Mittel- oder Hochspannungs-Schalter und dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft einen Mittel- oder Hochspannungs- Schalter, insbesondere Freiluft-Mittel- oder Hochspannungs- Schalter, mit (i) einer Schaltstrecke, in der zwei Schaltvor richtungen seriell verschaltet sind, (ii) einem Getriebe,

(iii) einem Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtun gen über das Getriebe, und (iv) einem Antrieb zum Antreiben des Schaltelements.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines derar tigen Mittel- oder Hochspannungs-Schalters.

Ein Mittel- oder Hochspannungs-Schalter der eingangs erwähn ten Art ist aus der Druckschrift DE 10 2016 202 764 Al be kannt, wo er als Leistungsschalter bezeichnet wird. Die Druckschrift zeigt einen Freiluft- Hochspannungs-Schalter, mit einer Schaltstrecke, die zwei seriell verschaltete

Schaltkammern mit je einer Schaltvorrichtung umfasst, mit ei nem Getriebe, mit einer Schaltstange als Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, sowie mit einem Antrieb zum Antreiben der Schaltstange . Neben die ser Schaltstrecke weist der in dieser Druckschrift diskutier te Hochspannungs-Schalter weiterhin eine auf gleiche Weise angesteuerte weitere Schaltstrecke auf.

Im Mittel- oder Hochspannungsbereich gibt es diverse Anwen dungen für Schaltstrecken mit zwei seriell verschalteten Schaltvorrichtungen. Eine davon ist eine Gleichstrom- Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mit tel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms. Die Druckschrift DE 10 2013 213 602 Al zeigt eine solche Gleichstrom-Schalteinrichtung.

Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die sich neue Einsatzmöglichkeiten für einen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter, insbesondere im Zusammenhang mit ei ner Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines elektrischen Gleichstroms, ergeben.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unab hängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Mittel- oder Hochspannungs-Schal ter, insbesondere Freiluft-Mittel- oder Hochspannungs-Schal ter, mit einer Schaltstrecke, in der zwei Schaltvorrichtungen seriell verschaltet sind, mit einem Getriebe, mit einem

Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, und mit einem Antrieb zum Antreiben des Schaltele ments, ist vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Schaltelement beim Ansteuern der Schaltvorrich tungen für einen Schaltprozess des Mittel- oder Hochspan nungs-Schalters immer eine der beiden Schaltvorrichtungen zum Öffnen und die jeweils andere zum Schließen ansteuert.

Eine mögliche Verwendung für einen derartigen Mittel- oder Hochspannungs-Schalter ist die Verwendung in einer Gleich- strom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektri schen Gleichstroms, mit einer in diesem Strompfad verschalt baren ersten Schalteinheit, mit einem Schaltungsmodul zum Er zwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schaltein heit und mit einer zweiten Schalteinheit zum Zuschalten der Gleichstrom-Schalteinrichtung oder zumindest des Schaltungs moduls in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad, wobei die erste Schaltvorrichtung des vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters die erste Schalteinheit und dessen zweite Schaltvorrichtung die zweite Schalteinheit bildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vor gesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung vor dem Öffnen der ersten der Schaltvor- richtungen bewirkt. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleichstrom-Schalteinrichtung gibt es für diese Schalt reihenfolge Bedarf.

Alternativ ist -ebenfalls bevorzugt- vorgesehen, dass das Ge triebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der

Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrich tung nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen be wirkt. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleich- strom-Schalteinrichtung gibt es auch für diese Schaltreihen folge Bedarf.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Getriebe derart ausgestaltet ist, dass das Ansteuern der Schaltvorrichtungen ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung wahlweise vor o- der nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen be wirkt .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die erste der Schaltvorrichtungen als Kommutierungsschal ter und die zweite der Schaltvorrichtungen als Trennschalter ausgebildet. Im Rahmen der beschriebenen Anwendung in der Gleichstrom-Schalteinrichtung haben die Schaltvorrichtungen in der Regel genau diese Funktion. Näheres ist beispielsweise der technischen Broschüre TB 683 2017 A3/B4-34 "Technical re- quirements and specifications of state-of-the-art HVDC

Switching equipment" des CIGRE (CIGRE: Conseil International des Grands Reseaux Electriques) zu entnehmen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schaltstrecke zwei seriell verschaltete Schaltkammern, insbesondere Vakuum-Schaltkam- mern, aufweist, wobei in jeder der Schaltkammern je eine der Schaltvorrichtungen angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung der Schaltstrecke hat sich bewährt und ist beispielsweise aus der eingangs erwähnten Druckschrift DE 10 2016 202 764 Al be kannt . Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Mittel- oder Hochspannungs-Schalter weiterhin einen elektrischen Anschluss für eine Spannungszuführung zur Schaltstrecke zwischen den beiden Schaltvorrichtungen, insbesondere zwischen den beiden Schaltkammern, aufweist.

Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung eines vorste hend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters in einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des vorste hend genannten Mittel- oder Hochspannungs-Schalters in einer Gleichstrom-Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleichstroms 10.

Schließlich betrifft die Erfindung eine Gleichstrom-Schalt einrichtung zum Unterbrechen eines entlang eines Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades fließenden elektrischen Gleich stroms, mit

einer in diesem Strompfad verschaltbaren ersten Schalt einheit,

einem Schaltungsmodul zum Erzwingen eines Strom-Null durchgangs in der ersten Schalteinheit,

einer zweiten Schalteinheit zum Zuschalten der Gleich- strom-Schalteinrichtung oder zumindest des Schaltungsmoduls in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad, und

einen vorstehend genannten Mittel- oder Hochspannungs- Schalter, dessen erste Schaltvorrichtung die erste Schaltein heit und dessen zweite Schaltvorrichtung die zweite Schalt einheit bildet.

Im Allgemeinen lassen sich Schalteinheiten für diese Mittel oder Hochspannungsanwendung in drei Kategorien einteilen: Halbeiterschalter (z.B. mit GTOs, IGBTs etc.), mechanische Schalteinheiten und hybride Schalteinheiten. Dabei lassen sich mechanische Schalteinheiten für höhere Spannungsebenen (keine Bahnanwendungen mit Löschkammerschaltern oder Schal tern mit Lichtbogenhörnern) in Schalteinheiten mit passiven oder aktiven parallelen Kommutierungspfaden einteilen.

Bei einer ersten Schalteinheit mit einer hohen Lichtbogen brennspannung kann ein passiver Schwingkreis verwendet wer den, da bei geeigneter Auslegung des Kreises durch die nega tive Spannungs-Strom-Kennlinie eines Lichtbogens ein Aufklin gen des Stromes erreicht wird. Im Idealfall kommt es in der mechanischen Schalteinheit zu einem künstlichen Stromnull durchgang, so dass die erste Schalteinheit den Strom unter brechen kann. Bei diesem Schaltprinzip ist jedoch die Zeit bis zu Stromunterbrechung relativ lange.

Durch den Einsatz eines aktiven parallelen Kommutierungspfa des kann die Schaltzeit deutlich verkürzt und die Notwendig keit einer hohen Lichtbogenbrennspannung verhindert werden. Dazu wird typischerweise ein RLC-Schwingkreis mit einem vor geladenen Kondensator als kapazitive Komponente verwendet.

Der Kondensator wird dazu idealerweise negativ in Bezug auf die Strom- und Spannungsrichtung der ersten Schalteinheit aufgeladen. Im Schaltfall wird die erste Schalteinheit geöff net und es entsteht ein Schaltlichtbogen zwischen ihren Kon takten. Hat dieser einen ausreichend großen Isolationsabstand erreicht, um der wiederkehrenden Spannung standzuhalten, so wird nun der RLC-Schwingkreis geschlossen, sodass sich der Kondensator entlädt und ein Strom-Null-Impuls in das mechani sche Schaltgerät eingeprägt wird. Ist nun die Amplitude des Strom-Null-Impulses ausreichend hoch, sodass dies zu einem Stromnulldurchgang in dem mechanischen Schaltgerät führt, dann kann der Strom durch die erste Schalteinheit unterbro chen werden.

Dementsprechend ist insbesondere vorgesehen, dass das Schal tungsmodul zur Bildung einer Schwingkreisschaltung zusammen mit der ersten Schalteinheit zumindest eine induktive Kompo nente und zumindest eine kapazitive Komponente aufweist. Das Schaltungsmodul bzw. dessen Kommutierungspfad umfasst also ein LC-Glied oder ein RLC-Glied. Über diese Schwingkreis schaltung ist dann ein Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit möglich. Mit anderen Worten wer den in einem solchen parallelen Kommutierungspfad typischer weise die Einheiten (Widerstand R, Induktivität L, Kapazität C) für einen RC- beziehungsweise RLC-Schwingkreis verschal tet .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Schalteinheit (i) im Mittel- oder Hochspan nungs-Strompfad mit der ersten Schalteinheit in Serie ge schaltet ist oder (ii) zum wahlweisen Zuschalten des Schal tungsmoduls zur ersten Schalteinheit im Schaltungsmodul, ins besondere im Kommutierungspfad, verschaltet ist.

Bevorzugt weist die Gleichstrom-Schalteinrichtung auch eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen auf. Diese Steuereinrichtung umfasst dann das Getriebe, das

Schaltelement zum Ansteuern der Schaltvorrichtungen über das Getriebe, und den Antrieb zum Antreiben des Schaltelements.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Schalteinrichtung weist diese einen parallel zu der ersten Schalteinheit und zu dem Schaltungsmodul geschal teten Überspannungsableiter auf.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung sche matisch in Zeichnungen gezeigt und nachfolgend näher be schrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit einem Mit tel- oder Hochspannungs-Schalter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine Gleichstrom-Schalteinrichtung mit einem Mit tel- oder Hochspannungs-Schalter gemäß einer zwei ten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 mit einem Mit tel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 und einer Gleichstrom- Schalteinrichtung 14 zum Unterbrechen eines entlang des Mit tel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektri schen Gleichstroms 10. Um den Verlauf des Mittel- oder Hoch spannungs-Strompfades 12 eindeutig darzustellen, sind An fangs- und Endpunkt A, B des dargestellten Teils dieses

Strompfades 12 entsprechend gekennzeichnet.

Die Gleichstrom-Schalteinrichtung 14 weist eine in dem Strom pfad 12 verschaltbare erste Schalteinheit 16 und ein Schal tungsmodul 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der Schalteinheit 16 auf. Die Schalteinheit 16 ist ein mechani sches Schaltgerät, beispielsweise eine Vakuumschaltröhre. Das Schaltungsmodul 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurchgangs in der ersten Schalteinheit 16 bildet zusammen mit dieser Schalteinheit 16 eine Schwingkreisschaltung 20. Dazu ist das Schaltungsmodul 18 als Kommutierungsstrompfad, kurz: Kommu tierungspfad, ausgebildet, der parallel zu der ersten Schalt einheit 16 geschaltet ist. Im Schaltungsmodul 18 bzw. Kommu tierungspfad ist eine Serienschaltung eines resistiven Ele ments 22, eines induktiven Elements 24 und eines kapazitiven Elements 26 verschaltet. Die hier gezeigte Schwingkreisschal tung 20 ist also eine Serien-Schwingkreisschaltung eines RLC- Schwingkreises . Diese gezeigte sehr einfache Ausgestaltung des Schaltungsmoduls 18 zum Erzwingen eines Strom-Nulldurch gangs in der ersten Schalteinheit 16 ist lediglich eine von mehreren bekannten Möglichkeiten zur Ausgestaltung eines sol chen Schaltungsmoduls 18.

Als weitere Komponente weist die Gleichstrom-Schalteinrich- tung 14 eine zweite Schalteinheit 28 sowie einen parallel zu der ersten Schalteinheit 16 und zu dem Kommutierungspfad des Schaltungsmoduls 18 geschalteten Überspannungspfad 30 mit da rin verschaltetem Überspannungsableiter 32 auf. Es ergibt sich eine Parallelschaltung von der ersten Schalteinheit 16 mit dem Kommutierungspfad des Schaltungsmoduls 18 und dem Überspannungspfad 30, die im Mittel- oder Hochspannungs- Strompfad 12 mit der zweiten Schalteinheit 28 in Serie ge schaltet ist. Die zweite Schalteinheit 28 dient dem Zuschal ten des restlichen Teils der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14, also hier der besagten Parallelschaltung von erster

Schalteinheit 16 und Kommutierungs- und Überspannungspfad 18, 30 in den Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12. Wie bei derartigen Gleichstrom-Schalteinrichtungen 14 üblich ist die erste der Schalteinheiten 16 als Kommutierungsschalter und die zweite der Schalteinheiten 28 als Trennschalter ausgebil det .

Der zentrale Teil der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14, der zumindest die beiden Schalteinheiten 16, 28 umfasst, wird nun von einem Mittel- oder Hochspannungs-Schalter 34 bereitge stellt. Dieser ist im Beispiel als Freiluft-Schalter ausge bildet .

Besagter Mittel- oder Hochspannungs-Schalter 34 umfasst eine Schaltstrecke 36 mit einer ersten Schaltkammer 38, die eine erste Schaltvorrichtung 40 beherbergt und mit einer zweiten Schaltkammer 42, die eine zweite Schaltvorrichtung 44 beher bergt. Die beiden Schaltkammern 38 und 42 sind in Reihe ge schaltet und durch Öffnen oder Schließen der Schaltvorrich tungen 40, 44 wird ein Stromfluss über die Schaltstrecke 36 des Hochspannungs-Schalters 34 verhindert oder ermöglicht.

Die Schaltstrecke 36 ist im Mittel- oder Hochspannungs-Strom pfad 12 verschaltet und die erste Schaltvorrichtung 40 bildet nun die erste Schalteinheit 16 der Gleichstrom-Schalteinrich- tung 14 und die zweite Schaltvorrichtung 44 bildet die zweite Schalteinheit 28 der Gleichstrom-Schalteinrichtung 14.

Weiter umfasst der Hochspannungs-Schalter 34 ein Schaltele ment 46, ein Getriebe 48 und einen Antrieb 50. Dieser Teil des Hochspannungs-Schalters 34 dient als eine Art Steuerein heit zur Ansteuerung der Schaltvorrichtungen 40, 44 bzw.

Schaltkammern 38, 42. Der Antrieb 50 treibt das Schaltelement 46 an und dieses öffnet oder schließt über das Getriebe 48 die Schaltvorrichtungen 40, 44 bzw. Schaltkammern 38, 42. Das Schaltelement 46 ist im gezeigten Beispiel als Schaltstange 52 ausgebildet, die von einer Stützersäule 54 beherbergt wird. Der Antrieb 50 ist auf einem stielförmigen Basiselement 56 des Hochspannungs-Schalters 34 angeordnet, während sich unmittelbar oberhalb des Antriebs 50 ein Umlenkgetriebe 58 befindet. Die Stützersäule 54 erstreckt sich vom Antrieb 50 bzw. dem Umlenkgetriebe 58 vertikal bis zum Getriebe 48, durch das die Schaltstrecke 36 quer zur Stützersäule 54 bzw. der darin befindlichen Schaltstange 52 verläuft. Mit anderen Worten verläuft die Schaltstrecke 36 hier also waagerecht.

Die Schaltkammern 38, 42 schließen sich beidseitig an das Ge triebe 48 an. Am Getriebe 48 befindet sich ein elektrischer Anschluss 60, über den der Kommutierungs- und der Überspan nungspfad 18, 30 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 einen (nicht gezeigten) Mittelabgriff an der Schaltstrecke 36 zwi schen den beiden Schaltkammern 38, 42 elektrisch kontaktiert.

Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs- Strompfades 12 (über die Punkte A und B) fließenden elektri schen Gleichstroms 10 müssen die Schalteinheiten 16, 28 bzw. Schaltvorrichtungen 40, 44 in einer an den Aufbau der Gleich- strom-Schalteinrichtung 14 angepassten Schaltreihenfolge öff nen bzw. schließen. Diese Schaltreichenfolge wird vom Getrie be 48 vorgegeben. Dabei ist das Getriebe 48 so ausgestaltet, dass das Schaltelement 46 beim Ansteuern der Schaltvorrich tungen 40, 44 für einen Schaltprozess des Mittel- oder Hoch spannungs-Schalters 34 mittels des Schaltelements 46 in etwa gleichzeitig eine der beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 zum Öffnen und die jeweils andere zum Schließen ansteuert.

Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs- Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms 10 werden die beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 nun so angesteuert, dass ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung 44 vor dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen 40 erfolgt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung 10 mit

Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad 12 und Gleichstrom- Schalteinrichtung 14 zum Unterbrechen eines entlang des

Mittel- oder Hochspannungs-Strompfades 12 fließenden elektri schen Gleichstroms 10 entspricht die Gleichstrom-Schaltein richtung 14 im Wesentlichen der in Fig. 1 gezeigten Gleich- strom-Schalteinrichtung 14, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel verläuft der Mittel oder Hochspannungs-Strompfad 12 „nur" zwischen dem mit dem Mittelabgriff im Getriebe 48 verbundenen Anschluss 60 als Punkt A und dem auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Schaltkammer 38 liegenden Punkt B. Somit ist die erste

Schalteinheit 16 bzw. die erste Schaltvorrichtung 40 unmit telbar in diesem Strompfad verschaltet. Die zweite Schaltein heit 28 bzw. die zweite Schaltvorrichtung 44 ist über eine Parallelschaltung von Kommutierungs- und der Überspannungs pfad 18, 30 parallel zu der ersten Schalteinheit 16 bzw.

erste Schaltvorrichtung 40 geschaltet, sodass diese Parallel schaltung der beiden Pfade 18, 30 über die zweite Schaltein heit bzw. zweite Schaltvorrichtung zuschaltbar ist. Bezüglich der vollständigen Schaltstrecke 36 des Mittel- oder Hochspan nungs-Schalters 34 (mit beiden Schaltkammern 38, 42) sind das den Kommutierungspfad bereitstellende Schaltungsmodul 18 als auch der Überspannungsstrompfad 30 parallelgeschaltet.

Zum Unterbrechen des entlang des Mittel- oder Hochspannungs- Strompfades 12 (über die Punkte A und B) fließenden elektri schen Gleichstroms 10 müssen die Schalteinheiten 16, 28 bzw. Schaltvorrichtungen 40, 44 in einer an den Aufbau der Gleich- strom-Schalteinrichtung 14 angepassten Schaltreihenfolge öff nen bzw. schließen. Diese Schaltreichenfolge wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel vom Getriebe 48 vorgegeben.

Zum Unterbrechen des entlang eines Mittel- oder Hochspan nungs-Strompfades 12 fließenden elektrischen Gleichstroms 10 werden die beiden Schaltvorrichtungen 40, 44 nun so angesteu- ert, dass ein Schließen der zweiten Schaltvorrichtung 44 nach dem Öffnen der ersten der Schaltvorrichtungen 40 erfolgt.

Bezugs _Z eichen :

10 Schaltungsanordnung

12 Mittel- oder Hochspannungs-Strompfad

14 Gleichstrom-Schalteinrichtung

16 Schalteinheit, erste

18 Schaltungsmodul

20 Schwingkreisschaltung

22 Komponente, resistiv

24 Komponente, induktiv

26 Komponente, kapazitiv

28 Schalteinheit, zweite

30 Überspannungsstrompfad

32 Überspannungsableiter

34 Mittel- oder Hochspannungs-Schalter

36 Schaltstrecke

38 erste Schaltkammer

40 erste Schaltvorrichtung

42 zweite Schaltkammer

44 zweite Schaltvorrichtung

46 Schaltelement

48 Getriebe

50 Antrieb

52 Schaltstange

54 Stützersäule

56 stielförmiges Basiselement

58 Umlenkgetriebe

60 Anschluss

10 Gleichstrom

A Punkt

B Punkt