DE10016950A1

DE10016950A1 - Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlussstroms im generatornahen Bereich

Info

Publication number: DE10016950A1
Application number: DE2000116950
Authority: DE
Inventors: Jochen Kiefer; Martin Kriegel; Lukas Zehnder
Original assignee: ABB Hochspannungstechnik AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-10-11
Also published as: EP1269504A1; WO2001078097A1; RU2002129359A; AU2000278981A1; JP2003530672A; CN1452776A

Abstract

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

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlussstroms in einem Hochspannungsnetz.

STAND DER TECHNIK

Aus der Patentschrift EP 0 593 902 B1 ist eine Schaltanlage bekannt, die in einem elektrischen Hochspannungsnetz eingesetzt werden kann. Diese Schaltanlage weist eine Reihenschaltung eines Trenners mit einer Vakuumschaltkammer auf, die in einem isoliergasgefüllten 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 Herstellens einer Trennstrecke wahr, welche im offenen Zustand die anstehende Spannung halten muss.

Für den Einsatz als Generatorschalter ist diese Schaltanlage nicht vorgesehen und nicht geeignet, da sie keine Mittel aufweist, um bei generatorgespeisten Kurzschlüssen im Nahbereich des Generators die fehlenden Stromnulldurchgänge rasch zu erzwingen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein einfaches Verfahren zum raschen Abschalten von Kurzschlussströmen im generatornahen Bereich anzugeben.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, dass der Leistungsschalter selber mit einfachen Mitteln bei stark asymmetrischen Kurzschlussströmen, die zunächst keinen Stromnulldurchgang aufweisen, die asymmetrische Komponente so wirksam dämpft, dass schon nach einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne Stromnulldurchgänge auftreten, wodurch ein frühzeitiges Löschen der Kurzschlussströme ermöglicht wird. Der Leistungsschalter weist eine Vakuumschaltkammer und zu ihr in Reihe geschaltet einen Trenner auf, der mit besonders abbrandfesten Kontakten ausgestattet ist, und der dafür ausgelegt ist, eine möglichst hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, welche beim Ausschaltvorgang die asymmetrische Komponente des Kurzschlussstroms dämpft, sodass die Zeit bis zum ersten Nulldurchgang desselben vorteilhaft verkürzt wird. Je schneller der Kurzschlussstrom abgeschaltet wird, desto geringer sind die Sekundärschäden, die der Kurzschluss verursacht. Nach der erfolgreichen Abschaltung des Kurzschlusses stellt der Trenner die nötige Trennstrecke her.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Phase einer ersten Ausführungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Phase einer zweiten Ausführungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Phase einer dritten Ausführungsform eines Leistungsschalters im ausgeschalteten Zustand, und

Fig. 4 den zeitlichen Stromverlauf in einer Phase des von einem Generator gelieferten Kurzschlussstromes.

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 AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer ersten Ausführungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Der Leistungsschalter 1 weist pro Phase eine Reihenschaltung einer Vakuumschaltkammer 2 mit einem Trenner 3 auf. Die Vakuumschaltkammer 2 ist mittels eines Verbindungsstücks 4 elektrisch leitend mit dem Trenner 3 verbunden. Auf der dem Trenner 3 abgewandten Seite ist die Vakuumschaltkammer 2 mit einer Anschlussklemme 5 elektrisch leitend verbunden. Der Trenner 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 Hochspannungsnetz. Der Leistungsschalter 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb angetrieben. Als Antrieb kann beispielsweise ein herkömmlicher Kraftspeicherantrieb vorgesehen werden. Es ist natürlich auch möglich, den Trenner 3 und die Vakuumschaltkammer 2 jeweils mit separaten Antrieben zu betätigen. Dieser Leistungsschalter 1 ist lediglich für vergleichsweise kleine Nennströme geeignet, da er nur eine Leistungsstrombahn und keine separate Nennstrombahn aufweist.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Phase einer zweiten Ausführungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform 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 den Trenner 3 und die Vakuumschaltkammer 2 führende Leistungsstrombahn 9 kommutiert. Der Antrieb betätigt hier, in zeitlich genau abgestimmter Folge, alle drei Schaltstellen. Es ist auch möglich, den Trenner 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 Ausführungsform eines Leistungsschalters 1 im ausgeschalteten Zustand. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass zum Trenner 3 eine parallele Nennstrombahn 10 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 11 bestückt ist, und dass auch zur Vakuumschaltkammer 2 eine separate parallele Nennstrombahn 12 vorgesehen ist, die mit Nennstromkontakten 13 bestückt ist. Die Nennstrombahnen 10 und 12 sind mittels dieser Nennstromkontakte 11 bzw. 13 unterbrechbar. Es sind auch Ausführungsformen vorstellbar, bei denen entweder zum Trenner 3 allein oder zur Vakuumschaltkammer 2 allein eine parallele Nennstrombahn vorgesehen ist. In der Fig. 3 ist ein übergeordneter Anlagenschutz 14 schematisch angedeutet, der sämtliche nötigen Mess- und Steuereinrichtungen umfasst, die nötig sind, um einen ordnungsgemässen Betrieb des Hochspannungsnetzes sicherzustellen, er stellt beispielsweise u. a. das Auftreten von Kurzschlüssen im Hochspannungsnetz fest und löst 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 allen hier beschriebenen Ausführungsformen des Leistungsschalters 1 ist der nicht dargestellte Antrieb so ausgelegt, dass beim Ausschalten in der Regel jeweils der Trenner 3 und die Vakuumschaltkammer 2 zugleich betätigt und geöffnet werden. Es ist aber durchaus möglich, dass die Vakuumschaltkammer 2 zeitlich verzögert nach dem Trenner 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 Kurzschlussströmen detektieren kann, dann ist es auch möglich, die Vakuumschaltkammer 2 vor dem Trenner 3 zu öffnen. Beim Einschalten wird in der Regel der Trenner 3 zuerst geschlossen und erst danach schliesst die Vakuumschaltkammer 2 den Stromkreis definitiv. Es sind aber, je nach Typ des Trenners 3, auch andere zeitliche Abfolgen möglich.

Bei den Ausführungsformen des Leistungsschalters 1, die mit separaten Nennstrombahnen 7, 10 und 12 versehen sind, öffnen 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.

Der Trenner 3 weist hier besonders abbrandfest ausgebildete Abbrandkontakte auf, die speziell dafür ausgebildet sind, dem Ausschaltlichtbogen hinreichend lange standzuhalten. Der Trenner 3 ist hier schematisch mit einer Trennstelle dargestellt, es ist jedoch sinnvoll, den Trenner 3 mit mehreren in Reihe geschalteten Trennstellen zu versehen, denn so wird auf einfache Art und Weise eine hohe über dem Trenner 3 abfallende Lichtbogenspannung erreicht, da sich die über den einzelnen Trennstellen abfallenden Lichtbogenspannungen addieren. Der Trenner 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 Trenner 3 das Auftreten besonders hoher Lichtbogenspannungen erwünscht ist, ist es durchaus möglich, auch flüssige oder verflüssigte Isoliermedien für den Trenner 3 vorzusehen. Der Trenner 3 ist nicht für Schaltvorgänge vorgesehen, die ein Schaltvermögen des Trenners 3 bedingen, er hat in diesem Leistungsschalter 1 allein die Aufgabe, während des Ausschaltvorgangs eine hohe Lichtbogenspannung zu erzeugen, welche für die Dämpfung des überwiegenden Anteils der asymmetrischen Komponente des abzuschaltenden Kurzschlussstromes benötigt wird. Durch diese Dämpfung wird die Zeitkonstante des Abklingens der Asymmetrie des Kurzschlussstroms wesentlich verkleinert. Im ausgeschalteten Zustand unterstützt die Trennstrecke des Trenners 3 jedoch zusätzlich die Spannungsfestigkeit der Vakuumschaltkammer 2 des Leistungsschalters 1.

Die Fig. 4 weist zwei Stromverlaufskurven A und B 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 10. Es ist deutlich ersichtlich, dass der Kurzschlussstrom in der dargestellten Phase stark asymmetrisch verläuft, sodass zunächst keine Stromnulldurchgänge auftreten können. Der erste Stromnulldurchgang tritt hier erst nach etwa zweieinhalb Perioden im Zeitpunkt T₁ 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 Sekundärschäden, die mit der zeitlichen Dauer dieses Lichtbogens zunehmen. Es ist aber auch möglich, dass ein Kurzschlussstrom durch die Hochspannungsschaltanlage fliesst, ohne dass dabei ein Störlichtbogen 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 Trenner 3, ist so ausgelegt, dass beim Ausschalten eine vergleichsweise hohe an ihm abfallende Lichtbogenspannung generiert wird. Diese hohe Lichtbogenspannung wirkt nach dem Öffnen des Leistungsschalters 1 im Zeitpunkt T₂ auf den Verlauf des Kurzschlussstroms ein und dämpft dessen Asymmetrie ab, sodass statt der theoretischen Stromverlaufskurve A die tatsächliche 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 gelöscht werden, sodass infolgedessen die unvermeidbaren Sekundärschäden und sonstigen Belastungen vorteilhaft klein gehalten werden können. Die Löschung des Kurzschlussstroms wird hier im Zeitpunkt T₄ erfolgen.

Das Abschalten von Kurzschlussströmen im generatornahen Bereich eines Hochspannungsnetzes erfolgt mit Hilfe des Leistungsschalters 1 in folgenden Schritten:

a) Feststellen eines Kurzschlusses und Auslösung des Leistungsschalters 1 für die Abschaltung des Kurzschlussstroms durch den übergeordneten Anlagenschutz 14,
b) Öffnung eines in der Leistungsstrombahn 9 des Leistungsschalters 1 angeordneten Trenners 3 und Ausbildung eines ersten Lichtbogens in einer Trennstrecke des Trenners 3,
c) zeitlich auf die Öffnung des Trenners 3 abgestimmte Öffnung der in der Leistungsstrombahn 9 des Leistungsschalters 1 in Reihe zum Trenner 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 Trenner 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.

Der Leistungsschalter 1 ist hier für besonders grosse Ströme, insbesondere auch grosse Nennströme und Kurzschlussströme, ausgelegt, wie sie beispielsweise in einem Kraftwerk im Bereich nach dem Generator auftreten können. Der Leistungsschalter 1 kann sowohl in herkömmlichen Hochspannungsschaltanlagen als auch in metallgekapselten gasisolierten Schaltanlagen eingesetzt werden,

BEZEICHNUNGSLISTE

1

Leistungsschalter

2

Vakuumschaltkammer

3

Trenner

4

Verbindungsstück

5

,

6

Anschlussklemme

7

Nennstrombahn

8

Nennstromkontakte

9

Leistungsstrombahn

10

Nennstrombahn

11

Nennstromkontakte

12

Nennstrombahn

13

Nennstromkontakte

14

Anlagenschutz

15

Wirkungslinie
A, B Stromverlaufskurven
T₀

, T₁

, T₂

, T3, T₄

Zeitpunkte

Claims

1. Verfahren für das Abschalten eines Kurzschlussstroms, insbesondere im generatornahen Bereich eines Hochspannungsnetzes, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Feststellen eines Kurzschlusses und Auslösung eines Leistungsschalters (1) für die Abschaltung des Kurzschlussstroms durch einen übergeordneten Anlagenschutz (14),
b) Öffnung eines in einer Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) angeordneten Trenners (3) und Ausbildung eines ersten Lichtbogens in einer Trennstrecke des Trenners (3),
c) zeitlich auf die Öffnung des Trenners (3) abgestimmte Öffnung einer in der Leistungsstrombahn (9) des Leistungsschalters (1) in Reihe zum Trenner (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 Trenner (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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Lichtbogen im Trenner (3) in einem elektronegativen Gas oder Gasgemisch oder in Luft oder in einem flüssigen 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 mit oder nach dem Trenner (3) öffnet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass der im Trenner (3) brennende erste Lichtbogen zwangsweise in mindestens zwei Teillichtbögen aufgetrennt wird.