Kontaktanordnung für einen strombegrenzenden Schalter

Abstract

 Die Kontaktanordnung ist für eine nennstromführende Schaltstelle (S₁) eines strombegrenzenden Hoch- oder Mittelspannungsschalters bestimmt, bei dem parallel zur nennstromführenden Schaltstelle (S₁) ein Strompfad (K₁) mit einem Halbleiterschalter (T) geschaltet ist. Die Kontaktanordnung ist axialsymmetrisch ausgeführt. Sie enthält zwei feststehende Schaltstücke, welche unter Bildung eines Ringraums (3) als koaxial ineinandergeführte Zylinder (1, 2) ausgebildet sind, und einen als bewegliches Brückenschaltstück wirkenden Kontaktring (4), welcher im Einschaltzustand der Kontaktanordnung an freien Enden der Zylinder (1, 2) in den Ringraum (3) geführt ist. Ferner enthält die Kontaktanordnung einen das bewegliche Brückenschaltstück mit elektrodynamischer Kraft beaufschlagenden und eine Spule (5) aufweisenden Antrieb.
Durch den axialsymmetrischen Aufbau werden unerwünschte Streuinduktivitäten vermieden und wird so eine äusserst rasche Kommutierung von abzuschaltenden Kurzschlussströmen in den - den Halbleiterschalter enthaltenden - Parallelstrompfad erreicht. Zugleich wird der zur Bildung der Kräfte des elektrodynamischen Antriebs notwendige Induktionsstrom im nennstromführenden, beweglichen Brückenschaltstück generiert. Es werden so ein sonst üblicherweise vorgesehenes scheibenförmiges Teil zur Führung des Induktionsstrom und damit zusätzliche zu beschleunigende Masse eingespart und wird dadurch die Öffnungsgeschwindigkeit der Kontaktanordnung wesentlich erhöht.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Kontaktanordnung für eine nennstromführende Schaltstelle eines strombegrenzenden Hoch- oder Mittelspannungsschalters nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Im Bereich hoher Leistungen und damit hoher Nennströme werden in der elektrischen Energietechnik heute fast ausnahmslos rein mechanische Kontaktsysteme zum Bau von Schaltern verwendet, weil damit die geringsten Nennstromverluste erreicht werden können. Die typischen Eigenzeiten (Zeit vom Schaltbefehl bis Kontakttrennung bzw. Stromunterbrechung) heutiger Leistungsschalter liegen im Zeitbereich von einigen 10 ms. Solche Eigenzeiten erlauben es nicht, diese Schalter für den Bau strombegrenzender Schaltsysteme einzusetzen. Halbleiterschalter, wie z.B. GTO's (Gate Turn-Off Thyristoren), haben um drei Grössenordnungen kleinere Eigenzeiten, dafür aber unzulässig hohe Verluste im Nennbetrieb. Durch die Kombination eines sehr schnellen mechanischen Schalters mit Hochleistungshalbleitern entsteht ein hybrides Schaltsystem, das prinzipiell zum strombegrenzenden Schalten geeignet ist.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik von Kontaktanordnungen bezug wie er in EP 0 275 857 A1 beschrieben ist. Die vorbekannte Kontaktanordnung ist Teil eines vorzugsweise in der Traktionstechnik verwendeten strombegrenzenden Schalters und dient der Führung von Nennströmen während des Betriebs des Schalters. Parallel zur Kontaktanordnung ist ein Hilfskreis mit Schaltthyristoren und Dioden sowie mit einem Ladekondensator und mit einer Spule geschaltet. Beim Auftreten eines Kurzschlussstroms werden die Schaltthyristoren eingeschaltet und wird dann der Ladekondensator über die Spule entladen. Das magnetische Feld des von der Spule geführte Entladestroms induziert in einer mit einem Brückenkontakt der Kontaktanordnung verbundenen Scheibe einen gegensinnig fliessenden Kurzschlussstrom. Die hierbei gebildeten elektrodynamischen Kräfte stossen die Scheibe und damit auch den Brückenkontakt von der Spule ab und bewirken so ein sehr rasches Öffnen der Kontaktanordnung. Der beim Öffnen der Kontaktanordnung in den Hilfstromkreis kommutierende Kurzschlussstrom wird durch Umladen des Ladekondensators unterbrochen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0003] Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen besonders sicheren Betrieb des strombegrenzenden Schalters ermöglicht.

[0004] Die Kontaktanordnung nach der Erfindung ist axialsymmetrisch aufgebaut. Unerwünschte Streuinduktivitäten werden so weitgehend vermieden und es wird so eine äusserst rasche Kommutierung von Kurzschlussströmen in einen einen Halbleiterschalter enthaltenden Parallelstrompfad erreicht. Zugleich wird der zur Bildung der Kräfte eines elektrodynamischen Kontaktantriebs notwendige Induktionsstrom im nennstromführenden, beweglichen Brückenschaltstück generiert, wodurch ein sonst üblicherweise vorgesehenes scheibenförmiges Teil zur Führung des Induktionsstroms und damit zusätzliche zu beschleunigende Masse eingespart werden können. Hierdurch wird die zum Erzielen einer bestimmten Öffnungsgeschwindigkeit der Kontaktanordnung notwendige Antriebsenergie minimiert. Beim Öffnen entstehen zudem zwei Kontaktspalte, welche jeweils von einem von zwei in Serie geschalteten Teillichtbögen überbrückt sind. Durch diese Serienschaltung von Teillichtbögen erhöht sich die an der Kontaktanordnung abfallende Lichtbogenspannung, womit der Kurzschlussstrom besonders rasch und wirkungsvoll in den Parallelstrompfad kommutiert werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

[0005] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig.1

eine einphasige Grundschaltung einer ein Mittelspannungsnetz nachbildenden Prüfvorrichtung mit einem eine Kontaktanordnung nach der Erfindung enthaltenden strombegrenzenden Schalter,

Fig.2

die Kontaktanordnung gemäss Fig.1 im Einschaltzustand, und

Fig.3

die Kontaktanordnung gemäss Fig.1 im Ausschaltzustand.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0006] In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile. Die in Fig.1 dargestellte Schaltung ist eine einphasige Grundschaltung einer ein Mittelspannungsnetz nachbildenden Prüfvorrichtung mit einem strombegrenzenden Schalter S. Die Prüfvorrichtung enthält einen eine Netzspannung u_N von typischerweise einigen 10 kV, beispielsweise 20 kV, nachbildenden Generator G, welcher über den strombegrenzenden Schalter eine durch einen ohmschen Widerstand R_L und eine Induktivität L_L nachgebildete Last speist. Eine zwischen Generator G und Schalter S angeordnete und auf den Schalter S wirkende Kurzschlusserkennungseinheit KSE weist ein Mess- und Auswerteteil zur sehr raschen Erkennung von Kurzschlussströmen i_N auf Die Kurzschlussströme liegen typischerweise bei einigen 10 kA, beispielsweise 20 kA. Der Schalter S weist im Strompfad vom Generator zur Last liegend eine sehr rasch, d.h. typischerweise innerhalb 100 bis 500 µs, beispielsweise 250 µs, öffnende lichtbogenfeste nennstromführende Schaltstelle S₁ auf, sowie einen in Serie dazu geschalteten Trennschalter S_S.

[0007] Parallel zur Schaltstelle S₁ sind zwei Kommutierungspfade K₁ und K₂ geschaltet. Der Kommutierungspfad K₁ enthält eine elektrisch ansteuerbare Schaltvorrichtung T sowie in Serie zur Schaltvorrichtung T eine rasch öffnende Trennschaltstelle S_T (Öffnungszeit typischerweise einige 100 µs) mit mechanisch voneinander trennbaren Kontakten. Die Schaltvorrichtung T ist mit Vorteil ein abschaltbarer Halbleiterschalter T₁, beispielsweise ein Thyristor, wie insbesondere ein GTO. Die Schaltvorrichtung T kann zu Zwecken einer hohen Stromtragfähigkeit anstelle eines Halbleiterschalters T₁ auch mehrere parallel geschaltete Halbleiterschalter enthalten. Um bei einem Wechselstrom sowohl bei negativer als auch bei positiver Polarität ein rasches Ansprechen der Schaltvorrichtung T zu erzielen, weist die Schaltvorrichtung einen oder mehrere weitere Halbleiterschalter T₂ auf, welche antiparallel zu dem einen oder den mehreren weiteren Halbleiterschaltern T₁ geschaltet sind.

[0008] Der Kommutierungspfad K₂ ist parallel zur Schaltstelle S₁ und zum Kommutierungspfad K₁ geschaltet und weist einen Strombegrenzer R_B und eine in Serie zum Strombegrenzer geschaltete Schaltvorrichtung T_P auf. Der Strombegrenzer R_B spricht auf einen Kommutierungsstrom verzögert an und ist mit Vorteil als PTC-Widerstand ausgebildet. Die Schaltvorrichtung T_P enthält mindestens einen, vorteilhafterweise jedoch zumindest zwei zueinander antiparallel geschaltete, Halbleiterschalter, welche nicht notwendigerweise abschaltbar ausgebildet sein müssen, jedoch einen von ihnen geführten Wechselstrom im Stromnulldurchgang löschen können, wie insbesondere Thyristoren oder Triacs. Durch Anordnung weiterer solcher Halbleiterschalter in Serie kann die dielektrische Belastbarkeit der Schaltvorrichtung T_P vergrössert werden.

[0009] Beim Auftreten des Kurzschlussstromes löst die Erkennungseinheit KSE am strombegrenzenden Schalter S innerhalb von etwa 100 µs einen Abschaltvorgang aus. Dabei werden sofort die in den beiden Kommutierungspfaden K₁ und K₂ liegenden Schaltvorrichtungen T und T_P leitfähig gemacht. Zugleich wird die Nennstromkontaktanordnung S₁ geöffnet. Bedingt durch zwei hierbei gebildete und in Serie geschaltete Lichtbögen kommutiert der noch ansteigende Kurzschlussstrom innerhalb von etwa 250 µs in den Kommutierungspfad K₁. Dieser bleibt solange leitfähig bis über der Nennstromkontaktanordnung S₁ eine Spannungsfestigkeit erreicht wird, die etwas grösser ist als diejenige von T. Der abzuschaltende Kurzschlussstrom kommutiert dann in den Kommutierungspfad K₂. Dabei entsteht sowohl eine transiente Überspannung auf Grund der Streuinduktivitäten als auch ein ohmscher Spannungsabfall am Strombegrenzer R_B. Der Strombegrenzer R_B begrenzt mit einer Verzögerung von einigen 100 µs. Diese Zeitverzögerung reicht aus, um die Nennstromkontaktanordnung S₁ und die Trennkontaktanordnung S_T praktisch leistungslos zu öffnen. Nach dem Öffnen der Trennkontaktanordnung S_T fällt im Kommutierungspfad K₁ praktisch die gesamte am Schalter S anstehende Spannung U_s über dieser Trennkontaktanordnung ab. Da der Strombegrenzer R_B verzögert anspricht, beginnt die Begrenzung des nun im Kommutierungspfad K₂ fliessenden Kurzschlussstroms erst nach dem Öffnen von S₁ und S_T. Der begrenzte Kurzschlusstrom kann beim folgenden Stromnulldurchgang, beispielsweise nach 5 bis 6 ms, durch die Schaltvorrichtung T_P mit sehr geringer Überspannung abgeschaltet werden. Danach wird durch Öffnen des Trennschalters S_s eine galvanische Trennstrecke hergestellt.

[0010] Der Aufbau und die Wirkungsweise der Kontaktanordnung der schnellen Schaltstelle S₁ kann aus den Figuren 2 und 3 entnommen werden:
Die Kontaktanordnung ist axialsymmetrisch ausgeführt und weist zwei feststehende Schaltstücke und ein bewegliches Brückenschaltstück auf. Die beiden feststehenden Schaltstücke sind als koaxial angeordnete Zylinder 1, 2 ausgebildet und begrenzen einen Ringraum 3. Das Brückenschaltstück ist als Kontaktring 4 aus einem elektrisch gut leitenden Material, wie vorzugsweise Aluminium oder einer Aluminium-Basislegierung, ausgeführt und ist im Einschaltzustand an freien Enden der Zylinder 1, 2 in den Ringraum 3 geführt. Es schliesst dann die beiden als feststehende Schaltstücke wirkenden Zylinder 1, 2 kurz. In einem Abschnitt des Ringraums 3, welcher an einen den Kontaktring 4 aufnehmenden Abschnitt des Ringraums anschliesst, ist koaxial eine zylinderförmige Spule 5 angeordnet, welche mit dem Kontaktring 4 einen elektrodynamischen Antrieb bildet. Die Spule 5 ist mit Hilfe eines mechanisch und dielektrisch hochwertigen Isoliermaterials im Ringraum 3 festgesetzt und weist zwei Anschlüsse auf, von denen der eine direkt mit einem Anschluss eines Kondensators 6 und der andere über einen Schaltthyristor 7 mit dem anderen Anschluss des Kondensators 6 verbunden ist. Parallel zur Reihenschaltung von Kondensator 6 und Schaltthyristor 7 und damit auch zu den beiden Anschlüssen der Spule 5 ist eine Freilaufdiode 8 geschaltet.

[0011] Der Zylinder 1 weist axial geführte, fingerförmige Kontaktelemente 10 auf, welche an ihren von der Spule 5 abgewandten freien Enden unter Bildung einer konusförmigen Aufweitung des Ringraumes 3 nach aussen gebogen sind. Der Zylinder 2 weist axial geführte, fingerförmige Kontaktelemente 20 auf. Diese Kontaktelemente sind an ihren von der Spule 5 abgewandten freien Enden unter Bildung einer konusförmigen Aufweitung des Ringraumes 3 nach innen gebogen. An den Kontaktelementen 10 und 20 sind in den Ringraum 3 weisende Kontaktflächen aus abbrandfestem Material angeformt, welche in dem in Fig.2 dargestellten Einschaltzustand mit ebenfalls aus abbrandfestem Material bestehenden Kontaktflächen des Kontaktringes 4 zusammenwirken. Der an die Schaltstelle S₁ geführte Kurzschlussstrom i_N fliesst dann von den Kontaktelementen 10 über den Kontaktring 4 in radialer Richtung zu den Kontaktelementen 20. Der Kontaktring 4 wirkt daher als bewegliches Brückenschaltstück.

[0012] Die beim Auftreten des Kurzschlussstroms am strombegrenzenden Schalter S den Ausschaltvorgang auslösende Erkennungseinheit KSE bewirkt das Einschalten des Schaltthyristors 7. Der Kondensator 6 wird nun über die Spule 5 entladen. Das magnetische Feld des Spulenstroms i_P induziert im Kontaktring 4 einen um ca. 180° phasenverschoben Sekundärstrom i_S. Auf den Kontaktring wirkt nun eine den beiden Strömen proportionale, axial nach oben gerichtete Lorentzkraft F, welche die Haftkräfte zwischen den Kontaktflächen der Kontaktelemente 10, 20 und dem Kontaktring 4 überwindet und zugleich die erforderliche Beschleunigung des Kontaktringes 4 aufbringt. Da der Kontaktring 4 die Funktion von Brückenschaltstück und Sekundärspule des elektrodynamischen Antriebs in sich vereint, ist die zu beschleunigende Masse äusserst gering und beträgt bei den zuvor genannten Leistungsdaten des Schalters S typischerweise 0,05 kg. Es kann dann selbst mit einem klein dimensionierten Kondensator 6 schon in weniger als 1 ms nach der Ausgabe des Abschaltbefehls durch die Erkennungseinheit eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit über dem die offene Schaltatrecke der Schaltstelle S₁ darstellenden Ringraum 3 erreicht werden (Ausschaltposition gemäss Fig.3).

[0013] Die beim Auftreten der Lorentzkraft ausgelöste Bewegung des Kontaktrings 4 wird durch eine nicht dargestellte Führung ausschliesslich in axialer Richtung ermöglicht. Beim Einschalten begünstigen die konusförmigen Aufweitungen des Ringraumes 3 das Einführen des Kontaktringes 4 in den Ringraum 3.

[0014] Weitere günstige Eigenschaften der Schaltstelle nach der Erfindung sind darin zu sehen, dass durch den koaxialen Aufbau die Streuinduktivität minimiert und damit eine besonders schnelle Kommutierung des Kurzschlussstromes in die parallel geschalteten Kommutierungspfade gewährleistet ist. Zudem treten bei der Trennung des Kontaktrings 4 von den Kontaktelementen 10 und 20 zwei in Serie geschaltete Lichtbögen auf Dadurch wird die Kommutierungsspannung erhöht und der Kurzschlussstrom besonders rasch in die beiden Parallelpfade K₁ und K₂ kommutiert.

Bezugszeichenliste

[0015] 

K₁, K₂

Kommutierungspfade

KES

Kurzschlusserkennungseinheit

L_L

Induktivität

R_L

ohmschen Widerstand

R_B

Strombegrenzer

S

strombegrenzender Schalter

S₁

Nennstromkontaktanordnung

S_S

Trennschalter

S_T

Trennkontaktanordnung

T₁, T₂

Halbleiterschalter

T, T_P, T_S

Schaltvorrichtungen

i_N

Kurzschlussstrom

u_N

Netzspannung

i_P

Primärstrom

i_S

Sekundärstrom

u_S

am Schalter S anstehende Spannung

1, 2

Zylinder

3

Ringraum

4

Kontaktring

5

Spule

6

Kondensator

7

Schaltthyristor

8

Freilaufdiode

10, 20

Kontaktelemente

Ansprüche

1. Kontaktanordnung für eine nennstromführende Schaltstelle (S₁) eines strombegrenzenden Hoch- oder Mittelspannungsschalters (S), bei dem parallel zur nennstromführenden Schaltstelle (S₁) ein Strompfad (K₁) mit einem Halbleiterschalter (T) geschaltet ist, enthaltend ein bewegliches Brückenschaltstück, zwei vom Brückenschaltstück im Einschaltzustand der Kontaktanordnung kurzgeschlossene, feststehende Schaltstücke und einen das bewegliche Brückenschaltstück mit elektrodynamischer Kraft beaufschlagenden und eine Spule (5) aufweisenden Antrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnung axialsymmetrisch ausgeführt ist und als feststehende Schaltstücke zwei unter Bildung eines Ringraums (3) koaxial ineinandergeführte Zylinder (1, 2) und als Brückenschaltstück einen im Einschaltzustand an freien Enden der Zylinder (1, 2) in den Ringraum (3) geführten Kontaktring (4) aufweist.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (5) in einem Abschnitt des Ringraums (3) angeordnet ist, welcher an einen den Kontaktring (4) aufnehmenden Abschnitt des Ringraums (3) anschliesst.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder (1, 2) jeweils axial geführte, fingerförmige Kontaktelemente (10, 20) aufweisen mit den Ringraum (3) begrenzenden Kontaktflächen.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (10, 20) an ihren offenen Enden unter Bildung einer konusförmigen Aufweitung des Ringraums (3) gebogen ausgeführt sind.

Zeichnung