TECHNISCHES GEBIET
[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem strombegrenzenden Schalter nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1.
[0002] Solche strombegrenzende Schalter können im Hoch- oder Mittelspannungsbereich als
Generatorschalter, als Kuppelschalter zwischen Sammelschienenabschnitten in Schaltanlagen,
als Gleichstromschalter oder in vermaschten Netzen zur Verringerung der Betriebsverluste
eingesetzt werden.
STAND DER TECHNIK
[0003] Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik von strombegrenzenden Schaltern bezug,
wie er etwa in der noch nicht veröffentlichten europäischen Anmeldung EP Anmelde-Nr.
98811251.2 beschrieben ist. Dieser Schalter weist eine schnelle mechanische Schaltstelle
mit galvanischen Kontakten und zwei parallel dazu geschaltete Kommutierungspfade auf.
Im ersten Kommutierungspfad sind in Serie eine erste Schaltvorrichtung und eine Trennschaltstelle
angeordnet, im zweiten Kommutierungspfad sind ein Strombegrenzer und eine zweite Schaltvorrichtung
in Serie geschaltet. Der Strombegrenzer ist derart ausgebildet, dass von ihm geführter
Strom, welcher beim Öffnen der ersten Schaltvorrichtung vom ersten in den zweiten
Kommutierungspfad kommutiert ist, zeitlich verzögert begrenzt wird. Während dieser
Zeitverzögerung kann sich über den beiden Kommutierungspfaden keine Überspannung aufbauen
und kann zugleich im ersten Kommutierungspfad eine überspannungsfeste Trennstrecke
gebildet werden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0004] Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde,
einen strombegrenzenden Schalter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher dank
seines speziellen, platzsparenden Aufbaus und der geringen bewegten Masse wegen ein
schnelles Ein- und Ausschalten im Hoch- und Mittelspannungsbereich ermöglicht.
[0005] Der strombegrenzende Schalter nach der Erfindung weist drei parallel zueinander angeordnete
Pfade auf, von denen zwei eine mechanische Schaltstelle enthalten. Die eine dieser
mechanischen Schaltstellen ist zum Führen und Schalten von Nennstrom ausgelegt, während
die andere lediglich im Schaltfall kurzzeitig und impulsartig von einem kommutierten
Strom durchflossen wird. Die Kontaktanordnungen der mechanischen Schaltstellen sind
axialsymmetrisch ausgebildet und koaxial angeordnet. Dank kurzen, koaxialen Kupferverbindungen
ergeben sich sehr kleine Streuinduktivitäten, wodurch eine sehr schnelle Kommutierung
der Ströme ermöglicht wird.
[0006] Enthält auch der dritte Pfad des Schalters nach der Erfindung eine mechanische Schaltstelle
mit einer koaxial angeordneten Kontaktanordnung, erübrigt sich ein bei herkömmlichen
strombegrenzenden Schaltern in Serie geschalteter Serientrenner.
[0007] Weisen die Kontaktanordnungen unterschiedliche Durchmesser auf und sind sie ineinanderliegend
angeordnet, verringert sich die Ausdehnung des Schalters in axialer Richtung. Dadurch
lassen sich die Abmessungen eines Gehäuses reduzieren, in dem die Kontaktanordnungen
angeordnet sind, um beispielsweise gegen Staub oder andere störende Einflüsse geschützt
zu sein. Besonders vorteilhaft ist dabei die Anordnung der Kontaktanordnungen in einem
druckfesten Gehäuse, welches beispielsweise mit einem Isoliergas unter atmosphärischem
oder höherem Druck gefüllt ist, was sich günstig auf die dielektrische Eigenschaft
der Kontaktanordnung auswirkt. Enthält das Gehäuse zwei elektrisch leitende, voneinander
isolierte Teile, lässt sich der Nennstrom direkt über diese Gehäuseteile an die Anschlüsse
der Nennstromschaltstelle führen. Aufwendige Nennstromdurchführungen durch das Gehäuse
entfallen somit.
[0008] Enthalten die Schaltstellen einen schnellen Antrieb zum Öffnen und Schliessen der
Kontaktanordnung, können dadurch verschiedene, betrieblichen Anforderungen entsprechende
Algorithmen zum Öffnen und/ oder Schliessen des Schalters implementiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0009] Eine Ausführungsform 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 einer ersten Ausführungsform eines strombegrenzenden Schalters nach der Erfindung,
- Fig. 2
- eine Aufsicht auf einen längs einer Achse geführten Schnitt durch ein Gehäuse mit
Schaltstellen des Schalters nach Fig. 1,
- Fig. 3
- eine einphasige Grundschaltung einer ein Mittelspannungsnetz nachbildenden Prüfvorrichtung
mit einer zweiten Ausführungsform eines strombegrenzenden Schalters nach der Erfindung,
und
- Fig. 4
- eine Aufsicht auf einen längs einer Achse geführten Schnitt durch ein Gehäuse mit
Schaltstellen des Schalters nach Fig. 3, und
- Fig. 5
- eine Aufsicht auf einen vergrössert dargestellten Ausschnitt einer Schaltstelle des
Schalters nach Fig. 4.
WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0010] In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile.
[0011] Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ist eine einphasige Grundschaltung einer ein
Mittelspannungsnetz nachbildenden Prüfvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform
eines strombegrenzenden Schalters S nach der Erfindung. Die Prüfvorrichtung enthält
einen eine Netzspannung U
N von einigen 10 kV nachbildenden Generator Q, den Schalter S und eine aus einem ohmschen
Widerstand R
L und einer Induktivität L
L nachgebildeten Last L. Zwischen dem Generator Q und dem Schalter S ist eine Kurschlussstromerkennungseinheit
E geschaltet, die einen Mess- und Auswerteteil zur sehr raschen Erkennung von Kurzschlussströmen
von bis zu einigen 10 kA enthält. Der Schalter S weist eine im Strompfad vom Generator
Q zur Last L liegende Nennstromschaltstelle S
1 auf. Parallel zur Nennstromschaltstelle S
1 sind zwei Kommutierungspfade P
1 und P
2 geschaltet.
[0012] Der erste Kommutierungspfad P
1 enthält eine Trennschaltstelle S
T und eine leistungselektronische Schaltvorrichtung T mit einer Diodenbrücke D
1, D
2, abschaltbaren Leistungshalbleitern H, beispielsweise GTO, sowie einem Überspannungsableiter
M. Die Diodenbrücke erlaubt ein Schalten von Wechselströmen sowohl bei positiver als
auch bei negativer Polarität ohne antiparallel geschaltete Leistungshalbleiter.
[0013] Der zweite Kommutierungspfad P
2 enthält in Serie geschaltet eine Abschaltschaltstelle S
A und einen Strombegrenzer R
B, der zeitlich verzögert auf einen Strom anspricht und zum Beispiel als PTC-Widerstand
ausgebildet ist. Die Abschaltschaltstelle kann als Halbleiterschalter H
A mit antiparallel geschalteten, abschaltbaren Leistungshalbleitern, beispielsweise
GTOs, ausgebildet sein oder eine galvanisch trennende, mechanische Kontaktanordnung
K
A, vorzugsweise einen Vakuumschalter, umfassen.
[0014] Die Schaltstellen S
1 und S
T des Schalters nach Fig. 1 weisen je eine sehr rasch, innerhalb weniger 100 µs, öffnende
Kontaktanordnung K
1und K
T auf. Die Kontaktanordnung K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 ist lichtbogenfest ausgebildet.
[0015] In einer vorteilhaften Ausführung des Schalters nach der Erfindung sind die beiden
Kontaktanordnungen K
1 und K
T der Schaltstellen S
1 und S
T in einem Gehäuse G angeordnet. Generatorseitig sind die beiden Kontaktanordnungen
K
1 und K
T der Schaltstellen S
1 und S
T über einen Anschluss 1, ein erstes Gehäuseteil 10 und primäre Zuleitungen 11und 12
angeschlossen. Lastseitig ist die Nennstromschaltstelle S
1 über eine sekundäre Zuleitung 21 und ein zweites Gehäuseteil 20 mit dem Anschluss
2 verbunden. Die Trennschaltstelle ST des ersten Kommutierungspfads P
1 ist über eine sekundäre Zuleitungen 31, die mit einer Durchführung 5 durch das Gehäuse
G geführt ist, und über einen Anschluss 3 mit der leistungselektronischen Schaltvorrichtung
T verbunden.
[0016] Während des Betriebs sind die Kontaktanordnungen K
1 und K
T der beiden Schaltstellen S
1 und S
T sowie die Abschaltschaltstelle S
A geschlossen bzw. leitend. Beim Auftreten eines Kurzschlussstromes löst die Erkennungseinheit
E am strombegrenzenden Schalter S innerhalb von etwa 100 µs einen Abschaltvorgang
aus. Dabei werden sofort die im ersten Kommutierungspfad P
1 liegenden Halbleiterelemente H leitend gemacht. Zugleich wird die Kontakanordnung
K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 geöffnet. Bedingt durch zwei dabei gebildete, in Serie geschaltete Lichtbögen kommutiert
der noch ansteigende Kurzschlussstrom innerhalb von etwa 150 µs in den ersten Kommutierungspfad
P
1. Die Halbleiterelemente H bleiben solange leitend, bis über der Kontaktanordnung
K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 eine Spannungsfestigkeit erreicht wird, die grösser ist als die Spannungsfestigkeit
über den Halbleiterelementen H. Dann wird der Kurzschlussstrom im ersten Kommutierungspfad
P
1 durch die Halbleiterelemente H abgeschaltet und kommutiert in den zweiten Kommutierungspfad
P
2. Gleichzeitig wird die Kontaktanordnung K
T der Trennschaltstelle S
T geöffnet. Bei der zweiten Kommutierung entsteht sowohl eine transiente Überspannung
auf Grund von 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 den Öffnungsvorgang an der Kontaktanordnung K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 und der Kontaktanordnung K
T der Trennschaltstelle S
T zu beenden. Nach dem Öffnen der Kontaktanordnung K
T der Trennschaltstelle S
T fällt im ersten Kommutierungspfad P1 praktisch die gesamte am Schalter S anstehende
Spannung über der Trennschaltstelle S
T ab. Da der Strombegrenzer R
B verzögert anspricht, beginnt der Anstieg der Spannung über dem Schalter S und somit
über der Nennstromschaltstelle S
1 und der Trennschaltstelle S
T erst nachdem die Kontaktanordnung K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 und die Kontaktanordnung K
T der Trennschaltstelle S
T geöffnet sind. Der begrenzte Kurzschlussstrom kann beim folgenden Stromnulldruchgang,
beispielsweise nach 5 bis 6 ms, durch die Abschaltschaltstelle S
A mit sehr geringer transienten wiederkehrenden Spannung (Transient Recovery Voltage)
abgeschaltet werden.
[0017] Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung der erste Ausführungsform des erfindungsgemässen
Schalters. Die beiden Schaltstellen S
1 und S
T sind mehrheitlich koaxialsymmetrisch in einem zylinderförmigen Gehäuse G angeordnet.
Das Gehäuse G setzt sich aus zwei plattenförmigen, elektrisch leitenden Gehäuseteilen
10 und 20, einem rohrförmig ausgebildeten, elektrisch isolierenden Gehäuseteil 7 und
zwei elektrisch isolierenden, gasdichten Durchführungen 5 und 6 zusammen. Das Gehäuse
G ist druckfest ausgebildet und mit einem gasförmigen Medium gefüllt, zum Beispiel
Luft oder SF
6 unter atmosphärischem oder höherem Druck.
[0018] Die beiden Schaltstellen S
1 und S
T setzen sich je aus einer Kontaktanordnung K
1 und K
T mit je zwei feststehenden Schaltstücken und je einem beweglichen Brückenschaltstück
sowie aus je einem unabhängig auslösbaren Antrieb zum Öffnen und/ oder Schliessen
der Kontaktanordnung zusammen.
[0019] Die beiden Kontaktanordnungen K
1 und K
T sind ineinander angeordnet, wobei die Kontaktanordnung K
1 der Nennstromschaltstelle S
1, da sie zum Führen von Nennstrom einen entsprechenden Querschnitt bedingt, den grössten
Durchmesser hat und aussenliegend angeordnet ist. Die Kontaktanordnung K
T der Trennschaltstelle S
T, die nur im Schaltfall kurzzeitig und impulsartig von einem kommutierenden Strom
durchflossen wird, hat einen entsprechend kleineren Durchmesser und ist koaxial innerhalb
der Kontaktanordnung K
1 der Nennstromschaltstelle S
1 angeordnet. Die Zuleitungen zu den Kontaktstellen sind gemäss Fig. 2 möglichst kurz
und axialsymmetrisch ausgebildet. Die Nennstromanschlüsse 1 und 2 sind bei dem zylinderförmigen
Gehäuse G am äusseren Rand der plattenförmigen, elektrisch leitenden Gehäuseteile
1 und 2 angeschlossen und können beispielsweise rohrförmig ausgebildet sein. Die übrigen
Zuleitungen zu den Kontaktanordnungen, sowie allfällige Leitungen für die Steuerungen
der Schaltstellen, werden mit Vorteil durch die Mitte der plattenförmigen Gehäuseteile
1 und 2 aus dem Gehäuse geführt. Weitere Durchführungen, insbesondere Hochstrom- und
Hochspannungsdurchführungen für den Nennstrom, fallen dank der Einbindung der Gehäuseteile
1 und 2 in den Nennstrompfad weg.
[0020] Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Schaltung, mit einer vorteilhaften, zweiten
Ausführungsform des erfindungsgemässen Schalters S. Dabei umfasst die Abschaltschaltstelle
S
A eine ebenfalls sehr rasch öffnende mechanische Kontaktanordnung K
A. Zusammen mit den beiden Kontaktanordnungen K
1 und K
T der Schaltstellen S
1 und S
T ist die Kontaktanordnung K
A der Abschaltschaltstelle S
A in dem Gehäuse G angeordnet. Generatorseitig ist die Abschaltschaltstelle S
A ebenfalls über den Anschluss 1 und das erste Gehäuseteil 10 sowie eine primäre Zuleitung
13 angeschlossen. Lastseitig ist die Abschaltschaltstelle S
A über eine sekundäre Zuleitung 41, die mit einer Durchführung 6 durch das Gehäuse
G geführt ist, und über einen Anschluss 4 mit dem Strombegrenzer R
B verbunden.
[0021] Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen
Schalters entspricht weitgehend der Anordnung nach Fig. 2. Zusätzlich zu den beiden
Schaltstellen S
1 und S
T ist die Abschaltschaltstelle S
A koaxialsymmetrisch in dem Gehäuse G angeordnet.
[0022] Mit dieser Ausführungsform, mit galvanischer Trennung in jedem der drei parallelen
Strompfade, kann auf die Verwendung eines zusätzlichen Serientrenners verzichtet werden.
[0023] Eine vorteilhafte Ausführungsform des Antriebs einer Schaltstelle sieht neben einem
beweglichen Brückenschaltstück, welches Teil der Kontaktanordnung der Schaltstelle
ist, im wesentlichen zwei Spulen sowie eine leistungselektronische Steuereinheit vor.
Die Kontaktanordnung sowie die Spulen sind axialsymmetrisch ausgebildet und koaxial
zueinander angeordnet. Der genaue Aufbau der drei Schaltstellen wird anhand eines
in Fig. 5 dargestellten Ausschnitts der Anordnung nach Fig. 2 genauer erläutert. Dabei
sind die beiden Spulen 81 und 82, welche zu dem Antrieb einer Schaltstelle gehören,
jeweils beidseits des zugehörigen, als Kontaktring 85 ausgebildeten Brückenschaltstücks
in axialer Richtung versetzt angeordnet. Der Kontaktring wird mit elektrodynamischer
Kraft beaufschlagt, indem aus der leistungselektronischen Steuereinheit in die entsprechende
Spule Energie gespiesen wird. Der Kontaktring kann in axialer Richtung zwischen den
beiden Spulen 81 und 82 hin und her bewegt werden und dabei die Kontaktanordnung öffnen
und wieder schliessen. Im geschlossenen Zustand der Kontaktanordnung ist der Kontaktring
85 zwischen den beiden feststehenden Schaltstücken 84 eingepasst und schliesst diese
kurz. In der geöffneten Position der Kontaktanordnung wird der Kontaktring 85 von
einem Halteteil 83 festgehalten.
BEZEICHNUNGSLISTE
[0024]
- 1 , 2
- Nennstromanschluss am Gehäuse
- 3,4
- Sekundärer Anschluss für Trennschaltstelle, Abschaltschaltstelle
- 5, 6
- Durchführung der sekundären Anschlüsse
- 7
- Elektrisch isolierendes Gehäuseteil
- 10, 20
- Elektrisch leitendes Gehäuseteil
- 11,12,13
- Primäre Zuleitung zu Schaltstelle
- 21,31,41
- Sekundäre Zuleitung zu Schaltstelle
- 81,82
- Antriebsspulen
- 83
- Halteteil
- 84
- Feststehende Schaltstücke
- 85
- Kontaktring
- A
- Symmetrieachse
- D1,D2
- Diodenbrücke
- E
- Kurzschlusserkennungseinheit
- G
- Gehäuse
- H
- Halbleiter
- HA
- Halbleiterschalter
- IN
- Nennstrom
- K1, KT, KA
- Kontaktanordnungen
- L
- Last
- LL
- Lastinduktivität
- M
- Überspannungsableiter
- Q
- Spannungsquelle, Generator
- RB
- Strombegrenzer
- RL
- Ohmscher Lastwiderstand
- s
- Strombegrenzender Schalter
- S1, ST, SA
- Nennstrom-, Trenn-, Abschaltschaltstelle
- T
- Leistungselektronisches Schaltvorrichtung
- UN
- Netzspannung
1. Strombegrenzender Schalter (S) mit einer eine lichtbogenfeste Kontaktanordnung (K1) enthaltende Nennstromschaltstelle (S1) und mit zwei parallel zur Nennstromschaltstelle (S1) geschalteten Kommutierungspfaden (P1, P2), von denen ein erster (P1) in Serie geschaltet eine Kontaktanordnung (KT) einer Trennschaltstelle (ST) und eine leistungselektronische Schaltvorrichtung (T) enthält und ein zweiter in
Serie geschaltet eine Abschaltschaltschaltstelle (SA) und ein strombegrenzendes Element (RB) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnung (K1) der Nennstromschaltstelle (S1) und die Kontaktanordnung (KT) der Trennschaltstelle (ST) symmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Achse (A) ausgebildet und angeordnet sind.
2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltschaltstelle (SA) eine galvanisch trennende Kontaktanordnung (KA) aufweist und dass diese Kontaktanordnung (KA) symmetrisch bezüglich der gemeinsamen Achse (A) ausgebildet und angeordnet ist.
3. Schalter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnungen
(K1, KT, KA) der Schaltstellen (S1, ST, SA) einen unterschiedlich grossen Durchmesser haben und ineinanderliegend angeordnet
sind.
4. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktanordnungen
(K1, KT, KA) der Schaltstellen (S1, ST, SA) in einem Gehäuse (G) angeordnet sind.
5. Schalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zylinderförmig
ausgebildet ist und dass die Kontaktanordnungen (K1, KT, KA) der Schaltstellen (S1, ST, SA) und das Gehäuse (G) bezüglich einer gemeinsamen Achse (A) koaxial angeordnet sind.
6. Schalter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
(G) druckfest ausgebildet ist.
7. Schalter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
wenigstens zwei elektrisch leitende Gehäuseteile (10, 20) aufweist, die über mindestens
ein drittes, elektrisch isolierendes Gehäuseteil (7) miteinander verbunden sind.
8. Schalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrisch leitenden
Gehäuseteile (10, 20) plattenförmig ausgebildet sind, und dass das elektrisch isolierende
Gehäuseteil (7) rohrförmig ausgebildet und derart zwischen den plattenförmigen Gehäuseteilen
(10, 20) angeordnet ist, dass die beiden plattenförmigen Gehäuseteile (10, 20) das
rohrförmige Gehäuseteil (7) stirnseitig begrenzen.
9. Schalter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame
primäre Zuleitung (1, 11, 12, 13) zu den Kontaktanordnungen (K1, KT, KA) der Schaltstellen (S1, ST, SA) über ein erstes der beiden elektrisch leitenden Gehäuseteile (10) geführt ist, dass
eine sekundäre Zuleitung (2, 21) zu der Kontaktanordnung (K1) der Nennstromschaltstelle (S1) über das zweite der beiden elektrisch leitenden Gehäuseteile (20) geführt ist, und
dass die sekundären Zuleitungen (3, 31, 4, 41) zu den Kontaktanordnungen (KT, KA) der übrigen Schaltstellen (ST, SA) durch das Gehäuse geführt sind.
10. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Schaltstellen
(S1, ST und SA) zum Öffnen und/ oder Schliessen der Kontaktanordnungen (K1, KT, KA) einen Antrieb enthält.
11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb elektrodynamische
Kraft erzeugt.
12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zwei koaxial versetzt
angeordnete Spulen (81, 82), einen koaxial zwischen den Spulen angeordneten, in axialer
Richtung beweglichen Kontaktring (85) sowie eine leistungselektronische Steuereinheit
umfasst, wobei der Kontaktring (85) im geschlossen Zustand der Schaltstelle zwei koaxial
angeordnete, feststehende Kontaktstücke (84) kurzschliesst.