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Anordnung zur Begrenzung von Uberströmen
Das Patent Nr. 249153 betrifft eine Anordnung zur Begrenzung von Überströmen, insbesondere an der Kupplungsstelle von Hochspannungswechselstromnetzen, sowie von Ausgleichsströmen zwischen diesen Netzen im Kurzschlussfall in einem dieser Netze oder bei Aussertrittfallen, wobei in die Verbindung eine Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen, eine Induktivität und eine Kapazität, eingefügt ist, die verschiedene Vorzeichen und im Normalbetrieb etwa die gleiche Grösse haben, so dass die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises etwa der Netzfrequenz entspricht, wobei parallel zum Kondensator eine nur mit ihrem Kupferwiderstand behaftete eisengeschlossene sättigbare Drosselspule geschaltet ist und wobei mit der sättigbaren Drosselspule ein zusätzlicher Ohmwiderstand in Reihe liegt,
der bei Sättigung der Drossel den resultierenden Leitwert der Anordnung überwiegend bestimmt.
Es ist schon die Verwendung eines Reihenschwingkreises zur Strombegrenzung in Wechselstromnetzen und an der Kuppelstelle zweier Netze bekannt, bei dem der Kondensator durch einen relaisbetätigten Schalter im Kurzschlussfalle überbrückt wird. Bei Wiederkehr normaler Verhältnisse wird über eine Zeitverzögerung die Überbrückung wieder aufgehoben. Da mechanische Schalter mit der bekannten Zeitverzögerung eingesetzt sind, erfüllt diese Anordnung nicht die gestellte Aufgabe des Stammpatentes, den dynamischen Stromspitzenwert bereits abzuriegeln.
Eine weitere bekannte Anordnung zur Begrenzung von Kurzschlussströmen in Wechselstromleitungen besteht ebenfalls aus einer Kapazität und einer Induktivität in Reihenschaltung, die einen auf Resonanz abgestimmten Schwingkreis bilden. Hiebei wird die Kapazität im Überstromfalle durch eine Funkenstrecke, einen Gasentladungsableiter oder sonstige Gasentladungsgefässe überbrückt. Durch dieses plötzliche Ansprechen des Nebenschlusses tritt eine ausserordentlich harte kurzzeitige Schalthandlung ein, die bei höheren Leistungen in Wechselstromnetzen sehr unerwünscht ist.
Ausserdem ist es heute noch mit sehr grossen Schwierigkeiten verbunden, wenn nicht gar unmöglich, solche Elemente wie Funkenstrecken und Gasentladungsableiter zur Überbrückung eines der Blindwiderstände im Kurzschlussfalle für den gewünschten mit der Erfindung erreichbaren Leistungsbereich herzustellen.
Eine andere Vorrichtung zum Schutz von überstromempfindlichen Verbrauchern, wie z. B. von Geräten mit Siliziumgleichrichtern oder Transistoren, besteht auch aus einem auf Resonanz abgestimmten Reihenschwingkreis, der im Nennbetrieb einen vernachlässigbaren Widerstand aufweist, wobei zur Kapazität eine möglichst verlustarme Sättigungsdrossel parallelgeschaltet ist, deren Induktivität im infolge Überstromes gesättigten Zustand Schwingungen höherer Frequenz zum Zwecke einer Umladung des Kondensators ausführt, so dass der durchfliessende Strom unter den Nennstrom herabgedrückt wird. Kippvorgang und rasche Umladungen, deren sich diese Anordnung zur Strombegrenzung bedient, schliessen ihre Anwendung bei höherer Leistung in Starkstromanlagen praktisch aus. Auch wegen der Oberwellenrück- * 1.
Zusatzpatent Nr. 256218.
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wirkungen infolge der stark verzerrten Stromkurven ist die Anordnung im Netzbetrieb nicht tragbar.
Nur eine Anordnung gemäss Patent Nr. 249153 erfüllt bei wirtschaftlicher Auslegung der Elemente die für Hoch- und Höchstspannungsnetze in bezug auf Spannungs- und Leistungsbereich gültigen Anforderungen. Ruhende elektromagnetische Maschinen, wie Transformatoren und Drosselspulen, und Kondensatoren kann man in jeder benötigten und gewünschten Auslegung herstellen. Insbesondere werden lichtbogenziehende Schaltgeräte, wie Funkenstrecken und Überspannungsableiter, und Leistungsschalter zum Anschalten des Kondensatornebenschlusses vermieden. Die ersteren haben den Nachteil, dass sie durch die ausserordentlich leistungsstarken Lichtbögen einem starken Verschleiss unterworfen sein würden, vorausgesetzt man könnte sie überhaupt für den benötigten Leistungsbereich wirtschaftlich fertigen.
Die Leistungsschalter wieder sind infolge des Umwegs über Fühl- und Betätigungselemente mit einem unvermeidlichen Zeitverzug versehen, der sie für die gestellte Aufgabe, schon die dynamisch wirksamen Stromamplituden des Kurzschlussstromes abzuriegeln, ungeeignet machen. Nur das magnetische Schaltglied in Gestalt der Sättigungsdrossel, deren Sättigung und damit Schaltfunktion durch das Ansteigen des kurzschlussstromabhängigen Spannungsabfalls selbst bewirkt wird, kann den Anforderungen genügen.
Der Blindwiderstand dieser Drossel ist im nichtgesättigten Zustand im normalen Strombereich entsprechend hoch, so dass die Kapazität mit der Hauptdrossel einen nicht gestörten Reihenschwingkreis bildet. Erreicht der Spannungsabfall über dem Kondensator infolge eines Ansteigens des Stromes einen bestimmten Grenzwert, so gerät der Drosselkern in Sättigung und ihr induktiver Widerstand vermindert sich.
Infolge des nun wirksamen, im wesentlichen ohmschen Nebenschlusses zum Kondensator ist die Reihenresonanz gestört und der Schwingkreis weist einen gegenüber vorher um ein Vielfaches vergrösserten resultierenden Widerstand auf, so dass der Strom in der Verbindungsleitung wirksam begrenzt wird.
Als Begrenzungsstrom, also als Höchstwert des Dauerkurzschlussstromes, kann durch die Begrenzungskupplung ein Wert erreicht werden, der dem Nennstrom nahe liegen kann.
Wenn man sich zum Ziel setzt, den Kurzschlussstrom möglichst genau auf die Grösse des Nennstromes zu begrenzen, so führt dies zwar der Rechnung nach zu günstigen Werten, es ist aber dabei zu berücksichtigen, dass
1. für den Einschwingvorgang, der für die erste Halbwelle massgeblich ist, von ausschlaggebender Bedeutung ist, wie gross der Strom in dem Augenblick war, als der Kurzschluss eintrat, und welche Phasenlage er zur Spannung hatte. Durch eine solche Überlagerung des vorhandenen Stromes mit den ersten Halbwellen des Einschwingstromes kann bereits eine Spannung an Hauptinduktivität und Serien-Konden- sator entstehen, die praktisch für die Auslegung bestimmend ist und schon in der Gegend des doppelten Wertes liegt, der bei Nennstrom auftritt.
2. Ausserdem ist zu berücksichtigen, dass zwei Netze im allgemeinen deshalb gekuppelt werden, damit im Störungsfall das eine Netz sich an der Überlastung des andern Netzes wesentlich beteiligt. Eine Begrenzung nur auf den Nennstrom als Übergabestrom würde eine solche selbsttätige Hilfeleistung stark herabsetzen, und es würde ein Auseinanderfallen des Betriebes begünstigt werden.
Erfindungsgemäss soll nun die Auslegung der Elemente der Begrenzungskupplung so erfolgen, dass der Dauerkurzschlussstrom durch die Begrenzungskupplung auf den 1, 5- bis 2fachen Wert des Nennstromes festgelegt wird. Hiedurch wird erreicht, dass auch beim Störungsfall des einen Netzes das andere den Überlaststoss wesentlich mitträgt, und es wird ausserdem ein genügend hohes synchronisierendes Moment von der elektrischen Seite zur Verfügung gestellt, so dass ein vorzeitiges Aussertrittfallen der Netze weitgehend vermieden wird.
Aber auch die unter 1. angeführte Bedingung wird bei einer Auslegung für den 1, 5- oder 2fachen Nennstrom wesentlich günstiger. Es steht jetzt mehr Zeit zur Verfügung, bis der anschwingende Kurzschlussstrom den Wert erreicht, der durch die Sättigungsinduktion der Sättigungsdrossel letzten Endes vorbestimmt ist. Gleichzeitig wird mit dieser Auslegung erreicht, dass Grösse und Phasenanlage des vorhandenen Stromes beim Eintritt des Kurzschlusses sich bei der Überlagerung nicht mehr so stark auf die maximale Höhe der ersten Halbwellen auswirken. Es lässt sich rechnerisch und experimentell nachweisen, dass bei Eintritt des Kurzschlusses nunmehr die ersten Halbwellen nicht wesentlich vergrössert sind gegenüber dem endgültig auftretenden Dauerstrom im Kurzschlussfall.
Die beschriebenen Vorteile lassen sich gemäss der Erfindung dadurch erzielen, dass das Grössenverhältnis des Blindwiderstandes der parallelgeschalteten Drossel in gesättigtem Zustand zum Blindwiderstand des Kondensators zwischen 0. 1 und 1 liegt :
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und dass das Grössenverhältnis des ohmschen Widerstandes im Parallelpfad zum Blindwiderstand des Kondensators zwischen 0, 3 und 2 liegt :
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Hiebei bedeutet Xc die Reaktanz des Kondensators, XZS die Reaktanz der gesättigten Drossel im Parallelzweig und R den Wert des Widerstandes im Parallelzweig.
In den Zeichnungen ist in Fig. 1 ein Anwendungsbeispiel der Begrenzungskupplung zwischen einer Spannungsquelle mit der treibenden Spannung U-und einem Verbrauchernetz, in dem durch den Blitzpfeil ein Kurzschluss angedeutet ist, dargestellt. Der Reihenschwingkreis besteht aus der linearen Induktivität L mit dem Blindwiderstand XL und aus dem Kondensator C mit der Reaktanz XC. Der Nebenschluss zum Kondensator besteht aus der sättigbaren Drossel D und der Reaktanz X Z im ungesättigten und der Reaktanz XZS im gesättigten Zustand sowie aus einem ohmschen Widerstand R.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Blindwiderstandskennlinie der sättigbaren Drossel D. Ferner wird empfohlen, für diejenige Spannung UZS, bei der die Sättigungsdrossel in den Sättigungswert übergeht, die halbe Netzspannung UN zu verwenden und im Grenzfall unterhalb des Scheitelwertes der Netzspannung zu bleiben.
Die erfindungsgemässe Bemessung der Elemente der Begrenzungskupplung stellt sicher, dass den Ansprüchen des Betriebes auf Parallelbetrieb Rechnung getragen wird, ein gleichmässig sicheres Arbeiten der Anordnung zuverlässig erfüllt ist und die Ausbildung einer überhöhten ersten oder zweiten Halbwelle mit Sicherheit vermieden wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Begrenzung von Überströmen nach dem Patent Nr. 249153, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Grössenverhältnis des Blindwiderstandes der parallelgeschalteten sättigbaren Drossel im gesättigten Zustand zum Blindwiderstand des Kondensators zwischen 0, 1 und 1 liegt :
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und dass das Grössenverhältnis des ohmschen Widerstandes im Parallelpfad zum Blindwiderstand des Kondensators im Bereich zwischen 0, 3 und 2 liegt :
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