Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterscheiden eines internen Lichtbogens, im allgemeinen mit stärkerer Amplitude als ein Abschaltlichtbogen, von einem Abschaltlichtbogen, die in einem Schaltergehäuse eines abgeschirmten Mittel- bzw. Hochspannungsschaltfeldes auftreten, mit Hilfe der Druckmessung von dielektrischem Gas innerhalb des Schaltergehäuses, wobei das Auftreten eines internen Lichtbogens von einem Schutzsystem erfasst wird, welches in Reaktion darauf dem Leistungsschalter einen Auslösebefehl überträgt, um die Trennung seiner Kontakte zu bewirken, wobei diese Trennung das Auftreten eines Abschaltlichtbogens hervorruft.

Eine solche abgeschirmte Schaltanlage besteht aus mehreren Feldern, die über einen Satz von Sammelschienen parallel verbunden sind und die jeweils in Reihe mit dem Leistungsschalter einen Sammelschienentrennschalter (bzw. Verteilertrennschalter) und einen Leitungsabgang aufweisen. Jede Einrichtung eines Feldes ist in einem mit dielektrischem Druckgas gefüllten dichten Gehäuse eingeschlossen, um eine Potentialdifferenz mit einem das Gehäuse durchsetzenden Leiter aufrecht zu halten. Ein Feld besteht somit aus mehreren Zellen, die aus den Gehäusen der verschiedenen Schaltgeräte gebildet sind.

Ein Lichtbogen, der zwischen dem Gehäuse und dem Leiter einer Zelle des Feldes auftritt, wird als interner Lichtbogen bezeichnet. In bekannter Weise ist ein System zum Schutz der Schaltanlage vorgesehen, um einen solchen Fehler durch eine Messung des die Schaltanlage durchfließenden Stroms zu erfassen. Dieses Schutzsystem ermöglicht es jedoch nicht, den internen Lichtbogen zu lokalisieren, so dass es nicht möglich ist, weder das Feld der Schaltanlage noch die Zelle dieses Feldes zu identifizieren, worin der interne Lichtbogen entstanden ist.

Die Zellen eines jeden Feldes sind mit einem Drucksensor versehen, der dazu bestimmt ist, den Druck von dielektrischem Gas zu ermitteln, das sich innerhalb der Gehäuse befindet. Wenn ein interner Lichtbogen in einer Zelle auftritt, erfasst der Drucksensor eine Druckerhöhung, womit diese Zelle identifiziert werden kann.

Aus der US-A-5 502 435 ist ein Verfahren bekannt, um den Druck von dielektrischem Gas in einem Leistungsschalter zu überwachen, wobei kontinuierlich Messungen des Drucks von dielektrischem Gas innerhalb des Schaltergehäuses erfolgen.

Die Identifizierung der defekten Zelle durch Druckerhöhung stellt im Falle eines Trennschalters bzw. einer Abgangsleitung eines Feldes keine Schwierigkeit dar.

Ein Unterscheidungsproblem stellt sich hingegen im Falle eines Leistungsschalters. Wenn nämlich das Schutzsystem einen Stromfehler in der elektrischen Schaltanlage erfasst, gibt es einen Auslösebefehl an die Leistungsschalter aus, die bei Erhalt dieses Befehls öffnen. Beim Öffnen eines jeden Leistungsschalters wird ein als Abschaltlichtbogen bezeichneter Kurzschlusslichtbogen erzeugt, der eine Erhöhung des Drucks von dielektrischem Gas hervorruft.

Um zu wissen, ob ein interner Lichtbogen im Leistungsschalter eines Feldes der Schaltanlage entstanden ist, ist es unerlässlich, diesen vom Abschaltlichtbogen zu unterscheiden, der dem vom Schutzsystem ausgegebenen Auslösebefehl unweigerlich folgt.

Bei einer offensichtlich befriedigenden Lösung könnte sich die Unterscheidung auf die Amplitude der auf einen internen Lichtbogen zurückzuführenden Druckerhöhungen gegenüber denen, die auf einen Abschattlichtbogen zurückzuführen sind, stützen. Diese Lösung ist jedoch nicht auf sämtliche Fälle anwendbar, insbesondere nicht bei geringen internen Lichtbögen, da die Druckerhöhung, die von diesen hervorgerufen wird, in der gleichen Größenordnung liegt wie die Druckerhöhung, die beim Abschalten eines starken Kurzschlussstroms hervorgerufen wird.

Ziel der Erfindung ist, einen internen Lichtbogen von einem Abschaltlichtbogen in einem zu einer elektrischen Schaltanlage gehörenden Leistungsschalter mit Hilfe eines Verfahrens zu unterscheiden, das ohne Einschränkung auf geringe interne Lichtbögen anwendbar und einfach durchzuführen ist und das mit geringem Kostenaufwand bei bestehenden Schaltanlagen eingesetzt werden kann.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke besteht darin, eine gewisse Zeit zwischen dem von dem Schutzsystem ausgegebenen Auslösebefehl und dem Zeitpunkt des Auftretens des Abschaltlichtbogens beim Öffnen des Leistungsschalters zu beachten.

Insbesondere ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Unterscheiden eines internen Lichtbogens von einem Abschaltlichtbogen, die in einem Schaltergehäuse eines abgeschirmten Mittel- bzw. Hochspannungsschaltfeldes auftreten, mit Hilfe von Druckmessungen von dielektrischem Gas innerhalb des Schaltergehäuses, wie in Anspruch 1 angegeben ist. Bei dem Verfahren wird das Auftreten eines internen Lichtbogens von einem Schutzsystem erfasst, welches in Reaktion darauf dem Schalter einen Auslösebefehl überträgt, um die Trennung seiner Kontakte zu bewirken, wobei diese Trennung das Auftreten eines Abschaltlichtbogens hervorruft. Es umfasst die folgenden Schritte:

• – Durchführen von kontinuierlichen Druckmessungen von dielektrischem Gas innerhalb des Schaltergehäuses,
• – Aufzeichnen der Druckmessungen, um später zum Zeitpunkt der Übertragung des Auslösebefehls einen ersten Druckwert, der vor dem genannten Zeitpunkt gemessen wurde, wieder aufzurufen,
• – Vergleichen des ersten Druckwerts mit einem zweiten Druckwert, der nach dem genannten Zeitpunkt gemessen wurde, um zu erkennen, dass dann, wenn der zweite Wert über dem ersten Wert liegt, der interne Lichtbogen in dem Schaltergehäuse aufgetreten ist, oder dass dann,

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht der zweite Druckwert einem Druck, der vor dem Auslösebefehl gemessen wurde, um eine mechanische Reaktionszeit des Schalters zu berücksichtigen, während einer der Kontakte, nämlich der bewegliche, sich zum anderen Kontakt, dem festen, verlagert hat, jedoch noch ohne den Trennpunkt zu erreichen. Der Abschaltlichtbogen ist somit noch nicht erzeugt, so dass dessen Beitrag zur Druckerhöhung im Gehäuse noch gleich null ist.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht der erste Druckwert einem Druck, der vor dem Auslösebefehl gemessen wird, um eine elektronische Reaktionszeit des Schutzsystems bei Auftreten eines internen Lichtbogens zu berücksichtigen. Wenn der interne Lichtbogen noch nicht erzeugt wurde, stellt der eingespeicherte Druck den Referenzdruck für den Schalter dar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des in der Zeichnung dargestellten Verfahrens.

1 zeigt schematisch eine Schaltanlage, die drei Felder enthält, die über zwei Sätze von Sammelschienen verbunden sind.

2 ist ein Ablaufdiagramm der Druckerhöhung bei einem Abschaltlichtbogen in einem Schalter der in 1 gezeigten Schaltanlage, der bei einem Versuch bei fehlendem internen Lichtbogen aufgezeichnet wurde.

3 ist ein Ablaufdiagramm der Druckerhöhung bei einem internen Lichtbogen in einem Schalter der in 1 gezeigten Schaltanlage, der bei einem Versuch mit vorhandenem internen Lichtbogen aufgezeichnet wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird gemäß 1 in einer abgeschirmten Mittel- bzw. Hochspannungsschaltanlage mit drei Feldern T, hier vom einphasigen Typ, durchgeführt, die über zwei Sätze von Sammelschienen J1 und J2 miteinander verbunden sind und jeweils aus einem Leistungsschalter D, einem mit dem Sammelschienensatz verbundenen Verteilertrennschalter S und einem Leitungsabgang L bestehen. Diese verschiedenen Einrichtungen bilden eben so viele verschiedene Zellen, die zueinander abgedichtet sind. Diese Zellen enthalten jeweils ein Metallgehäuse, das mit einem dielektrischen Druckgas gefüllt ist, beispielsweise Schwefelhexafluorid SF₆, um eine Potentialdifferenz mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Leiter C aufrecht zu halten.

Jeder Schalter enthält zwei Kontakte 1 und 3, die innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, durch welches der Leiter C verläuft. Das Schaltergehäuse ist also mit dielektrischem Druckgas befüllt und es ist ein Sensor 5 am Gehäuse vorgesehen, um den Druck innerhalb des Gehäuses zu erfassen. Der von einem einem Schalter zugeordneten Sensor 5 erfasste Druckwert wird einer Steuerkontrolleinheit U zugeleitet, welche eine Einheit zum Erfassen und Verarbeiten des Drucksignals zwecks kontinuierlicher Speicherung des Drucks enthält.

Die Schaltanlage enthält auch ein Schutzsystem P, das über drei Stromwandler T, die jeweils am Eingang eines Feldes innerhalb der Leitungsabgangszelle L angeordnet sind, das Auftreten eines internen Lichtbogens 2 zwischen dem Gehäuse und dem Leiter C der einen Zelle der Schaltanlage erfassen kann. In Reaktion auf eine solche Erfassung gibt es einen Auslösebefehl 15 zu den Schaltern D aus, die bei Erhalt dieses Befehls öffnen. Der Auslösebefehl wird über eine Einheit 7 zum Steuern der Kontakte 1 und 3 eines jeden Schalters übertragen. Gleichzeitig gibt das Schutzsystem P ein Signal 19 zur Erfassungs- und Verarbeitungseinheit U aus, um vor dem Auslösebefehl für jeden der Schalter aufgezeichnete Druckwerte aufzurufen.

Wie vorangehend angegeben wurde, ist es zum Lokalisieren des internen Lichtbogens 2 in einem der drei Schalter D durch Bestimmung einer Druckerhöhung unerlässlich, den internen Lichtbogen von dem Abschaltbogen zu unterscheiden, welcher unweigerlich dem von dem Schutzsystem ausgegebenen Auslösebefehl folgt.

Erfindungemäß beruht die Unterscheidung auf einem Vergleich zwischen einem nach dem Auslösebefehl bestimmten Druck und einem vor diesem Befehl bestimmten und eingespeicherten Druck. Es wird in einem Schalter ein interner Lichtbogen durch einen über dem eingespeicherten Druck liegenden Druck und ein Abschaltlichtbogen durch Gleichheit zwischen den beiden Druckwerten identifiziert.

Im Beispiel von 1 erfolgt der Vergleich zwischen den beiden Druckwerten über die Erfassungs- und Verarbeitungseinheit und die Steuerkontrolleinheit U gibt die Information "interner Lichtbogen" bzw. "Abschaltlichtbogen" aus.

Gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der Erfindung wird der Zeitpunkt, an dem der Druck nach dem Auslösebefehl bestimmt wird, mit Hilfe einer beim Öffnen des Schalters aufgezeichneten Druckkennlinie festgelegt.

In 2 und 3 ist ein Ablaufdiagramm beim Öffnen eines Schalters D dargestellt, das bei einem Versuch zum Abschalten eines Kurzschlussstroms und einem versuchten internen Lichtbogen aufgezeichnet wurde. Während dieses Versuchs wird der Steuereinheit 7 für die Kontakte des Schalters ein Auslösebefehl 15 zugeleitet, so dass das Schutzsystem P simuliert wird. Es sei angemerkt, dass dieses System nicht zur Ausführung des Abschaltversuchs gehört, sondern nur bei den Ausbildungen eines realen Betriebs der Schaltanlage vorhanden ist. Der Abschaltversuch wird gemäß 2 bei fehlendem internen Lichtbogen und gemäß 3 bei vorhandenem internen Lichtbogen 2 durchgeführt, der im Schalter künstlich hervorgerufen wird.

Der Druckverlauf im Schalter ist mit einer Druckkennlinie 9 angedeutet. Zugleich wird der zeitliche Verlauf des den Schalter durchfließenden Stroms mit der Kennlinie 13 aufgezeichnet. Festzustellen ist, dass bezüglich des Auslösebefehls 15 der Druck erst ab einem Zeitpunkt 17 ansteigt, der einer heftigen Stromschwankung entspricht und der als Bildung des Abschaltlichtbogens auf die Trennung der im Schalter angeordneten Kontakte folgend interpretiert wird. Die Größenordnung der Dauer des Abschaltlichtbogens liegt bei 10 ms, was diese steile Flanke erklärt. Zum Durchführen der Erfindung wird somit der Zeitpunkt 17 gewählt, an dem nach dem Auslösebefehl der Druck bestimmt wird, und zwar vor der Druckerhöhung, die auf den zwischen den Kontakten des Schalters gebildeten Abschaltlichtbogen zurückzuführen ist.

Die Tatsache, dass bei fehlendem internen Lichtbogen der Druck nicht gleichzeitig mit dem Auslösebefehl ansteigt, rührt von einer mechanischen Reaktionszeit her, die der Verlagerung des beweglichen Kontakts gegenüber dem festen Kontakt in diesem Schalter zueigen ist. Diese erste Öffnungsphase endet mit der effektiven Trennung der Kontakte und geht einer zweiten Phase voraus, in welcher ein Abschaltlichtbogen zwischen den beiden Kontakten gezogen wird.

Bei dem Beispiel aus 2 liegt die Reaktionszeit des getesteten Schalters in der Größenordnung von 20 Millisekunden (ms). Zum Durchführen des Verfahrens bei einer elektrischen Schaltanlage mit einem solchen Schalter wird ein Zeitpunkt 17 gewählt, der zum Auslösebefehl 15 um 20 ms versetzt ist, um den Druck nach diesem Befehl zu bestimmen.

Der Versuch zum Abschalten des Kurzschlussstroms ermöglicht somit, über die durch die Stromkennlinie bekräftigte Druckkennlinie den Zeitpunkt zum Bestimmen des Drucks nach dem Auslösebefehl für jeden Schalter bzw. jede Art von Schalter festzulegen, der bzw. die den gleichen Mechanismus zum Verlagern des beweglichen Kontakts gegenüber dem festen Kontakt hat.

Das Schutzsystem der elektrischen Schaltanlage besitzt eine eigene Reaktionszeit, die Funktion von seiner Elektronik ist und gewöhnlich in der Größenordnung von 10 ms liegt. Für jeden Schalter ist vorteilhaft vorgesehen, den vor dem Auslösebefehl bestimmten Druck in der Erfassungs- und Verarbeitungseinheit eingespeichert zu behalten, dessen Dauer zumindest gleich der Reaktionszeit des Schutzsystems ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der bestimmte Druck den Referenzdruck des Schalters vor jeglichem Auftreten eines internen Lichtbogens darstellt.

In 2 kann der Zeitpunkt 11, an dem der Druck vor dem Auslösebefehl bestimmt wird, auf beispielweise 100 ms festgelegt werden. Der Speicher der Erfassungs- und Verarbeitungseinheit enthält eine Auflistung von momentanen Druckwerten, die chronologisch während 100 ms indexiert wurden. Bei Erhalt des Signals 19 gleichzeitig mit dem Auslösebefehl entnimmt die Erfassungseinheit aus der Speicherauflistung den ersten eingespeicherten momentanen Druckwert, d. h. den bei –100 ms gespeicherten Wert, um ihn mit dem nach dem Auslösebefehl bestimmten Druck vergleichen zu können.

In 2 ist der bezüglich des Auslösebefehls 15 zum Zeitpunkt –100 ms bestimmte Druck gleich dem zum Zeitpunkt +20 ms bestimmten Druck. Bei reellem Betrieb der Schaltanlage ermöglicht das Verfahren, darauf zu schließen, dass der interne Lichtbogen aufgrund des von dem Schutzsystem ausgegebenen Auslösebefehls nicht in dem Schalter entstanden ist, der diese Druckgleichheit aufweist.

In 3 ist der bezüglich des Auslösebefehls 15 zum Zeitpunkt –100 ms bestimmte Druck geringer als der zum Zeitpunkt +20 ms bestimmte Druck. Bei reellem Betrieb der Schaltanlage ermöglicht das Verfahren, darauf zu schließen, dass der interne Lichtbogen aufgrund des von dem Schutzsystem ausgegebenen Auslösebefehls in dem Schalter entstanden ist, der diese Druckungleichheit aufweist.

Vorteilhaft ist vorgesehen, den Zeitpunkt, an dem der Druck nach dem Auslösebefehl bestimmt wird, mit Hilfe eines Routineversuchs festzulegen, der einfacher durchzuführen ist als ein Abschaltversuch, wobei letzterer jedoch der einzige Versuch ist, mit dem eine fehlende Druckänderung zwischen dem Auslösebefehl und der tatsächlichen Trennung der Kontakte des Schalters nachgewiesen werden kann.

Bei dem Routineversuch wird auf den tatsächlichen Trennungszeitpunkt der Kontakte nach dem Auslösebefehl mit Hilfe einer Kennlinie zum Ermitteln des Stromdurchgangs zwischen den Kontakten 1 und 3 des Schalters zurückgegriffen, die beispielsweise mit Hilfe eines Oszilloskops erfasst und angezeigt wird, das zwei Strahlengänge hat, von denen der eine mit den Kontakten 1 bis 3 in Reihe verbunden ist und der andere mit dem Auslösebefehl 15. Der Versuch erfolgt spannungsfrei und somit ohne internen Lichtbogen und ohne Abschaltlichtbogen. Er ermöglicht im wesentlichen, die mechanische Reaktionszeit des getesteten Schalters zu bestimmen, indem der Zeitpunkt bestimmt wird, an dem die Trennung der Kontakte verzeichnet wird.

Zum Durchführen des Verfahrens bei einer elektrischen Schaltanlage mit dem beim Routineversuch getesteten Schalter wird der Zeitpunkt festgelegt, an dem der Druck nach dem Auslösebefehl und vor Auftreten der elektrischen Störung bestimmt wird, das der tatsächlichen Trennung der Kontakte entspricht.

Vorzugsweise besitzt der an jedem Schaltergehäuse montierte Drucksensor eine wesentlich kürzere Ansprechzeit als die mechanische Ansprechzeit des Schalters oder als die elektronische Ansprechzeit des Schutzsystems. Eine Ansprechzeit von einigen Millisekunden ist zum Durchführen des Verfahrens akzeptabel.

Vorzugsweise besitzt der Drucksensor auch eine Auflösung in der Größenordnung von mehreren zehn Tausendstel, typischerweise 0,05%. Mit einem solchen Sensor identifiziert das erfindungsgemäße Verfahren einen internen Lichtbogen, der eine Relativabweichung von dem nachfolgenden und dem vorausgehenden Druck von 0,5% mit einer relativen Unsicherheit von 10% aufweist. Eine derartige Auflösung ermöglicht es, geringe interne Lichtbögen von einem Abschaltbogen zu unterscheiden. Vorteilhaft kann ein Dichtemesser vom Typ Druck- und Temperaturfühler mit einem Temperaturausgleich Anwendung finden, um der Steuerkontrolleinheit U ein Dichtesignal auszugeben. Diese Art von Sensor besitzt ein gleiches Ansprechverhalten wie ein Drucksensor in den Sekunden, die dem Auftreten des internen Lichtbogens oder dem Abschaltlichtbogen folgen, da noch kein Wärmeaustausch mit dem Sensor erfolgt ist.

Es ist vorgesehen, die momentanen Druckwerte mit einem Mittelwert über einen Zeitraum zu verarbeiten, der vorzugsweise gleich der mechanischen Ansprechzeit des Schalters ist. In 2 und 3 wird die Druckkennlinie ausgehend von einem Signal der momentanen Druckwerte nachgebildet, das durch Frequenzumwandlung gefiltert und alle 20 ms abgetastet wird. Auf diese Weise wird jegliche Störung bei 50 Hz beseitigt, was eine Sicherheit bezüglich induktiver Kopplungen zwischen dem Strom des Schalters und dem Signal des Drucksensors bietet.

Schließlich sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren einfach durchzuführen ist.

Die Erfassung und Verarbeitung des Drucksignals zum Vergleichen des vor und des nach dem Auslösedruck ermittelten Drucks bleibt auf herkömmliche Prozesse begrenzt. Das Verfahren verwendet einen Drucksensor, der zumeist ohnehin bei Schaltern vorgesehen ist, um weitere Funktonen zu erfüllen, wie etwa die Überwachung einer Leckrate von dielektrischem Gas aus dem Gehäuse. Das Gleiche gilt für das Schutzsystem. Die Investitionskosten in materielle Mittel sind somit vermindert.