-
Die
Erfindung betrifft eine Kurzschlusseinrichtung zur Löschung
eines Störlichtbogens innerhalb einer Mittel- und Hochspannungsschaltanlage, gemäß Oberbegriff
des Schutzanspruches 1.
-
Mittelspannungs-Schaltanlagen
haben die Aufgabe, den Energiefluss zu verteilen und eine sichere
Betriebsführung zu gewährleisten. Ein Störlichtbogen,
der innerhalb einer Schaltanlage entsteht, erzeugt aufgrund seiner
Temperatur einen starken Druckanstieg des Gases in einem Zeitraum
von wenigen Millisekunden, was zu einer Zerstörung der Schaltanlage
durch Explosion führen kann. Daher werden Maßnahmen
getroffen, damit der Druck möglichst schnell abgebaut wird.
-
Die
Entstehung von Lichtbögen kann durch geeignete Bauweise
sehr stark eingeschränkt werden, beispielsweise durch eine
innere Unterteilung des Schaltfeldes (Schottung). Zu diesem Zweck
besitzen die einzelnen Schaltfelder einer Schaltanlage Druckentlastungsöffnungen
oder Druckentlastungskanäle, über die das Gas
in die Umgebung abströmen kann. Die Auswirkungen eines
Störlichtbogens lassen sich indessen in erster Linie durch
eine Verringerung der Lichtbogendauer begrenzen.
-
Bekannt
sind solche ausschließlich dreiphasige Kurzschließer,
die unter Luft oder SF6 schalten. In jedem Fall vermindert sich
infolge des hohen Einschaltstromes bei wiederholtem Schalten das
Schalt- und Isoliervermögen. Bei Einsatz einer Vakuumschaltkammer
dagegen bleiben diese elektrischen Eigenschaften mit zunehmender
Schaltspielzahl praktisch unverändert.
-
In
den von der ABB AG gefertigten Schaltanlagen werden zum Personenschutz
Kapselungen eingesetzt, die beim Auftreten eines inneren Fehlers einen
ausreichenden Schutz bieten (z. B. bei der Ausbildung eines Lichtbogens
in einem Gasraum (Störlichtbogen)). Der durch einen auftretenden
Störlichtbogen entstehender Energiefluss wird innerhalb der
Anlage gesteuert und verteilt. Dazu werden diese Kapselungen entsprechend
druckfest ausgeführt. Gegen ein An- bzw. Durchschmelzen
einer Kapselung werden ausreichende Maßnahmen ergriffen,
die eine Lichtbogenfestigkeit der Einrichtung und damit eine sichere
Betriebsführung einer Schaltanlage gewährleisten.
-
In
einzelnen Anwendungen werden bereits Kurzschließsysteme
eingesetzt, die sich in der Regel auf einphasige Systeme beziehen
(z. B. gegen Erde oder zwischen den Phasen eingesetzt) oder auch dreiphasig
ausgeführt sind.
-
Aus
der
DE19746809A1 ist
ein Kurzschließer für eine Störlichtbogen-Schutzvorrichtung
zur Verwendung in Anlagen zur Verteilung elektrischer Energie mit
einem Gasgenerator und ein direkt von dem Gasgenerator angetriebenes
kurzschließendes Element bekannt, wobei das kurzschließende
Element aus einem Kurzschließerkolben mit mindestens einem
zylindrischen und einem konischen Abschnitt besteht, soll innerhalb
einer Millisekunde einen prellungsfreien Schaltvorgang ermöglichen
und hohe Ströme, beispielsweise 100 kA, über mehrere
100 ms, vorzugsweise 500 ms, übertragen. Dies wird dadurch
erreicht, dass der Kurzschließerkolben aus einem vorderen
zylindrischen Abschnitt besteht, der in eine ebenfalls zylindrische
Bohrung eines kurzzuschließenden Teils stoßartig
bewegt wird und dass der vordere zylindrische Abschnitt gegenüber
der Bohrung mit einer Spielpassung versehen ist.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurzschlussschalteinrichtung
der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verbessern,
dass ein Lichtbogen in der Kurzschlussschalteinrichtung sicher verhindert,
und der so zu löschende Störlichtbogen in der
Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage sicher kommuitiert werden
kann.
-
Hinsichtlich
einer Kurzschlussschalteinrichtung gemäß Oberbegriff
des Schutzanspruches 1, ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruches 1 gelöst.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen
Ansprüchen angegeben.
-
Bekannte
Kurzschließer schalten im Zusammenwirken mit dem vorgeordneten
Leistungsschalter zu langsam. Zumeist sind sie außerdem
durch ihren dreiphasigen Aufbau technisch zu kompliziert und kostenintensiv.
In allen drei Phasen verbinden diese Kurzschließer beim
Schaltvorgang die zuvor spannungsführende Strombahn mit
Erde oder auch zwischen den einzelnen Phasen. Dies wiederum erfordert
eine kompakte, aufwendige Erdstrombahn zum kurzzeitigen Führen
des zumeist hohen Fehlerstromes. Des Weiteren vermindern sich strombedingt
sowohl Schalt – als auch Isoliervermögen während
der Lebensdauer.
-
Ausserdem
ist die zylindriche Ausführung, bei der Kurzschlussschaltelement
und Gegenkontakt wobei diese sogar bis auf eine Spielfassung aufeinander
abgestimmt sind, technisch zu schwierig. Durch normale Lagerspiele
oder Abweichungen bei der Zündung kommt es zu einem nicht
zielgerechten Schuß und die zu genau bemaßte Zylinderkontur setzt
am Gegenkontakt bei Abweichung nur 10tel Milimeter am Rand auf,
der Kontakt kann nicht mehr richtig schließen und es entsteht
ein erheblicher Lichtbogen.
-
Die
Erfindung löst dabei zwei wesentliche technische Probleme.
-
Zum
einen wird durch die sensorische also letztendlich elektronische
Störlichtbogenerfassung eine kurze Reaktionszeit gewährleistet.
Zum anderen wird durch die entsprechend komplementär konturierten
Kontaktstellen erreicht, dass nach dem Zünden der Sprengladung
und Beschleunigen des Kurzschlussschaltelementes nicht nur der Kurzschlusskontakt
möglichst schnelle erreicht wird, sondern auch gehalten
wird. Durch eine komplementäre Strukturierung wird verhindert,
dass nach Anprallen des Kurzschlussschaltelementes dasselbe abprallen kann
und dabei wieder einer Lichtbogen erzeugt. Vielmehr wird durch die
komplementäre Strukturierung ein lichtbogenfreier Kurzschlusskontakt
gewährleistet.
-
Dabei
ist vorteilhaft ausgestaltet, das Kurzschlussschaltelement innerhalb
einer Zeit T ≤ 10 millisekunden zu betätigen.
-
Im
Hinblick auf eine Kurzschlussschalteinrichtung der gattungsgemäßen
Art, besteht der Kern der Erfindung darin, dass das Kurzschlussschaltelement
mit einem Aussenkonus und die mit dem Drehstromleiter elektrisch
verbundene Kontaktstruktur mit einer entsprechend komplementären
Konusöffnung versehen ist.
-
Diese
konkrete komplementäre Strukturierung von Aussenkonus und
Innenkonus bewirkt, dass der Aussenkonus des Kurzschlussschaltelementes
mittels Sprengladung in die Konusöffnung des Gegenkontaktes
hineinschießt und dort ohne zusätzlich notwendigen
Haltekräfte im Kontaktzustand festhält. Diese
Eigenschaft sei hier weiter als Selbsthemmung bezeichnet. Dadurch
dass sich die Kontaktstelle so nicht mehr lösen kann, wird
auch ein Lichtbogen verhindert.
-
In
vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Flankenwinkel
des Konus bzw der Konusöffnung zwischen 2° und
60° liegt.
-
In
diesem definitiven Bereich der Konusausformung ist die besagte Selbsthemmung
gewährleitet, die ein Rückprallen des konischen
Kurzschlusskontaktes aus der konischen Öffnung auf sichere Weise
verhindert.
-
Weiterhin
ist vorteilhaft ausgestaltet, dass ein Kurzschlussschaltelement
und eine Kontaktstruktur innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet
und eine einphasige Kurzschlusschalteinrichtung ergeben. Dies ergibt
eine kompakte aber auch sichere Bauform.
-
Weiterhin
ist vorteilhaft ausgestaltet, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement
und eine Kontaktstruktur zwischen jeweils zwei Phasen des Drehstromleiternetzes
geschaltet ist.
-
Eine
andere Variant besteht darin, dass jeweils ein Kurzschlussschaltelement
und eine Kontaktstruktur pro Phase des Drehstromleiternetzes vorgesehen
ist, und dass die 3 Kontaktstrukturen zu einem Sternpunkt elektrisch
zusammengeschaltet sind.
-
Der
Sternpunkt kann dabei geerdet sein.
-
In
letzter vorteilhafter Ausgestaltung ist die Kurzschlussschalteinrichtung
mit mindestens einen Sensor versehen, der im Bereich der Schaltelemente der
Mittel- oder Hochspannungsschaltanlage angeordnet ist und zur Erfassung
eines Störlichtbogens dient, über welchen innerhalb
einer Zeit T ≤ 10 ms eine Zündeinrichtung der
Kurzschlussschalteinrichtung betätigbar ist.
-
Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher
beschrieben.
-
Der
Kurzschließer wird innerhalb einer Schaltanlage bestehend
aus einem oder mehreren Schaltfeldern direkt im Strompfad der Einspeisung angeordnet.
Beim Schaltvorgang schließt er (im Fehlerfall) die Phasen
dahingehend „kurz", dass sich der Stromkreis parallel zum
Einspeiseschalter schließt und ein eventuell in einem Abgangsfeld
entstandener Lichtbogen umgehend gelöscht wird.
-
Hervorzuheben
ist, dass der Kurzschließer aus nur „einer dreiphasigen"
(1) oder auch aus „mehreren einzelnen"
Vakuumschaltkammern (2) bestehen kann. Werden die
einzelnen „mehrere" (z. B. 3 Stück) Vakuumschaltkammern
sternförmig verschaltet, so kann der Sternpunkt geerdet
werden. Im geerdeten Fall ist der Einsatz einer aufwendigeren Erdstrombahn
innerhalb einer Schaltanlage erforderlich. Der Einsatz der Vakuumtechnik
sichert eine stromunabhängige, gleich bleibende Funktionalität
während der gesamten Lebensdauer.
-
Durch
die drastische Reduzierung der Lichtbogenzeit, d. h. durch die erhebliche
Verminderung der mechanischen und thermischen Belastung innerhalb
einer Schaltanlage im Fehlerfall können kostengünstige,
kompakte Schaltfelder und Komponenten entwickelt und gefertigt werden.
Die Erfindung findet in luft – oder gasisolierten Mittelspannungs-Schaltanlagen
der "primary and secondary distribution" Anwendung.
-
Es
wird eine Einrichtung zum Löschen eines Störlichtbogens
in einer geschlossenen oder offenen Schaltanlage beschrieben, die
besonders aufgrund eines Phasenkurzschlusses zwischen den Phasen (R,
S; S, T) mit „zwei" Vakuumschaltkammern bzw. mit „einer"
Vakuumschaltkammer die drei Phasen (R, S und T) im Fehlerfall miteinander
kurzschließt. Beim Auftreten eines Fehlers, im vorliegenden
Fall eines Störlichtbogens, schließen die beiden
Vakuumschaltkammern oder die „dreiphasige" Vakuumschaltkammer,
in die damit der Strom des Störlichtbogens kommutiert.
Erreicht wird das durch den Einsatz einer Sprenghülse (Sprengsatzes),
welche auf einer Seite einer Vakuumschaltkammer angeordnet ist und
welche nach dem Zünden den beweglich ausgeführten Leiter
in Richtung des Festkontaktes beschleunigt. Für eine feste
Verbindung der beiden Leiter nach dem Einschalten der Einheit (Kurzschließen)
werden die beiden Leiterkontaktstücke (Schalt- und Festkontaktstück)
zum einen konisch und zum anderen in Tulpenform ausgeführt,
so dass nach dem Einschalten so genannte „Selbsthemmung"
auftritt und die beiden Bauteile im geschlossenen Zustand verbleiben.
Eine dauerhaft anliegende Andruckkraft im eingeschalteten Zustand
ist nicht erforderlich. Besteht der Kurzschließer aus nur „einer"
Vakuumschaltkammer enthält diese Vakuumschaltkammer die
drei Leiter der Phasen (R, S und T), der Aufbau entspricht einer
Sternform. Jedoch kann der Sternpunkt bei dieser Anordnung nicht
geerdet ausgeführt sein. Die Einrichtung ist so ausgeführt,
dass zwei Leiter fest in eine Vakuumschaltkammer eingebaut sind
und ein Leiter „Normal" (senkrecht dazu) zu den beiden
Leitern steht und beweglich ausgeführt ist. Der beweglich
ausgeführte Leiter wird mit einer Sprenghülse (nach
deren Explosion) in Richtung der beiden anderen Leiter beschleunigt
und verursacht den dreiphasigen Kurzschluss in der Einrichtung.
Auch diese Vakuumschaltkammer enthält Kontaktstücke
die zur Selbsthemmung nach dem Kurzschließen in der eingeschalteten
(kurzgeschlossenen) Position verbleiben.
-
In
der 1 ist eine „dreiphasige" Kurzschließer – Vakuumschaltkammer
(VK) mit den Leitern R; S; T 8 und 5 dargestellt,
die neben den beiden fest in die VK eingelöteten Zuleitungen 8 eine
bewegliche Zuleitung 5 aufweist. Auf der beweglichen Zuleitung 5 befindet
sich außerhalb des Vakuums 6 und oberhalb des
Deckels 4 ein Kolben 2, der wie gezeigt ausgeführt
sein kann. Oberhalb des Kolbens befindet sich ein Sprengsatz 1,
der den Kolben 2 an der oberen Position hält,
so dass die Kontaktstücke 7 und 8 auf
Abstand gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit den Kolben 2 an
dieser Position zu halten kann durch einen Draht oder auch Stab
zwischen Kolben und Deckel 3 erreicht werden. Im Fehlerfall
wird der Sprengsatz 1 nach dem Detektieren (Lichtsensor
+ Elektronikauswerteeinheit + Auslösung → Zündausgang)
und Auslösen zur Explosion gebracht. In dem Druckraum,
hier als ein druckfester Deckel 3 ausgeführt,
wird der Kolben zusammen mit der beweglichen Zuleitung 5 in
die VK hinein beschleunigt. Die Isolation zwischen den beiden Leitern übernimmt
ein Isolator 9. Dabei wird die Kontaktstelle 7 und 8 sehr rasch
geschlossen. Das Zuleitungskontaktstück 7 ist entsprechend
konisch ausgeführt, so dass nach dem Einschalten (dem Schließen
der Kontaktstücke) die Kontaktstücke aufgrund
der mechanischen Selbsthemmung in der eingeschalteten Position sicher
verharren. Die Vakuumdichtigkeit kann wie hier dargestellt über
einen Balg erreicht werden. Die Stromübertragung auf der
beweglichen Seite lässt sich durch ein Multikontaktgleitsystem
oder auch über eine Strombandlösung realisieren.
-
In
der 2 ist die einphasige Kurzschließer – Vakuumschaltkammer
(VK) 9, die zwischen die drei Leitern R, S; und S; T geschaltet
werden kann, dargestellt. Des Weiteren besteht die Möglichkeit,
dass je Phase eine Vakuumschaltkammer 9 angeordnet wird.
Dabei kann der entstehende Sternpunkt offen aber auch geerdet geschaltet
ausgeführt werden kann. Die VK 9 weist neben einer
fest eingelöteten Zuleitung 1 mit einem Kontaktbereich 8 eine
bewegliche Zuleitung 5 auf. Die Isolation zwischen den
beiden Leitern übernimmt ein Isolator 9. Auf der
beweglichen Zuleitung 5 mit einem konisch ausgeführten Kontaktbereich 7 befindet
sich außerhalb des Vakuums und oberhalb des Deckels 4 ein
Kolben 2, der wie gezeigt ausgeführt sein kann.
Oberhalb des Kolbens 2 befindet sich ein Sprengsatz 1,
der den Kolben an der oberen Position hält, so dass die
Kontaktstücke im Vakuum 6 auf Abstand gehalten
werden. Eine weitere Möglichkeit den Kolben an dieser Position
zu halten kann durch einen Draht oder auch Stab zwischen Kolben
und Deckel 3 erreicht werden. Im Fehlerfall wird der Sprengsatz 1 nach
dem Detektieren (Lichtsensor + Elektronikauswerteeinheit + Auslösung → Zündausgang)
und Auslösen zur Explosion gebracht. In dem Druckraum,
hier als ein druckfester Deckel ausgeführt, wird der Kolben
zusammen mit der beweglichen Zuleitung in die VK hinein beschleunigt.
Dabei wird die Kontaktstelle sehr rasch geschlossen. Das Zuleitungskontaktstück
ist entsprechend konisch ausgeführt, so dass nach dem Einschalten
(dem Schließen der Kontaktstücke) die Kontaktstücke
aufgrund der mechanischen Selbsthemmung in der eingeschalteten Position
sicher verharren. Die Vakuumdichtigkeit kann wie hier dargestellt über
einen Balg erreicht werden. Die Stromübertragung auf der
beweglichen Seite lässt sich durch ein Multikontaktgleitsystem
oder auch über eine Strombandlösung realisieren.
-
In 3 ist
das Schaltbild mit den drei Phasen R; S; T; dargestellt. Zum Schutz
befindet sich im Bereich der drei Phasen der „dreiphasigen"
Kurzschließer 1, der nach 1 ausgeführt
und mit den drei Phasen verbunden ist. Tritt ein Störlichtbogen 3 zwischen
den Phasen oder zur Erde hin auf, wird der Lichtbogen z. B. optisch
detektiert und über die Steuereinheit 2 wird die
Sprenghülse in der VK 1 zur Explosion gebracht.
Nach dem Schließen der Kontaktstücke kommutiert
der Strom in die VK 1 und der Störlichtbogen 3 verlischt.
-
In 4 ist
das Schaltbild mit den drei Phasen R; S; T; dargestellt. Zum Schutz
befinden sich zwischen den drei Phasen „einphasige" Kurzschließer 1,
der nach 2 ausgeführt und mit
den Phasen (R, S; S, T) verbunden ist. Tritt ein Störlichtbogen 3 zwischen
den Phasen oder zur Erde hin auf, wird der Lichtbogen z. B. optisch
detektiert und über die Steuereinheit 2 wird die
Sprenghülse in der VK 1 zur Explosion gebracht.
Nach dem Schließen der Kontaktstücke kommutiert
der Strom in die VK 1 und der Störlichtbogen 3 verlischt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-