DE102006004811A1

DE102006004811A1 - Elektrisches Schaltgerät mit Potentialsteuerung

Info

Publication number: DE102006004811A1
Application number: DE102006004811A
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr. Jahn; Christian Wallner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20090014418A1; CN101375356A; EP1977435A1; WO2007085510A1

Abstract

Elektrisches Schaltgerät, mit mindestens einer Unterbrechereinheit, wobei die Unterbrechereinheit eine elektrische Schaltstelle aufweist und die Unterbrechereinheit mit jeweils einer Schalterstelle eine elektrische Kapazität gegenüber der elektrischen Erdung besitzt. Herkömmlicherweise werden elektrische Schaltgeräte, wie z. B. Leistungsschalter für Hochspannungsanlagen, mit so genannten parallel zur Schalterstelle geschalteten Steuerkondensatoren zur Spannungsvergleichmäßigung über mehrere Unterbrechereinheiten eines elektrischen Schaltgeräts genutzt. Hierdurch wird eine nahezu gleichmäßige Spannungsbelastung aller Unterbrechereinheiten des elektrischen Schaltgeräts gewährleistet. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, anstelle oder zusätzlich zu den eingesetzten Steuerkondensatoren resistiv- und/oder induktiv-wirkende Bauteile zur Spannungsvergleichmäßigung über ein elektrisches Schaltgerät einzusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, umfassend mindestens eine Unterbrechereinheit zur Unterbrechung einer bestehenden elektrischen Verbindung, wobei die Unterbrechereinheit eine elektrische Kapazität gegenüber der elektrischen Erdung besitzt.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen elektrischen Schaltgeräts für Gleich- oder Wechselspannungsnetze.
Elektrische Schaltgeräte sind unerlässliche Komponenten eines elektrischen Versorgungsnetzwerkes. Elektrische Schaltgeräte im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Schaltgeräte für Hochspannungsanwendungen mit mehr als 1 kV Spannung.
Üblicherweise ist die Hauptkomponente eines elektrischen Schaltgeräts – insbesondere für Hochspannungsanlagen – eine Unterbrechereinheit, bestehend aus einer Schaltkammer mit einer in der Schaltkammer befindlichen elektrischen Schalterstelle. Im geöffneten Zustand der elektrischen Schalterstelle wirkt die Schalterstelle des elektrischen Schaltgeräts wie ein Kondensator mit der elektrischen Kapazität C_K. Des Weiteren bildet sich zwischen dem Spannung führenden elektrischen Schaltgerät und der elektrischen Erdung ebenfalls eine elektrische Kapazität C_E aus.
Insbesondere bei elektrischen Schaltgeräten, wie z.B. Leistungsschaltern, für den Hochspannungsbereich werden aufgrund der hohen geschalteten Spannungen in einem elektrischen Schaltgerät mehrere Unterbrechereinheiten nacheinander ange ordnet. Im ausgeschalteten Zustand des elektrischen Schaltgeräts ergeben sich dabei zwischen den einzelnen Unterbrechereinheiten sowie zwischen den Unterbrechereinheiten gegen elektrische Erde ungleichmäßige Spannungsverteilungen, die zum Teil zur Zerstörung der spannungsbelasteten Unterbrechereinheit und damit des elektrischen Schaltgeräts führen können.

Aus diesem Grunde werden parallel zur elektrischen Schalterstelle jeder Unterbrechereinheit so genannte Steuerkondensatoren geschaltet, die zur Ausbildung einer nahezu gleich verteilten Spannung über das elektrische Schaltgerät dienen.

Durch die Verwendung eines Steuerkondensators für jede Unterbrechereinheit werden die einzelnen Unterbrechereinheiten des elektrischen Schaltgeräts spannungsmäßig nahezu gleich belastet. Diese Steuerkondensatoren führen bei einer anliegenden Wechselspannung zu einer fast vollständigen galvanischen Trennung der einzelnen Unterbrechereinheiten im ausgeschalteten Zustand und werden daher in Hochspannungsleistungsschaltern standardmäßig eingesetzt.

Die Verwendung von Steuerkondensatoren in elektrischen Schaltgeräten stellt jedoch einen erheblichen Kostenfaktor dar. Weiterhin erzeugen die zusätzlichen Steuerkondensatoren innerhalb der Unterbrechereinheiten mechanische Belastungen, die insbesondere bei auftretenden starken Schwingungen wie bei einem Erbeben oder einem Sturm, zur Zerstörung des elektrischen Schaltgeräts führen können. Außerdem können im Netzbetrieb im Zusammenwirken der Kapazitäten mit weiter vorhandenen Induktivitäten im Spannungsnetz, z.B. Transformatoren oder Drosseln, schädliche Resonanzen der Spannungsamplituden innerhalb des elektrischen Schaltgeräts oder sogar innerhalb des gesamten elektrischen Versorgungsnetzes entstehen.

Das Dokument DE 199 58 646 C2 offenbart einen Hybridleistungsschalter mit einer als Löschkammer ausgeführten Vakuumschaltkammer mit einer leitfähigen Beschichtung. Eine zweite vorgesehen Schaltkammer enthält keine leitfähige Beschichtung. Der Arbeitsbereich des durch die leitfähige Beschichtung erzeugten elektrischen Widerstandes des Hybridleistungsschalters liegt unter 500 kΩ. Mit der Beschichtung in dem Hybridleistungsschalter wird eine Ungleichsteuerung des elektrischen Spannungspotentials über zwei verschiedenartige Schaltkammern zu dem Zweck angestrebt, dass beim Ausschaltvorgang ein Rückzünden des elektrischen Schalters vermieden wird.

Des Weiteren ist in Ullrich, H., „Aging and Characterization of Semiconducting Glazes", Göteborg, Sweden, Chalmers University of Technologogy, School of Electrical and Computer Engineering, May 2004, ISBN 91-7291-432-7 eine leitfähige Glasur vorgeschlagen, z.B. eine Glasur mit SnO/Sb_xO_y-Zusätzen, um die Steuerung eines elektrischen Spannungspotentials an Porzellan-Isolatoren vorzunehmen. In der oben genannten Schrift ist die Glasur ausschließlich für das Ausbringen dieser Glasur auf der Außenseite eines isolierenden Porzellankörpers offenbart.

Des Weiteren ist im Dokument IPCOM000125205D auf der Internetseite „www.ip.com" ein Kunststoffverbund-Isolator mit integrierter Kapazität beschrieben. Auf die Innenwand einer Schaltkammer eines Leistungsschalters wird ein Kondensator mittels einer ersten Beschichtung, einer nachfolgenden Aufbringung einer Isolationsmatrix und einer anschließenden Aufbringung einer zweiten Kondensatorfolie mit einer abschließenden Kunststoffmatrix als Isolations- und Verstärkungsmaterial aufgetragen. Weitere nicht-kapazitive elektrische Bau teile als verwendete Spannungsteiler sind in dem oben genannten Dokument nicht offenbart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die oben ausgeführten Nachteile im Stand der Technik zu vermeiden und ein elektrisches Schaltgerät zur Verfügung zu stellen, der kostengünstig zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass parallel zur elektrischen Schalterstelle ein nicht-kapazitives, resistiv- und/oder induktiv-wirkendes elektrisches Bauteil zur vergleichmäßigten Spannungsverteilung über das elektrische Schaltgerät geschaltet ist. Trotz der Verwendung gerade keines Steuerkondensators und einer damit verbundenen elektrischen Kapazität parallel zur elektrischen Schalterstelle innerhalb der Unterbrechereinheit wird eine Spannungsgleichverteilung über dem elektrischen Schaltgerät erreicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das elektrische Schaltgerät mindestens zwei Unterbrechereinheiten aufweist, wobei jeweils parallel zu jeder elektrischen Schalterstelle ein resistiv- und/oder induktiv-wirkendes elektrisches Bauteil parallel geschaltet ist. Hierdurch wird nicht nur eine Spannungsvergleichmäßigung über eine Unterbrechereinheit gewährleistet, sondern auch eine Spannungsvergleichmäßigung über zwei Unterbrechereinheiten und damit über dem elektrischen Schaltgerät erreicht.

Dabei kann das resistiv- und/oder induktiv-wirkende elektrische Bauteil auch als eine Kombination aus einem Widerstand und einem induktiv-wirkenden elektrischen Bauteil zusammen geschaltet sein und parallel zur elektrischen Schalterstelle zur Spannungsteilung verwendet werden. Die vorgenannten Beispiele für diese offenbarten nicht-kapazitiven elektrischen Bauteile sind nicht einschränkend zu verstehen und umfassen daher auch Überspannungsableiter.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Unterbrechereinheit eine Schaltkammer mit einer Schalterstelle, wobei die Schaltkammer eine schwach leitfähige Beschichtung aufweist. Diese Beschichtung wirkt als elektrischer Widerstand, der parallel zum innerhalb der Schaltkammer angeordneten elektrischen Schalterstelle angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die leitfähige Beschichtung an den Innenwänden der Schaltkammer angebracht. Die leitfähige Beschichtung enthält leitfähige Lacke, leitfähige Kunststoffe, wie z.B. mit Leitfähigkeitsruß gefüllt Kunststoffe oder intrinsisch leitfähige Kunststoffe, wie z.B. dotiertes Polyacethylen oder Polypyrrpol. Ebenfalls kann die leitfähige Beschichtung leitfähige Glasuren enthalten, wie z.B. Glasuren mit SnO/Sb_xO_y-Zusätzen. Die leitfähige Beschichtung wird vorteilhafterweise von innen auf die Innenwände der Schaltkammer aufgetragen, insbesondere aufgestrichen und/oder aufgespritzt und/oder mittels eines Tauchverfahrens aufgebracht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein isolierender Stützer zur Halterung von mindestens einer Unterbrechereinheit genutzt, wobei der Stützer von innen ebenfalls mit einer leitfähigen Beschichtung beschichtet ist. Die benachbarten Unterbrechereinheiten können jedweden Winkel zu einander einnehmen. Die entstehende Verlustwärme durch den Stromfluss durch die Beschichtung des Stützers kann zu einer gewollten Erwärmung des gesamten elektrischen Schaltgeräts genutzt werden, um z.B. eine Verflüssigung von SF₆-Gas bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.

Der Widerstandswert des parallel zur elektrischen Schalterstelle geschalteten Widerstandes R_S sollte so gewählt werden, dass der Widerstandswert des parallel zur elektrischen Schalterstelle geschalteten resistiv- und/oder induktiv-wirkenden elektrischen Bauteils gemäß nachfolgender Formel für ein elektrisches Schaltgerät mit mindestens einer ersten und einer benachbarten zweiten Unterbrechereinheit bei Wechselspannung so gewählt wird, dass der Quotient der an der ersten Unterbrechereinheit anliegenden Spannung U bezogen auf die an der ersten und zweiten Unterbrechereinheiten anliegenden Gesamtspannung U_GES ungefähr den Wert 0,5 ergibt:

Der Parameter C_K steht für die elektrische Kapazität der ersten Unterbrechereinheit bei geöffneter Schalterstelle und C_E steht für die elektrische Kapazität der ersten und zweiten Unterbrechereinheit gegenüber der elektrischen Erdung. Die Widerstände in beiden Schaltkammern sind für diesen Fall gleich und so gewählt, dass über jede Schaltkammer ungefähr 50 % der anliegenden Gesamtspannung U_GES über die jeweilige Unterbrechereinheit abfällt.

Bei einem elektrischen Schaltgerät mit mehr als zwei Unterbrechereinheiten ist die als erste Unterbrechereinheit bezeichnete Unterbrechereinheit immer in Bezug auf die anschließende, benachbarte zweite Unterbrechereinheit anzusehen. Die an diesen beiden Unterbrechereinheiten anliegende Spannung ist als anliegende Gesamtspannung U_GES zugrunde zu legen. Für z.B. ein elektrisches Schaltgerät mit vier Unterbrechereinheiten ist in einem ersten Schritt der Widerstand R_S für die erste und zweite Unterbrechereinheit zu berechnen.

Anschließend wird in einem zweiten Schritt die vormals zweite Unterbrechereinheit als erste Unterbrechereinheit definiert und die dritte Unterbrechereinheit als zweite Unterbrechereinheit zugrunde gelegt. Die Spannung U_GES ist in diesem Fall die an der zweiten und dritten Unterbrechereinheit anliegenden Spannung.

Im Falle der Verwendung eines nicht-resitiven wirkenden elektrischen Bauteils ist der Blindwiderstand des induktivwirkenden elektrischen Bauteils als zu berechnender Widerstandswert R_S analog zur obigen Formel zugrunde zu legen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das elektrische Schaltgerät ein Leistungsschalter, insbesondere für Hochspannungsanlagen.

Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße elektrische Schaltgerät in einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz, insbesondere für Hochspannungen, verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht des elektrischen Schaltgeräts mit zwei Unterbrechereinheiten sowie dem elektrischen Ersatzschaltbild;
2 schematische Seitenansicht einer Unterbrechereinheit mit innen angeordneter leitfähiger Beschichtung der Schaltkammer;
3 Darstellung Spannungsabfall an einer Unterbrechereinheit bezogen auf einen verwendeten Steuerwiderstand R_S pro Unterbrechereinheit für unterschiedliche Kapazitäten der Unterbrechereinheit C_K und der Kapazitäten der Unterbrechereinheiten gegen elektrisch Erde.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht des elektrischen Schaltgeräts 1 mit zwei Unterbrechereinheiten 2a, 2b sowie den elektrischen Ersatzschaltbild. Die Unterbrechereinheiten 2a, 2b des elektrischen Schaltgeräts 1 sind mittels eines Stützers 6 fixiert. Die in den Unterbrechereinheiten 2a, 2b angeordneten Schalterstellen 3 sind in der Figur 1 nicht dargestellt. Die Unterbrechereinheiten 2a, 2b besitzen eine elektrische Kapazität C_e gegenüber der elektrischen Erdung. Wie im Ersatzschaltbild für dieses elektrische Schaltgerät 1 in der Figur 1 entnommen werden kann, ist als Kapazität Ck der Unterbrechereinheit 2a bei geöffneter Schalterstelle 3 die elektrische Kapazität C_k parallel zu einem Widerstand R_S geschaltet. Durch die Verwendung des Widerstandes 4 als parallel zur Kapazität der Unterbrechungseinheit 2a geschalteten resistiv-wirkenden elektrischen Bauteils wird eine Spannungsgleichverteilung über das elektrische Schaltgerät 1 gewährleistet.
In der Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht der Unterbrechereinheit 2a mit innen angeordneter leitfähiger Beschichtung 5 der Schaltkammer 7 sichtbar. Die leitfähige Beschichtung 5 dient als resitiv-wirkendes elektrisches Bauteil 4 parallel zur in der Schaltkammer 7 angeordneten elektrischen Schalterstelle 3 (nicht eingezeichnet).
In der Figur 3 ist der Spannungsabfall an einer Unterbrechereinheit bezogen auf einen verwendeten Steuerwiderstand R_S pro Unterbrechereinheit für unterschiedliche elektrische Kapazitäten aufgetragen. Aus der Figur 3 ist ersichtlich, dass bei einer Kapazität der Unterbrechereinheit 2a bei geöffneter Schalterstelle 3 für eine elektrische Kapazität Ck von 20 pF bis 50 pF und angenommenen Kapazitäten der Unterbrechereinheit 2a bezogen auf die elektrische Erdung von 20 pF bis 50 pF ein unterschiedlicher Verlauf der Quotienten der über die erste Unterbrechereinheit 2a anliegenden Spannung U bezogen auf die über die beiden Unterbrechereinheiten 2a, 2b anliegende Gesamtspannung U_ges vorliegt. In einem Wertebereich von 1.000 kΩ bis ungefähr 10.000 kΩ des Widerstandswerts R_S der ersten und zweiten Unterbrechereinheit 2a, 2b ist der Widerstandswert R_S so optimal gewählt, dass an den beiden Unterbrechereinheiten 2a, 2b eine nahezu gleiche Spannung anliegt. Mit den vorgenannten Kapazitäten ist eine Gleichverteilung der anliegenden Gesamtspannung über beide Unterbrechereinheiten 2a, 2b gewährleistet.

Claims

Elektrisches Schaltgerät (1), mit mindestens einer Unterbrechereinheit (2a), wobei die Unterbrechereinheit (2a) eine elektrische Schalterstelle (3) aufweist und die Unterbrechereinheit (2) eine elektrische Kapazität C_E gegenüber der elektrischen Erdung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur elektrischen Schalterstelle (3) ein resistiv- und/oder induktiv-wirkendes elektrisches Bauteil (4) zur vergleichmäßigten Spannungsverteilung über das elektrische Schaltgerät (1) geschaltet ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Schaltgerät (1) mehrere Unterbrechereinheiten (2a, 2b) aufweist, wobei jeweils ein als resistiv- und/oder induktiv-wirkendes elektrisches Bauteil (4) mit jeweils einem der elektrischen Schalterstellen (3) einer Unterbrechereinheit (2a) parallel geschaltet ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechereinheit (2a) eine schwach leitfähige Beschichtung (5) aufweist, wobei die leitfähige Beschichtung (5) als elektrischer Widerstand (4) wirkt.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (5) an der Innenwand einer Schaltkammer (7) der Unterbrechereinheit (2a) angebracht ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (5) leitfähige Lacke, leitfähige Kunststoffe und/oder leitfähige Glasuren enthält.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung (5) auf die Innenwand der Schaltkammer (7) aufgestrichen und/oder aufgespritzt und/oder mittels eines Tauchverfahrens aufgebracht ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein isolierender Stützer (6) zur Halterung mindestens einer Unterbrechereinheit (2a) dient, wobei der isolierende Stützer (6) mit einer leitfähigen Beschichtung (5) beschichtet ist.
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch geknnzeichnet, dass der Widerstandswert R_S des parallel zur elektrischen Schalterstelle geschalteten resistiv- und/oder induktiv-wirkendes elektrisches Bauteil (4) gemäß nachfolgender Formel für ein elektrisches Schaltgerät (1) mit mindestens einer ersten (2a) und einer benachbarten zweiten Unterbrechereinheit (2b) bei Wechselspannung so gewählt wird, dass der Quotient der an der ersten Unterbrechereinheit (2a) anliegenden Spannung U bezogen auf die an der ersten und zweiten Unterbrechereinheiten (2a, 2b) anliegenden Gesamtspannung U_GES ungefähr den Wert 0,5 ergibt, mit C_K als elektrischer Kapazität der ersten Unterbrechereinheit (2a) bei geöffneter Schalterstelle (3) und C_E als elektrische Kapazität der ersten und zweiten Unterbrechereinheit (2a, 2b) gegenüber der elektrischen Erdung:
Elektrisches Schaltgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Schaltgerät (1) ein Leistungsschalter ist.
Verwendung eines elektrischen Schaltgeräts (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Gleich- oder Wechselspannungsnetz, insbesondere für Hochspannungen.