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Quellenumschaltsystem und -verfahren - Dokument DE69935060T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69935060T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001014534
Titel Quellenumschaltsystem und -verfahren
Anmelder S & C Electric Co., Chicago, Ill., US
Erfinder O'Leary, Raymond P., Evanston, Illinois 60201, US;
Tobin, Thomas J., Northbrook, Illinois 60062, US
Vertreter Haseltine Lake Partners GbR, 80333 München
DE-Aktenzeichen 69935060
Vertragsstaaten BE, CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 20.12.1999
EP-Aktenzeichen 993102706
EP-Offenlegungsdatum 28.06.2000
EP date of grant 07.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H02J 9/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Quellentransfer-Umschaltsysteme und insbesondere eine Hochgeschwindigkeits-Steueranordnung und Hochgeschwindigkeitsschalter zum Steuern der Übergabe einer Last von einer Quelle an eine andere Quelle mit der geringstmöglichen Übergabeverzögerung.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Quellentransfersysteme für elektrische Energieverteilsysteme bieten die Energieversorgung einer Last, indem sie die Versorgung der Last von einer ersten Quelle auf eine zweite unabhängige Quelle übertragen, falls in der ersten Quelle unerwünschte Merkmale festgestellt werden. In einer Bauart von Quellentransfersystemen werden relativ langsame Steuersysteme und mechanische Schalter verwendet, die zwischen etwa zehn und einigen hundert Zyklen der Quellenfrequenz benötigen, um die Last zwischen zwei Quellen zu übertragen. Diese Systeme sind so aufgebaut, dass sie im "Break-before-make-Betrieb" laufen, d. h., dass der Strom von einer Quelle zur Last unterbrochen wird, bevor die zweite Quelle verbunden wird. Eine andere Art von Quellentransfersystem, die in den US-Patenten 5,070,252 und 3,936,782 erläutert ist, wird im "Make-before-break-Modus" betrieben, um eine Last zwischen zwei Quellen zu übertragen, indem die Quellen kurzzeitig parallel geschaltet werden, wenn die Quelle jeweils einspeisefähig ist.

In einer andere Art von Quellentransfersystem, die als "FasTran 25" bezeichnet wird, werden Hochgeschwindigkeits-Vakuumschalter eingesetzt, die elektromagnetisch betätigt werden. Für das System "FasTran 25" wird angegeben, dass es die Übertragung in ungefähr 24 Millisekunden bewältigt. Es ist beschrieben in der Veröffentlichung DB770-512, August 1998, erhältlich von der Joslyn Hi-Voltage Corp. in Cleveland, Ohio.

In noch einer anderen Art von Quellentransfersystem werden üblicherweise Festkörperschalter verwendet, die man auch als statische Transferschalter charakterisieren kann. Die Steueranordnungen tasten die Spannungskurven für jede Quelle ab, um festzustellen, wann eine Übertragung zwischen Quellen erforderlich ist, d. h., sie erfassen Ausfälle und kurzzeitige Unterbrechungen sowie Spannungseinbrüche und Überspannungen abhängig davon, ob die Quelle, die die Last speist, vorbestimmte Pegel unter- oder überschreitet. Siehe hierzu beispielsweise die US-Patente 5,808,378 und 5,644,175.

Weitere Beispiele für herkömmliche Umschaltsysteme sind EP0771059, US-5,070,252, US-5,770,897 und "High-speed transfer systems in flue gas desulphuration plants", Brown-Boveri Review, vol. 74, no. 6, Juni 1987, Baden, Switzerland. EP0771059 bewirkt den Übergang mit einer herkömmlichen offenen Übertragung mit einer Verzögerungszeit. Dagegen wird in der Brown-Boveri Review ein Spannungsvergleich zum Ausführen eines Kurzzeit-Übergangs verwendet.

Diese Anordnungen können nützlich sein und im Allgemeinen für die beabsichtigten Zwecke zufrieden stellen. Transfersysteme herkömmlicher Art erfordern jedoch teuere Festkörperschalter oder fügen Verzögerungszeiten beim Übergang ein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher die Hauptaufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem bereitzustellen, in dem eine Hochgeschwindigkeitsanordnung und Hochgeschwindigkeitsschalter dazu verwendet werden, die Übertragung einer Last von einer Quelle zu einer anderen mit geringstmöglichen Übertragungsverzögerungen zu steuern.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem bereitzustellen, das keinerlei beabsichtigte Verzögerung einführt, nachdem eine Übertragungsentscheidung getroffen ist und bevor die Last durch das Öffnen eines Schalters und das Schließen eines zweiten Schalters von einer Quelle zur anderen übertragen wird.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Quellentransfer-Umschaltsystem bereitzustellen, das einen Transfer zwischen Quellen über einen "offenen" Übergang im Modus Break-before-make bewirkt, falls ernsthafte Störungen einer ersten Kategorie erkannt werden, und das einen Transfer über einen "geschlossenen" Übergang bewirkt, der einen Make-before-break-Zustand mit sich bringen kann, falls weniger gravierende Störungen einer zweiten Kategorie erkannt werden.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Quellentransfersystem der Bauart bereitgestellt, bei der ein gemeinsamer Lastanschluss von einer von zwei Quellen gespeist wird, wobei das System umfasst:

zwei Schalter, wobei jeder der beiden Schalter einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand hat und so geschaltet ist, dass der gemeinsame Lastanschluss über eine entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und

eine Steuervorrichtung, die die beiden Schalter betätigt, indem sie auf vorbestimmte Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden Schalter und das Schließen des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine beabsichtigte Verzögerung nach dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein Parallelbetrieb der beiden Quellen vorkommen kann,

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung den Transfer zwischen den beiden Quellen steuert, indem sie zuerst einen der Schalter öffnet und anschließend den zweiten Schalter schließt, wenn ernsthafte Störungen erkannt werden, beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und dass sie den Transfer zwischen den beiden Quellen über das Betätigen der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung steuert, wenn weniger gravierende Störungen erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Transfer einer Last in einem Quellentransfersystem der Bauart bereitgestellt, bei der ein gemeinsamer Lastanschluss von einer von zwei Quellen gespeist wird, wobei das System umfasst:

zwei Schalter, wobei jeder der beiden Schalter einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand hat und so geschaltet ist, dass der gemeinsame Lastanschluss über eine entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und

eine Steuervorrichtung, die die beiden Schalter betätigt, indem sie auf vorbestimmte Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden Schalter und das Schließen des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine Verzögerung nach dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein beabsichtigter Parallelbetrieb der beiden Quellen vorkommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:

das Steuern des Transfers zwischen den beiden Quellen, indem zuerst einer der beiden Schalter geöffnet wird und anschließend der andere Schalter geschlossen wird, wenn ernsthafte Störungen erkannt werden, beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und das Steuern des Transfers zwischen den beiden Quellen über das Betätigen der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung, wenn weniger gravierende Störungen erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Man versteht die Erfindung sowohl hinsichtlich ihres Aufbaus als auch ihrer Wirkungsweise gemeinsam mit weiteren Aufgaben und Vorteilen am besten anhand der Beschreibung zusammen mit der beiliegenden Zeichnung.

Es zeigt:

1 eine Blockdiagrammdarstellung eines Quellentransfer-Umschaltsystems gemäß der Erfindung; und

2 eine Blockdiagrammdarstellung einer weiteren üblichen Schaltungsanordnung, für die sich das Quellentransfer-Umschaltsystem der Erfindung eignet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Ein Quellentransfer-Umschaltsystem 10 (im Weiteren mit System 10 bezeichnet), siehe 1, enthält eine Controllerstufe 12 und Schalter 20, 22 (in 1 mit S1 bzw. S2 bezeichnet). Das System 10 versorgt eine Last bei 14 mit einem Wechselstrom, der entweder aus einer ersten Wechselstromquelle 16 oder einer zweiten Wechselstromquelle 18 stammt. Die erste Wechselstromquelle 16 und die zweite Wechselstromquelle 18 und die Last bei 14, die in einem elektrischen Energieverteilungssystem bereitgestellt sind, sind in der Regel mehrphasige Schaltungen, die in 1 durch eine Skizze mit einfachen Linien dargestellt sind. Das System 10 steuert über die Controllerstufe 12 entweder den Schalter 20, S1 so, dass die Last bei 14 über die erste Quelle 16 gespeist wird, oder so, dass der Schalter 22, S2 die Last bei 14 über die zweite Quelle 18 speist. In einem erläuternden Beispiel sind die Schalter 20, 22 Vakuumunterbrecher. Man kann die Controllerstufe 12 auch als Transferkontrollanordnung bezeichnen.

Die Controllerstufe 12 tastet die Spannungskurven einer jeden Quelle 16, 18 ab, beispielsweise über zugeordnete Fühleingänge bei 24, 26, um festzustellen, wann eine Übertragung zwischen den Quellen erwünscht ist, d. h. um Ausfälle und kurzzeitige Unterbrechungen ebenso festzustellen wie Spannungseinbrüche und Überspannungen, und zwar abhängig davon, ob die die Last speisende Quelle voreingestellte Pegel über- oder unterschreitet. Die Controllerstufe 12 liefert geeignete Schalterbetätigungssignale bei 28, 30, die jeweils den Betrieb eines jeden Schalters S1 und S2 kontrollieren, damit der Transfer mit geringstmöglichen Verzögerungen erfolgt. Es sei beispielsweise angenommen, dass die Controllerstufe 12 über Signale an 28 S1 geschlossen hat, damit die Last bei 14 versorgt wird. Stellt die Controllerstufe 12 über den Fühleingang 24 fest, dass die Spannung der ersten Quelle bei 16 unerwünschte Eigenschaften zeigt, so öffnet die Controllerstufe 12 über die Steuersignale bei 28, 30 S1, und sie schließt S2, damit die Versorgung der Last bei 14 von der ersten Quelle bei 16 auf die zweite Quelle bei 18 übergeht. Der Begriff "zuzuschaltend" wird hier so gebraucht, dass er den Schalter bezeichnet, der geschlossen wird, damit die Last von der zugehörigen Quelle gespeist wird (z. B. der zweiten Quelle bei 18 und S2 im erläuternden Beispiel). Der Begriff "abzuschaltend" wird so gebraucht, dass er den Schalter bezeichnet, der geöffnet wird, um den Strom von der zugehörigen Quelle zu unterbrechen (z. B. der ersten Quelle bei 16 und S1 im erläuternden Beispiel).

In einer bevorzugten Ausführungsform und gemäß wichtiger Aspekte der Erfindung öffnet die Controllerstufe 12 nach erfolgter Transferentscheidung den geschlossenen Schalter und schließt den geöffneten Schalter ohne irgendeine beabsichtigte Verzögerung. Dabei kann der zuzuschaltende Schalter geschlossen werden, bevor der Strom durch den abzuschaltenden Schalter unterbrochen wird, wodurch die Quellen 16 und 18 kurzzeitig parallel geschaltet sind. Da jedoch die Schalterbetätigungszeiten sehr kurz sind, beispielsweise weniger als 1–2 Zyklen der Quellen-Wechselfrequenz (z. B. 50–60 Hz), stellt dies kein Problem dar, da das übergeordnete Kontrollverfahren in der Regel die Quellen unverbunden hält und unerwünscht kreisende Ströme beseitigt. Für Ausführungsformen, in denen eine kurzzeitige Parallelschaltung auftreten kann, sind die Schalter S1 und S2 Fehlerunterbrecher und besitzen Fehlerunterbrechungsfähigkeiten.

Das Verbinden der beiden Quellen ist nicht immer vorteilhaft, falls der Einbruch sehr tief ist, d. h. nahe an einer verschwindenden Spannung. Durch die Auswirkung der zuzuschaltenden Quelle ist das kurzzeitige Parallelschalten hinnehmbar, um minimale Übergangsverzögerungen zu erhalten, da die Gesamtgeschwindigkeit, mit der das System in den fehlerfreien Zustand zurückkehrt, so erwünscht ist, wie es durch die Parameter und Richtlinien von ITIC (früher: CBEMA) definiert ist. Zudem ist für kleine oder mittlere Einbrüche das Verbinden der beiden Quellen tatsächlich vorteilhaft, da der Einbruch auf der abzuschaltenden Quelle von der zuzuschaltenden Quelle sofort in einem gewissen Grad aufgefüllt wird. Ist beispielsweise die Quellenimpedanz der zuzuschaltenden Quelle ungefähr gleich der Impedanz zwischen dem System 10 und dem Fehler auf der abzuschaltenden Quelle, so wird der Einbruch während der Periode, in der die Quellen miteinander verbunden sind, ungefähr um die Hälfte verringert. In der Tat verhält sich dann das System 10 ähnlich wie Systeme, die für den Betrieb mit den beiden normalerweise verbundenen Quellen zugelassen sind. Damit kann das Gesamttransferprofil des Systems 10 das System in weniger als 1–2 Zyklen der Quellen-Wechselfrequenz (z. B. 50–60 Hz) in den fehlerfreien Betrieb zurückführen.

In einer anderen Ausführungsform, in der der abzuschaltende Schalter zum Öffnen betätigt wird bevor der zuzuschaltende Schalter zum Schließen ausgelöst wird, so dass der Strom im abzuschaltenden Schalter unterbrochen wird, bevor der zuzuschaltende Schalter geschlossen wird, beträgt die Gesamttransferzeit in der Regel immer noch weniger als vier Zyklen.

In noch einer weiteren Ausführungsform nimmt das System 10 die Übertragung zwischen Quellen über einen "offenen" Übergang im Modus Break-before-make vor, falls ernsthafte Störungen einer ersten Kategorie erkannt werden, und es nimmt die Übertragung über einen "geschlossenen" Übergang vor, der Make-before-break-Zustände mit sich bringen kann, falls weniger gravierende Störungen einer zweiten Kategorie erkannt werden.

Es werden nun weitere Schaltungsanordnungen betrachtet, für die sich die Erfindung eignet. Hierzu wird zusätzlich 2 betrachtet. Ein Controller 112 eines Quellentransfer-Umschaltsystems 110 steuert drei Schalter S1, 120, S2, 122 und S3 121 über entsprechende Steuersignalpfade 128, 130 und 132. Die besondere erklärende Schaltungsanordnung in 2 implementiert ein Primärwahlsystem mit getrennten Schienen, das dazu verwendet wird, die Last im Normalbetrieb zu trennen. Im Einzelnen beliefert im Normalbetrieb eine erste Quelle 16 eine erste Lastschaltung 114 über S1, und eine zweite Quelle 18 speist eine zweite Lastschaltung 116 über S2. S3 ist normalerweise geöffnet und wirkt als Schienenverbindungsschalter. Somit stellt jede Quelle 16, 18 eine bevorzugte Quelle für ihre zugehörige Lastschaltung 114, 116 dar, und sie stellt eine alternative Quelle für die jeweils andere Lastschaltung 116, 114 dar. Geht eine der Quellen 16, 18 verloren oder zeigt unerwünschte Merkmale, so öffnet der Controller 112 gemäß den diversen oben beschriebenen Steuerungsausführungsformen einen der Schalter S1, S2 und schließt den Schalter S3, damit die Lastschaltungen 114, 116 aus einer der Quellen bei 16 oder 18 gespeist werden. Geht beispielsweise die Quelle 16 verloren, so wird S1, 120 geöffnet und S3, 121, der Schienenverbindungsschalter, wird geschlossen, damit die Lastschaltung 114 gespeist wird. Dabei bleibt S2, 122 geschlossen und speist weiterhin die Lastschaltung 116.

Es sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erläutert und beschrieben. Für Fachleute sind jedoch verschiedene Änderungen und Abwandlungen offenkundig. Es ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle diese Änderungen und Abwandlungen abdecken, so dass sie in den Bereich der Erfindung fallen.


Anspruch[de]
Quellentransfersystem (10) der Bauart, bei der ein gemeinsamer Lastanschluss (14) von einer von zwei Quellen (16, 18) gespeist wird, wobei das System umfasst:

zwei Schalter (20, 22), wobei jeder der beiden Schalter einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand hat und so geschaltet ist, dass der gemeinsame Lastanschluss (14) über eine entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und

eine Steuervorrichtung (12), die die beiden Schalter (20, 22) betätigt, indem sie auf vorbestimmte Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden Schalter und das Schließen des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine beabsichtigte Verzögerung nach dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein Parallelbetrieb der beiden Quellen vorkommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (12) den Transfer zwischen den beiden Quellen steuert, indem sie zuerst einen der Schalter öffnet und anschließend den zweiten Schalter schließt, wenn ernsthafte Störungen erkannt werden, beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und dass sie den Transfer zwischen den beiden Quellen über das Betätigen der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung steuert, wenn weniger gravierende Störungen erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.
Verfahren zum Transfer einer Last in einem Quellentransfersystem (10) der Bauart, bei der ein gemeinsamer Lastanschluss (14) von einer von zwei Quellen (16, 18) gespeist wird, wobei das System umfasst:

zwei Schalter (20, 22), wobei jeder der beiden Schalter einen offenen und einen geschlossenen Betriebszustand hat und so geschaltet ist, dass der gemeinsame Lastanschluss (14) über eine entsprechende Quelle der zwei Quellen gespeist wird; und

eine Steuervorrichtung (12), die die beiden Schalter (20, 22) betätigt, indem sie auf vorbestimmte Transferbedingungen anspricht und das Öffnen eines ersten der beiden Schalter und das Schließen des zweiten Schalters vornimmt, ohne dass irgendeine beabsichtigte Verzögerung nach dem Erkennen einer Transferbedingung eingeführt wird, so dass ein Parallelbetrieb der beiden Quellen vorkommen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst:

das Steuern des Transfers zwischen den beiden Quellen, indem zuerst einer der beiden Schalter geöffnet wird und anschließend der andere Schalter geschlossen wird, wenn ernsthafte Störungen erkannt werden, beispielsweise sehr tiefe Spannungseinbrüche, und das Steuern des Transfers zwischen den beiden Quellen über das Betätigen der Schalter ohne eine beabsichtigte Verzögerung, wenn weniger gravierende Störungen erkannt werden, beispielsweise geringe oder moderate Spannungseinbrüche.






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