fig. 6 is a schematic representation of a phase of a fifth embodiment of a circuit breaker in the open state.
  • the circuit breaker 1 shows a schematic representation of a phase of a first embodiment of a circuit breaker 1 in the switched-off state.
  • the circuit breaker 1 has a series connection of a vacuum interrupter 2 with a further switching device 3 per phase.
  • the vacuum switching chamber 2 is connected to the switching device 3 in an electrically conductive manner by means of a connecting piece 4.
  • On the side facing away from the switching device 3, the vacuum switching chamber 2 is electrically conductively connected to a connecting terminal 5.
  • the switching device 3 is electrically conductively connected to a connecting terminal 6 on the side facing away from the vacuum switching chamber 2.
  • the connection terminals 5 and 6 serve to connect the circuit breaker 1 to the power supply network.
  • the circuit breaker 1 is driven by a drive, not shown.
  • a conventional energy storage drive can be provided as the drive, for example.
  • This circuit breaker 1 is only suitable for comparatively small nominal currents, since it has only one power current path and no separate nominal current path. However, it is also possible, if the circuit breaker 1 is designed for a comparatively large current carrying capacity, to connect two or more vacuum interrupters 2 in parallel. If the vacuum interrupters 2 have to withstand higher voltages, a corresponding series connection of vacuum interrupters 2 is also possible.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a phase of a second embodiment of a circuit breaker 1 in the switched-off state.
  • This embodiment differs differs from the embodiment shown in FIG. 1 in that a parallel nominal current path 7 is provided, which is equipped with nominal current contacts 8.
  • the nominal current path 7 can be interrupted by means of these nominal current contacts 8.
  • the nominal current path 7 is always first opened by a drive (not shown) during the switching-off process, whereupon the current to be switched off commutates to the power current path 9 running parallel to the nominal current path 7 and leading directly through the switching device 3 and the vacuum switching chamber 2.
  • the drive actuates all three switching points in a precisely timed sequence. It is also possible to actuate the switching device 3 and the vacuum interrupter chamber 2 each with separate drives, and to achieve the movement of the nominal current contacts 8 by coupling with one of these drives.
  • the drive (not shown) is designed such that when switching off, the switching device 3 and the vacuum switching chamber 2 are generally actuated and opened at the same time.
  • the vacuum interrupter 2 opens after the switching device 3 with a time delay in order to burn up at the contacts of the vacuum interrupter
  • the switching device 3 When switching on, the switching device 3 is generally closed first and only then does the vacuum switching chamber 2 definitely close the circuit. However, depending on the type of switching device 3, other time sequences are also possible.
  • the rated current contacts 8, 11 and 13 always open first during the switching-off process, so that the current commutates to the respective power current path 9, in which the final interruption of the current then occurs he follows.
  • the power current path 9 is always closed first and only then the respective nominal current contacts 8, 11 and 13.
  • the switching device 3 here has particularly erosion-resistant erosion contacts which are specially designed to withstand the switch-off arc for a sufficiently long time.
  • the switching device 3 is shown here schematically with a disconnection point, but it makes sense to provide the switching device 3 with a plurality of disconnection points connected in series, because in this way a high arc voltage falling across the switching device 3 is achieved, since the over add the arc voltages falling to the individual separation points.
  • the switching device 3 can be arranged in an insulating gas or in air, wherein the corresponding insulating medium can be used with or without pressurization. Since the switching device 3 has a particularly high occurrence
  • the switching device 3 is not intended for switching processes that require a switching capacity of the switching device 3, it has the task m this circuit breaker 1 to generate a high arc voltage during the switching process, which is required for the damping of the predominant part of the asymmetrical component of the short-circuit current to be switched off becomes. This damping considerably reduces the time constant for the asymmetry of the short-circuit current to subside. In the switched-off state, however, the isolating path of the switching device 3 additionally supports the dielectric strength of the vacuum interrupter 2 of the circuit breaker 1.
  • the current profile curve A shows the uninfluenced profile of the short-circuit current after the occurrence of the short circuit at time T 0 . It is clear It can be seen that the short-circuit current in the phase shown is so strongly asymmetrical that no current zero crossings occur at first. The first zero crossing occurs here only after about two and a half periods at the time Ti, which means that only after this comparatively long period of time would there be a first possibility for switching off the short-circuit current. If an arcing fault is fed by this short-circuit current, this causes secondary damage which increases with the duration of this arcing.
  • Circuit breaker currents in the area of a high-voltage network close to the generator are switched off with the aid of circuit breaker 1 in the following steps: a) Detecting a short circuit and triggering circuit breaker 1 for switching off the short circuit current by higher-level system protection 14, b) Opening one in circuit breaker 9 of circuit breaker 1 arranged switching device 3 and formation of a first arc in at least one isolating path of the switching device 3, c) opening of the vacuum switching chamber 2 connected in series with the switching device 3 in the power circuit path 9 of the circuit breaker 3 and formation of a second arc in the vacuum switching chamber 2, d) damping the predominant part of the asymmetrical component of the short-circuit current to be switched off by the arc voltage dropping across the switching device 3, e) supporting the damping of the asymmetrical component the short-circuit current to be switched off due to the arc voltage dropping across the vacuum switching chamber 2, f) extinguishing the second arc through the vacuum switching chamber 2 in one current zero crossing and simultaneous exting
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a phase of a fourth embodiment of a circuit breaker 1 in the switched-off state.
  • the circuit breaker 1 has a series connection of a vacuum interrupter 2 per phase with a further switching device designed as a current limiter 16.
  • the vacuum interrupter 2 is by means of a Connectors 4 electrically connected to the current limiter 16.
  • the vacuum interrupter 2 On the side facing away from the current limiter 16, the vacuum interrupter 2 is electrically conductively connected to a connecting terminal 5.
  • the current limiter 16 is connected on the side facing away from the vacuum switching chamber 2 via a further connecting piece 17 to a system isolator 18 which is electrically conductively connected to a connecting terminal 6.
  • the connection terminals 5 and 6 are used to connect the circuit breaker 1 to the
  • the circuit breaker 1 is driven by a drive, not shown.
  • a conventional energy storage drive can be provided as the drive for the vacuum interrupter chamber 2, the current limiter 16 does not require a drive.
  • the current limiter 16 is self-healing, i.e. after switching off the circuit, it automatically becomes conductive again, so that the vacuum interrupter 2 must hold the entire recurring voltage. If comparatively high voltages have to be controlled, then it makes sense to connect a circuit breaker 18 in series to the circuit breaker 1, which is opened immediately after switching off and which then holds the applied voltage.
  • the circuit breaker 1 is only suitable for comparatively small nominal currents in this embodiment, since it has only one power current path and no separate nominal current path.
  • circuit breaker 1 is designed for a comparatively large current carrying capacity, to connect two or more vacuum interrupters 2 in parallel. If the vacuum interrupters 2 have to withstand higher voltages, a corresponding series connection of vacuum interrupters 2 is also possible.
  • circuit breaker 18 in series with the circuit breaker 1, which, when the operating voltage is high, holds the voltage securely after the switch-off.
  • the system isolator 18 is opened when de-energized and is de-energized before being switched on, possibly at the same time as the nominal current contacts 8.
  • a current limiter 16 is used in the circuit breaker 1, for example if a particularly favorably designed current limiter is provided, the current profile curve C shown in FIG. 4 results for the current to be switched off.
  • the current limiter 16 already acts before the circuit breaker 1, in In this case, the vacuum interrupter 2, that is to say before the time T 2 , on the current profile and significantly flattens and limits the current increase.
  • the effect of the voltage drop across the current limiter 16 already begins at time T 5 .
  • the arc voltages of the large number of arcs which form in the current limiter 16 after its response current has been exceeded add up to a comparatively high voltage drop, and this large voltage drop acts steaming on the current rise and steaming off its asymmetry.
  • the time span until the first zero crossing of the short-circuit current is significantly shortened compared to the corresponding time span with the theoretical current curve A and also with respect to the current curve B.
  • the short-circuit current can accordingly be canceled much earlier, so that consequently the unavoidable secondary damage and other loads can be kept advantageously small.
  • the current limiter 16 does not require a separate mechanical drive; it is triggered by the fault current itself in a timely manner. After the current has been switched off, the current limiter 16 automatically returns to the initial state and is fully ready for the next switch-off.
  • Circuit breaker 1 can not only be used as a generator switch in the area of the power supply network close to the generator, they can also be used as a distribution switch in all other network nodes, in particular the embodiments of the circuit breaker 1 without separate rated current paths can advantageously take over such protective functions.
  • the circuit breaker 1 can be used both in conventional high-voltage switchgear and in metal-enclosed gas-insulated switchgear. NAME LIST

Landscapes

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

Abstract

Das Verfahren für das Abschalten eines Kurzschlussstroms insbesondere im generatornahen Bereich eines Hochspannungsnetzes weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Feststellen eines Kurzschlusses und Auslösung eines Leistungsschalters (1) für die Abschaltung des Kurzschlussstroms durch einen übergeordneten Anlagenschutz, b) Öffnung eines in einer Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) angeordneten Schaltgeräts (3) und Ausbildung eines ersten Lichtbogens in einer Trennstrecke des Schaltgeräts (3), c) zeitlich auf die Öffnung des Schaltgeräts (3) abgestimmte Öffnung einer in der Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) in Reihe zum Schaltgerät (3) geschalteten Vakuumschaltkammer (2) und Ausbildung eines zweiten Lichtbogens in der Vakuumschaltkammer (2), d) Dämpfung des überwiegenden Anteils der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über dem Schaltgerät (3) abfallende Lichtbogenspannung, e) Unterstützung der Dämpfung der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über der Vakuumschaltkammer (2) abfallende Lichtbogenspannung, f) Löschen des zweiten Lichtbogens durch die Vakuumschaltkammer (2) in einem Stromnulldurchgang und gleichzeitiges Erlöschen des ersten Lichtbogens und damit des Kurzschlussstroms.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlussstroms im generatornahen Bereich und Vorrichtung zur Durchfuhrung des
Verfahrens
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlussstroms in einem Energieverteilungsnetz und von einer Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens gemass dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
STAND DER TECHNIK
Aus der Patentschrift EP 0 593 902 Bl ist eine Schaltanlage bekannt, die in einem elektrischen Energieverteilungsnetz eingesetzt werden kann. Diese Schaltanlage weist eine Reihenschaltung eines Trenners mit einer Vakuumschaltkammer auf, die in einem isoliergasgefullten Gehäuse angeordnet ist. Beim Ausschaltvorgang öffnet stets zuerst die
Vakuumschaltkammer und unterbricht den Strom, und erst danach öffnet der Trenner stromlos. Beim Einschaltvorgang schaltet stets zuerst der Trenner stromlos ein und erst danach die Vakuumschaltkammer. Demnach dient die Vakuumschaltkammer hier als Leistungsschalter und der Trenner nimmt lediglich die Aufgabe des Hersteilens einer Trennstrecke wahr, welche im offenen Zustand die dann anstehende Spannung halten muss.
Eine derartige Schaltanlage ist für den Einsatz m den Bereichen des Energieverteilungsnetzes geeignet, wo keine besonderen Anforderungen an ihr Schaltvermogen gestellt werden. Für den Einsatz als Generatorschalter ist diese Schaltanlage jedoch nicht vorgesehen und auch nicht geeignet, da sie keine Mittel aufweist, um bei generatorgespeisten Kurzschlüssen im Nahbereich des Generators die Stromnulldurchgange, ohne die eine Abschaltung der Kurzschlüsse nicht möglich ist, rasch zu erzwingen.
Aus den Patentschriften DE 198 53 580 Cl und DE 199 09 558 Cl sind sich selbst erholende Strombegrenzer bekannt, die mit einem flussigen Metall gefüllt sind. Derartige Strombegrenzer können in elektrischen Leitungen eingesetzt werden, um auftretende Fehlerstrome auf für die betreffende Schaltanlage beherrschbare Stromwerte zu begrenzen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie m den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, lost die Aufgabe, ein einfaches Verfahren zum raschen Abschalten von Kurzschlussstromen im generatornahen Bereich anzugeben und eine Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens zu zeigen.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass der Leistungsschalter selber mit einfachen Mitteln bei stark asymmetrischen Kurzschlussstromen, die zunächst keinen Stromnulldurchgang aufweisen, die asymmetrische Komponente so wirksam dampft, dass schon nach einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne Stromnulldurchgange auftreten, wodurch ein frühzeitiges Loschen der Kurzschlussstrome ermöglicht wird. Dieses frühzeitige Loschen der Kurzschlussstrome begrenzt vorteilhaft die Sekundarschaden und zudem die zeitliche Dauer der elektrodynamischen Beanspruchung der Schaltanlage. Der Leistungsschalter weist in einer ersten Ausfuhrungsform eine Vakuumschaltkammer und zu ihr in Reihe geschaltet ein Schaltgerat auf, welches ahnlich wie ein Trenner aufgebaut ist. Dieses als eine Art Trenner ausgebildete Schaltgerät ist mit besonders abbrandfesten Kontakten ausgestattet, und ist besonders dafür ausgelegt, eine möglichst hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, welche beim Ausschaltvorgang die asymmetrische Komponente des Kurzschlussstroms dampft, sodass die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang desselben vorteilhaft verkürzt wird. Je schneller der Kurzschlussstrom abgeschaltet wird, desto geringer sind die Sekundarschäden, die der Kurzschluss verursacht. Nach der erfolgreichen Abschaltung des Kurzschlusses stellt dieses Schaltgerat die notige Trennstrecke her.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform weist der Leistungsschalter eine Vakuumschaltkammer und zu ihr in Reihe geschaltet ein Schaltgerat auf, welches als Strombegrenzer arbeitet. Dieser Strombegrenzer ist dafür ausgelegt, beim Auftreten von grossen Kurzschlussstromen einen möglichst hohen Spannungsabfall zu erzeugen, welcher beim Ausschaltvorgang die asymmetrische Komponente des Kurzschlussstroms dampft, sodass die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang desselben vorteilhaft verkürzt wird. Der Strombegrenzer arbeitet so effektiv, dass eine wirkungsvollere Dampfung der asymmetrischen Komponente des Kurzschlussstroms möglich ist als bei der ersten Ausfuhrungsform des Leistungsschalters.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausfuhrungsweg darstellt, naher erläutert .
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Phase einer ersten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Phase einer zweiten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Phase einer dritten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand,
Fig. 4 den zeitlichen Stromverlauf in einer Phase des von einem Generator gelieferten Kurzschlussstromes,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Phase einer vierten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand, und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Phase einer fünften Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand.
Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt bzw. nicht beschrieben. WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer ersten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Der Leistungsschalter 1 weist pro Phase eine Reihenschaltung einer Vakuumschaltkammer 2 mit einem weiteren Schaltgerat 3 auf. Die Vakuumschaltkammer 2 ist mittels eines Verbindungsstucks 4 elektrisch leitend mit dem Schaltgerat 3 verbunden. Auf der dem Schaltgerat 3 abgewandten Seite ist die Vakuumschaltkammer 2 mit einer Anschlussklemme 5 elektrisch leitend verbunden. Das Schaltgerat 3 ist auf der der Vakuumschaltkammer 2 abgewandten Seite mit einer Anschlussklemme 6 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlussklemmen 5 und 6 dienen der Verbindung des Leistungsschalters 1 mit dem Energieversorgungsnetz. Der Leistungsschalter 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb angetrieben. Als Antrieb kann beispielsweise ein herkömmlicher Kraftspeicherantrieb vorgesehen werden. Es ist naturlich auch möglich, das Schaltgerat 3 und die Vakuumschaltkammer 2 jeweils mit separaten Antrieben zu betätigen. Dieser Leistungsschalter 1 ist lediglich für vergleichsweise kleine Nennstrome geeignet, da er nur eine Leistungsstrombahn und keine separate Nennstrombahn aufweist. Es ist aber auch möglich, wenn der Leistungsschalter 1 für eine vergleichsweise grosse Stromtragfahigkeit ausgelegt wird, zwei oder mehrere Vakuumschaltkammern 2 parallel zu schalten. Müssen die Vakuumschaltkammern 2 höheren Spannungen standhalten, so ist auch eine entsprechende Reihenschaltung von Vakuumschaltkammern 2 möglich.
Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer zweiten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Diese Ausfuhrungsform unterscheidet sich von der in Fig.l dargestellten Ausfuhrungsform dadurch, dass eine parallele Nennstrombahn 7 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 8 bestückt ist. Die Nennstrombahn 7 ist mittels dieser Nennstromkontakte 8 unterbrechbar. Die Nennstrombahn 7 wird beim Ausschaltvorgang stets zuerst durch einen nicht dargestellten Antrieb geöffnet, worauf der abzuschaltende Strom auf die parallel zur Nennstrombahn 7 verlaufende, direkt durch das Schaltgerat 3 und die Vakuumschaltkammer 2 f hrende Leistungsstrombahn 9 kommutiert. Der Antrieb betätigt hier, in zeitlich genau abgestimmter Folge, alle drei Schaltstellen. Es ist auch möglich, das Schaltgerat 3 und die Vakuumschaltkammer 2 jeweils mit separaten Antrieben zu betätigen, und die Bewegung der Nennstromkontakte 8 durch Kopplung mit einem dieser Antriebe zu erreichen.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer dritten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Diese Ausfuhrungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Ausfuhrungsform dadurch, dass zum Schaltgerat 3 eine parallele Nennstrombahn 10 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 11 bestuckt ist, und dass auch zur Vakuumschaltkammer 2 eine separate parallele Nennstrombahn 12 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 13 bestuckt ist. Die Nennstrombahnen 10 und 12 sind mittels dieser Nennstromkontakte 11 bzw. 13 unterbrechbar. Es sind auch Ausfuhrungsformen vorstellbar, bei denen entweder zum Schaltgerat 3 allein oder zur Vakuumschaltkammer 2 allein eine parallele Nennstrombahn vorgesehen ist. Es ist auch möglich, wenn der Leistungsschalter 1 für eine vergleichsweise grosse Stromtragfahigkeit ausgelegt wird, zwei oder mehrere Vakuumschaltkammern 2 parallel zu schalten, auf diese Art konnte beispielsweise die Nennstrombahn 12 eingespart werden. In der Fig. 3 ist ein übergeordneter Anlagenschutz 14 schematisch angedeutet, der sämtliche notigen Mess- und Steuereinrichtungen umfasst, die notig sind, um einen ordnungsgemassen Betrieb des Energieverteilungsnetzes sicherzustellen, er stellt beispielsweise u.a. das Auftreten von Kurzschlüssen im Hochspannungsnetz fest und lost danach den Leistungsschalter 1 im Fehlerfall aus. Dieses Einwirken des Anlagenschutzes 14 auf den Leistungsschalter 1 wird durch eine gestrichelt dargestellte Wirkungslinie 15 symbolisiert.
Bei den vorab beschriebenen Ausfuhrungsformen des Leistungsschalters 1 ist der nicht dargestellte Antrieb so ausgelegt, dass beim Ausschalten in der Regel jeweils das Schaltgerat 3 und die Vakuumschaltkammer 2 zugleich betätigt und geöffnet werden. Es ist aber durchaus möglich, dass die Vakuumschaltkammer 2 zeitlich verzögert nach dem Schaltgerat 3 öffnet, um den Abbrand an den Kontakten der Vakuumschaltkammer
2 möglichst klein zu halten. Wenn der Anlagenschutz so ausgelegt ist, dass er das Auftreten von grossen asymmetrischen Kurzschlussstromen detektieren kann, dann ist es auch möglich, die Vakuumschaltkammer 2 vor dem Schaltgerat
3 zu offnen. Beim Einschalten wird in der Regel das Schaltgerat 3 zuerst geschlossen und erst danach schliesst die Vakuumschaltkammer 2 den Stromkreis definitiv. Es sind aber, je nach Typ des Schaltgerats 3, auch andere zeitliche Abfolgen möglich.
Bei den Ausfuhrungsformen des Leistungsschalters 1, die mit separaten Nennstrombahnen 7, 10 und 12 versehen sind, offnen beim Ausschaltvorgang stets zuerst die Nennstromkontakte 8, 11 und 13, sodass der Strom auf die jeweilige Leistungsstrombahn 9 kommutiert, in welcher dann die endgültige Unterbrechung des Stromes erfolgt. Beim Einschalten wird dagegen stets zuerst die Leistungsstrombahn 9 geschlossen und erst danach die jeweiligen Nennstromkontakte 8, 11 und 13. Das Schaltgerat 3 weist hier besonders abbrandfest ausgebildete Abbrandkontakte auf, die speziell dafür ausgebildet sind, dem Ausschaltlichtbogen hinreichend lange standzuhalten. Das Schaltgerat 3 ist hier schematisch mit einer Trennstelle dargestellt, es ist jedoch sinnvoll, das Schaltgerat 3 mit mehreren in Reihe geschalteten Trennstellen zu versehen, denn so wird auf einfache Art und Weise eine hohe über dem Schaltgerat 3 abfallende Lichtbogenspannung erreicht, da sich die über den einzelnen Trennstellen abfallenden Lichtbogenspannungen addieren. Das Schaltgerat 3 kann in einem Isoliergas angeordnet sein oder in Luft, wobei das entsprechende isolierende Medium mit oder ohne Druckbeaufschlagung eingesetzt werden kann. Da an dem Schaltgerat 3 das Auftreten besonders hoher
Lichtbogenspannungen erwünscht ist, ist es durchaus möglich, auch flussige oder verflüssigte Isoliermedien für das Schaltgerat 3 vorzusehen. Das Schaltgerat 3 ist nicht für Schaltvorgange vorgesehen, die ein Leistungsschaltvermogen des Schaltgerats 3 bedingen, es hat m diesem Leistungsschalter 1 allem die Aufgabe, wahrend des Ausschaltvorgangs eine hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, welche für die Dampfung des überwiegenden Anteils der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstromes benotigt wird. Durch diese Dampfung wird die Zeitkonstante des Abklingens der Asymmetrie des Kurzschlussstroms wesentlich verkleinert. Im ausgeschalteten Zustand unterstutzt die Trennstrecke des Schaltgerats 3 jedoch zusatzlich die Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltkammer 2 des Leistungsschalters 1.
Die Fig. 4 weist drei Stromverlaufskurven A, B und C auf, die jeweils den zeitlichen Verlauf eines von einem
Wechselstromgenerator gelieferten Kurzschlussstromes in einer Phase darstellen. Die Stromverlaufskurve A zeigt den unbeeinflussten Verlauf des Kurzschlussstroms nach dem Auftreten des Kurzschlusses im Zeitpunkt T0. Es ist deutlich ersichtlich, dass der Kurzschlussstrom in der dargestellten Phase so stark asymmetrisch verlauft, dass zunächst keine Stromnulldurchgange auftreten. Der erste Stromnulldurchgang tritt hier erst nach etwa zweieinhalb Perioden im Zeitpunkt Ti auf, was bedeutet, dass erst nach dieser vergleichsweise langen Zeitspanne eine erste Möglichkeit für das Abschalten des Kurzschlussstroms bestünde. Wenn durch diesen Kurzschlussstrom ein Störlichtbogen gespeist wird, so verursacht dieser Sekundarschaden, die mit der zeitlichen Dauer dieses Lichtbogens zunehmen. Es ist aber auch möglich, dass ein Kurzschlussstrom durch die Hochspannungsschaltanlage fliesst, ohne dass dabei ein Storlichtbogen auftritt, in diesem Fall ist es jedoch ebenfalls von Vorteil, wenn die zeitliche Dauer der elektrodynamischen und der thermischen Belastung der Anlagenkomponenten möglichst klein gehalten wird.
Der Leistungsschalter 1, und zwar insbesondere sein Schaltgerat 3, ist so ausgelegt, dass beim Ausschalten eine vergleichsweise hohe an ihm abfallende Lichtbogenspannung generiert wird. Diese hohe Lichtbogenspannung wirkt nach dem Offnen des Leistungsschalters 1 im Zeitpunkt T2 auf den Verlauf des Kurzschlussstroms ein und dampft dessen Asymmetrie ab, sodass statt der theoretischen Stromverlaufskurve A die tatsachliche Stromverlaufskurve B erreicht wird. Die Zeitspanne bis zum ersten Nulldurchgang des Kurzschlussstroms, der bei dieser Stromverlaufskurve B im Zeitpunkt T3 liegt, ist erheblich verkürzt gegenüber der entsprechenden Zeitspanne bei der Stromverlaufskurve A. Der Kurzschlussstrom kann demnach viel früher geloscht werden, sodass infolgedessen die unvermeidbaren Sekundarschaden und sonstigen Belastungen vorteilhaft klein gehalten werden können. Die Loschung des Kurzschlussstroms wird hier spätestens im Zeitpunkt T4 erfolgen . Das Abschalten von Kurzschlussstromen im generatornahen Bereich eines Hochspannungsnetzes erfolgt mit Hilfe des Leistungsschalters 1 in folgenden Schritten: a) Feststellen eines Kurzschlusses und Auslosung des Leistungsschalters 1 für die Abschaltung des Kurzschlussstroms durch den übergeordneten Anlagenschutz 14, b) Öffnung eines in der Leistungsstrombahn 9 des Leistungsschalters 1 angeordneten Schaltgerats 3 und Ausbildung eines ersten Lichtbogens in mindestens einer Trennstrecke des Schaltgerats 3, c) zeitlich auf die Öffnung des Schaltgerats 3 abgestimmte Öffnung der in der Leistungsstrombahn 9 des Leistungsschalters 1 in Reihe zum Schaltgerat 3 geschalteten Vakuumschaltkammer 2 und Ausbildung eines zweiten Lichtbogens in der Vakuumschaltkammer 2, d) Dampfung des überwiegenden Anteils der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über dem Schaltgerat 3 abfallende Lichtbogenspannung, e) Unterstützung der Dampfung der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über der Vakuumschaltkammer 2 abfallende Lichtbogenspannung, f) Loschen des zweiten Lichtbogens durch die Vakuumschaltkammer 2 in einem Stromnulldurchgang und gleichzeitiges Erloschen des ersten Lichtbogens und damit des Kurzschlussstroms.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer vierten Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Der Leistungsschalter 1 weist pro Phase eine Reihenschaltung einer Vakuumschaltkammer 2 mit einem weiteren, als Strombegrenzer 16 ausgebildeten, Schaltgerat auf. Die Vakuumschaltkammer 2 ist mittels eines Verbindungsstucks 4 elektrisch leitend mit dem Strombegrenzer 16 verbunden. Auf der dem Strombegrenzer 16 abgewandten Seite ist die Vakuumschaltkammer 2 mit einer Anschlussklemme 5 elektrisch leitend verbunden. Der Strombegrenzer 16 ist auf der der Vakuumschaltkammer 2 abgewandten Seite über ein weiteres Verbindungsstück 17 mit einem Anlagentrenner 18 verbunden, welcher mit einer Anschlussklemme 6 elektrisch leitend verbunden ist. Die Anschlussklemmen 5 und 6 dienen der Verbindung des Leistungsschalters 1 mit dem
Energieversorgungsnetz. Der Leistungsschalter 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb angetrieben. Als Antrieb für die Vakuumschaltkammer 2 kann beispielsweise ein herkömmlicher Kraftspeicherantrieb vorgesehen werden, der Strombegrenzer 16 benotigt keinen Antrieb. Der Strombegrenzer 16 ist selbstheilend ausgeführt, d.h. nach dem Abschalten des Stromkreises wird er selbsttätig wieder leitend, sodass die Vakuumschaltkammer 2 die gesamte wiederkehrende Spannung halten muss. Wenn vergleichsweise hohe Spannungen beherrscht werden müssen, so ist es sinnvoll, zum Leistungsschalter 1 einen Anlagentrenner 18 in Reihe zu schalten, der unmittelbar nach dem Abschalten geöffnet wird, und der dann die anliegende Spannung halt. Der Leistungsschalter 1 ist in dieser Ausfuhrung lediglich für vergleichsweise kleine Nennstrome geeignet, da er nur eine Leistungsstrombahn und keine separate Nennstrombahn aufweist. Es ist auch möglich, wenn der Leistungsschalter 1 für eine vergleichsweise grosse Stromtragfahigkeit ausgelegt wird, zwei oder mehrere Vakuumschaltkammern 2 parallel zu schalten. Müssen die Vakuumschaltkammern 2 höheren Spannungen standhalten, so ist auch eine entsprechende Reihenschaltung von Vakuumschaltkammern 2 möglich.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer fünften Ausfuhrungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Diese Ausfuhrungsform unterscheidet sich von der in Fig. 5 dargestellten Ausfuhrungsform dadurch, dass zum Leistungsschalter 1 eine parallele Nennstrombahn 7 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 8 bestuckt ist. Die Nennstrombahn 7 ist mittels dieser Nennstromkontakte 8 unterbrechbar. Die Nennstrombahn 7 wird beim Ausschaltvorgang stets zuerst durch einen nicht dargestellten Antrieb geöffnet, worauf der abzuschaltende Strom auf die parallel zur Nennstrombahn 7 verlaufende, direkt durch den Strombegrenzer 16 und die Vakuumschaltkammer 2 fuhrende Leistungsstrombahn 9 kommutiert. Der Antrieb betätigt hier, in zeitlich genau abgestimmter Folge, die beiden Schaltstellen. Es ist auch möglich, die Nennstromkontakte 8 und die Vakuumschaltkammer 2 jeweils mit separaten Antrieben zu betätigen. Auch bei dieser Ausfuhrungsform kann es sinnvoll sein, zum Leistungsschalter 1 einen Anlagentrenner 18 in Reihe zu schalten, der bei hohen Betriebsspannungen nach der Abschaltung die anstehende Spannung sicher halt. Der Anlagentrenner 18 wird nach der Abschaltung stromlos geöffnet und wird vor dem Einschalten, eventuell zeitgleich mit den Nennstromkontakten 8, stromlos eingeschaltet .
Wird im Leistungsschalter 1 ein Strombegrenzer 16 eingesetzt, so ergibt sich beispielsweise, wenn ein besonders gunstig ausgelegter Strombegrenzer vorgesehen wird, für den abzuschaltenden Strom die in der Fig. 4 dargestellte Stromverlaufskurve C. Der Strombegrenzer 16 wirkt bereits vor dem Offnen des Leistungsschalters 1, in diesem Fall der Vakuumschaltkammer 2, also vor dem Zeitpunkt T2, auf den Stromverlauf ein und flacht den Stromanstieg deutlich ab und begrenzt ihn. Im Zeitpunkt T5 setzt bereits die Wirkung des Spannungsabfalls über dem Strombegrenzer 16 ein. Die Lichtbogenspannungen der Vielzahl von Lichtbogen, die sich im Strombegrenzer 16 nach dem Überschreiten seines Ansprechstroms ausbilden, addieren sich zu einem vergleichsweise hohen Spannungsabfall, und dieser grosse Spannungsabfall wirkt dampfend auf den Stromanstieg ein und dampft dessen Asymmetrie ab. Im Zeitpunkt T6 tritt bereits der erste Nulldurchgang des Kurzschlussstroms auf, und wenn dort noch keine Abschaltung erfolgt, dann findet diese sicher im nächsten Nulldurchgang im Zeitpunkt T7 statt. Wie aus der Fig. 4 deutlich erkennbar, wird die Zeitspanne bis zum ersten Nulldurchgang des Kurzschlussstroms deutlich verkürzt gegenüber der entsprechenden Zeitspanne bei der theoretischen Stromverlaufskurve A und auch gegenüber der Stromverlaufskurve B. Der Kurzschlussstrom kann demnach viel früher geloscht werden, sodass infolgedessen die unvermeidbaren Sekundarschaden und sonstigen Belastungen vorteilhaft klein gehalten werden können.
Der Strombegrenzer 16 benotigt keinen separaten mechanischen Antrieb, er wird durch den Fehlerstrom selbst zeitgenau zum Ansprechen gebracht. Nach dem Abschalten des Stromes geht der Strombegrenzer 16 wieder von selbst in den Ausgangszustand zurück und ist wieder voll bereit für die nächste Abschaltung.
Die hier beschriebenen Ausfuhrungsformen des
Leistungsschalters 1 können nicht nur als Generatorschalter im generatornahen Bereich des Energieversorgungsnetzes eingesetzt werden, sie können auch als Verteilschalter in allen übrigen Netzknoten verwendet werden, besonders die Ausfuhrungsformen des Leistungsschalters 1 ohne separate Nennstrombahnen können derartige Schutzfunktionen vorteilhaft übernehmen. Der Leistungsschalter 1 kann sowohl in herkömmlichen Hochspannungsschaltanlagen als auch in metallgekapselten gasisolierten Schaltanlagen eingesetzt werden. BEZEICHNUNGSLISTE
Leistungsschalter Vakuumschaltkammer Schaltgerat Verbindungsstuck ,6 Anschlussklemme Nennstrombahn Nennstromkontakte Leistungsstrombahn 0 Nennstrombahn 1 Nennstromkontakte 2 Nennstrombahn 3 Nennstromkontakte 4 Anlagenschutz 5 Wirkungslinie 6 Strombegrenzer 7 Verbindungsstuck 8 Anlagentrenner , B, C Stromverlaufskurven o, Ti, T2, T3, T4, T5, T6, T7 Zeitpunkte

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren für das Abschalten eines Kurzschlussstroms, insbesondere im generatornahen Bereich eines
Hochspannungsnetzes, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist : a) Feststellen eines Kurzschlusses und Auslosung eines Leistungsschalters (1) für die Abschaltung des Kurzschlussstroms durch einen übergeordneten Anlagenschutz (14), b) Öffnung eines in einer Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) angeordneten Schaltgerats (3) und Ausbildung mindestens eines ersten Lichtbogens in diesem Schaltgerat (3) , c) zeitlich auf die Öffnung des Schaltgerats (3) abgestimmte Öffnung einer in der Leistungsstrombahn
(9) des Leistungsschalters (1) in Reihe zum Schaltgerat (3) geschalteten Vakuumschaltkammer (2) und Ausbildung mindestens eines zweiten Lichtbogens in der Vakuumschaltkammer (2), d) Dampfung des überwiegenden Anteils der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über dem Schaltgerat (3) abfallende Lichtbogenspannung, e) Unterstützung der Dampfung der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstroms durch die über der Vakuumschaltkammer (2) abfallende Lichtbogenspannung, f) Loschen des mindestens einen zweiten Lichtbogens durch die Vakuumschaltkammer (2) in einem Stromnulldurchgang und gleichzeitiges Erloschen des mindestens einen ersten Lichtbogens und damit des Kurzschlussstroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Lichtbogen im Schaltgerat (3) in einem elektronegativen Gas oder Gasgemisch oder in Luft oder m einem flussigen oder verflüssigten Isoliermedium brennt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass bei einer zur gesamten oder zu Teilen der Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) parallel geschalteten Nennstrombahn (7,10,12) beim Ausschalten zuerst die jeweilige Nennstrombahn (7,10,12) unterbrochen wird, sodass anschliessend der abzuschaltende Kurzschlussstrom auf die Leistungsstrombahn (9) kommutiert.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Vakuumschaltkammer (2) zugleich oder nach dem Schaltgerat (3) öffnet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge ennzeichnet,
- dass der im Schaltgerat (3) brennende erste Lichtbogen in mindestens zwei Teillichtbogen aufgetrennt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
- dass als Schaltgerat (3) ein für die Erzeugung hoher Lichtbogenspannungen ausgelegter Trenner mit besonders abbrandbestandigen Kontakten oder ein Strombegrenzer (16) eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass unmittelbar nach dem erfolgreichen Abschalten des Leistungsschalters (1) ein zu diesem in Reihe geschalteter Anlagentrenner (18) geöffnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Strombegrenzer (16) selbstheilend ausgelegt ist.
9. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Leistungsschalter (1), dadurch gekennzeichnet,
- dass der Leistungsschalter (1) eine Reihenschaltung eines Schaltgerats (3) mit einer Vakuumschaltkammer (2) aufweist,
- dass als Schaltgerat (3) ein für die Erzeugung hoher Lichtbogenspannungen ausgelegter, mit besonders abbrandbestandigen Kontakten versehener, Trenner oder ein Strombegrenzer (16) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass das als Trenner ausgelegte Schaltgerat (3) beim Ausschaltvorgang vor oder zugleich mit der Vakuumschaltkammer (2) geöffnet wird, und
- dass dieser Trenner mindestens zwei mit abbrandfesten Kontakten versehene Lichtbogenstrecken aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass das als Strombegrenzer (16) ausgelegte Schaltgerat (3) beim Ausschalten von vergleichsweise hohen Fehlerstromen vor oder zugleich mit der Vakuumschaltkammer (2) anspricht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Vakuumschaltkammer (2) so ansteuerbar ist, dass sie vor dem Trenner oder vor dem Strombegrenzer (16) öffnet .
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
- dass zu dem mit einem Strombegrenzer (16) versehenen Leistungsschalter (1) ein Anlagentrenner (18) in Reihe geschaltet ist.
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