CH380809A - Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung in elektrischen Netzen - Google Patents

Description

      Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung    in elektrischen Netzen    Es ist seit langem bekannt, bei abgehenden Lei  tungen oder Kabeln     Kurzschluss-Drosselspulen    vor  zusehen. Diese begrenzen den     Kurzschlussstrom,    in  dem die Netzimpedanz vergrössert wird. Insbesondere  bei Fehlern in unmittelbarer Nähe des Schalters wirkt  diese Drosselspule sehr stark, weil sie dann die ein  zige Impedanz zwischen Schalter und Fehlerstelle ist.  Solche     Kurzschluss-Drosselspulen    sind bisher     als    Luft  spulen gewickelt worden.

   Sie besitzen eine     Reaktanz;     welche mindestens in der Grössenordnung der Impe  danzen der abgehenden Leitungen liegt, sehr oft so  gar, insbesondere in Kabelnetzen, eine grössere     Reak-          tanz    haben. Weil sie ohne Eisen ausgeführt worden  sind, benötigen sie eine sehr grosse     Windungszahl    und  beanspruchen dadurch viel Platz in der Schaltanlage.  Die Anforderungen an die     Kurzschlussfestigkeit    sind  sehr gross, da grosse dynamische Kräfte während des  Kurzschlusses auftreten.

   Die Drosselspulen bilden  durch ihre hohe     Reaktanz    mit der noch geringeren  Kapazität des kurzgeschlossenen Leitungsstückes eine  hohe Eigenfrequenz, nach welcher sich die wieder  kehrende Spannung einschwingt. Hierdurch entsteht  eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit der wiederkehren  den Spannung, wodurch Wiederzündungen während  des     Abschaltens    im Leistungsschalter entstehen kön  nen. Dies wirkt sich insbesondere bei     Abstands-Kurz-          schlüssen    aus, das heisst bei Kurzschlüssen, welche  nur wenige, etwa einige Kilometer von der Schalt  anlage entfernt liegen.  



  Man hat deshalb vorgeschlagen, parallel     zum    Lei  stungsschalter     Ohmsche    Widerstände zu schalten,  welche die Schwingungen dämpfen. Man hat auch  Kondensatoren     zusätzlich    zwischen Leitung und Erde  geschaltet, um die Leitungskapazität zu erhöhen und  dadurch die Frequenz der wiederkehrenden Spannung  zu verkleinern. Solche Kondensatoren müssen für die    volle Betriebsspannung ausgelegt sein und sind daher  meist unwirtschaftlich.  



  Es stellt sich daher die Aufgabe, eine möglichst  billige Begrenzungseinrichtung zu finden, mit welcher  die Abschaltung im Leistungsschalter bei Abstands  kurzschlüssen, also bei hohen     Einschwingfrequenzen     der wiederkehrenden Spannung, erleichtert wird.  



  Nun ist noch bei der Schaltung von Kontakt  umformern bekanntgeworden, Drosselspulen zu ver  wenden, welche während der     Wechselstromperiode     eine stromschwache Pause in der Nähe des     Strom-          Nulldurchganges    hervorrufen, während welcher die  Kontakte des     Umformers    schalten können. Dies wird  dadurch erreicht, dass die Drosselspule einen Eisen  kern besitzt, welcher während jeder Halbwelle nur  kurze Zeit     entsättigt    ist, sonst aber so stark gesättigt  wird, dass sie keinen nennenswerten Spannungsabfall       verursachen    kann.

   Solche Schaltdrosselspulen hat man  auch mit     Hilfwicklungen    versehen, um den Zeitpunkt  der stromschwachen Pause beliebig verschieben zu  können. Für die Abschaltung bei Kurzschlüssen sind  diese Drosselspulen aber nicht geeignet. Man muss da  her bei Kontaktumformern zusätzlich Kurzschliesser  vorsehen, welche zur Schonung der Kontakte die       Wechselstromseite    kurzschliessen und die Abschaltung  durch den     Wechselstromschalter    bewirken.  



  Erfindungsgemäss wird nun eine     Kurzschluss-          Begrenzungseinrichtung    vorgeschlagen, welche eine  Drosselspule mit Eisenkern enthält, die bei Strömen,  die den     Amplitudenwert    mindestens     1/10o    des Nenn  stromes des Schalters überschreiten, gesättigt ist.  



  In den Figuren sind Ausführungsbeispiele solcher       Kurzschluss-Begrenzungseinrichtungen    dargestellt. In       Fig.    1 ist ein     Freileitungsabzweig    in einer Schalt  anlage gezeigt. Von der Sammelschiene 1 (einpolig  dargestellt) wird über den Leistungsschalter 2 und  eine     Strom-Begrenzungseinrichtung    3 die Freileitung      4 gespeist. Die     Strom-Begrenzungseinrichtung    besteht  in diesem Falle aus einer Drosselspule mit dem  Eisenkern 5. Ihre     Induktivität    ist im ungesättigten Zu  stand höchstens so gross wie die     Induktivität    eines       Freileitungsstückes    einiger, höchstens 10 km.

   Sie ist  also wesentlich kleiner als bei den bekannten Kurz  schluss-Drosselspulen. Die Wirkungsweise dieser Be  grenzungseinrichtung ist nun folgende: Im Normal  betrieb, beispielsweise bis zum halben Nennstrom der  Leitung, ist die Drosselspule ungesättigt. Sie wirkt hier  also ähnlich wie eine     Kruzschluss-Drosselspule    be  kannter Bauart. Es entsteht ein induktiver Spannungs  abfall, welcher praktisch auf die Spannungshaltung  keinen     Einfluss    hat, weil er senkrecht zum Spannungs  vektor liegt. Da die     Induktivität    aber wesentlich klei  ner ist als bei den bekannten Drosselspulen, ist dieser  Spannungsabfall auch an sich noch unbedeutender.

    Bei Strömen, welche grösser als der halbe Nennstrom  sind, tritt bereits eine Sättigung des Eisenkernes bei  höheren     Momentanwerten    ein. Dadurch wird auch  im Normalbetrieb der Spannungsabfall noch geringer.  Im     Kurzschlussfall    ist nun die Sättigung fast über die  ganze Periode vorhanden. Nur während des     Strom-          Nulldurchganges    tritt ein kurzer Augenblick ein, wo  der Kern     entsättigt    ist. Hierdurch wird die Impedanz  des     Kurzschlusskreises    stark erhöht, so dass der Strom  schon kurz vor dem Nulldurchgang stark begrenzt  wird. Der Strom wird also praktisch eine kurze Zeit  vor bis eine kurze Zeit hinter dem Nulldurchgang  sehr klein sein.

   Es tritt eine stromschwache Pause ein,  während der die Abschaltung im Schalter     erfolgen     kann. Da die     Lichtbogenlöschung    bei jedem Wechsel  Stromschalter nur im Nulldurchgang erfolgen kann, so  wird dadurch die Abschaltung erheblich erleichtert.  Die Kontaktstelle wird auch bei steiler, wiederkehren  der Spannung gegen Wiederzündungen fester, als  wenn keine Drosselspule vorhanden wäre. Die     Ent-          ionisierung    ist unmittelbar vor und beim     Strom-          Nulldurchgang    dank dem flacheren     Strom-Nulldurch-          gang    leichter.

   Dazu kommt, dass die Drossel während  des     Strom-Nulldurchganges    dabei einen beträchtlichen  Teil des Spannungsabfalles im     Kurzschlusskreis    über  nimmt. Dementsprechend werden die zugehörigen       Momentanwerte    der wiederkehrenden Spannung ver  kleinert. Dadurch gelingt' es, auch die Steilheit der  wiederkehrenden Spannung zu     verflachen.     



  Falls die     Strombegrenzungseinrichtung    selbst eine  zu grosse Eigenfrequenz besitzt,     kann    man diese  durch     Parallelschalten    von Kondensatoren oder Wi  derständen reduzieren. Diese Schaltung zeigt     Fig.    2,  wo noch der Kondensator 6 vorgesehen ist. Dieser  liegt nun im Zuge der Leitung und braucht daher  nicht für die volle Spannung, sondern nur für den  Spannungsabfall in der Drosselspule ausgelegt zu sein.  Er ist also wirtschaftlicher herzustellen.  



       Fig.    3 zeigt eine Anordnung, wo die Begrenzungs  einrichtung vor und hinter dem Schalter vorgesehen  ist. Man kann sie auch nur vor dem Schalter oder nur  hinter dem Schalter, wie bei den ersten Beispielen, an  ordnen. Die Begrenzungseinrichtung vor dem Lei-         stungsschalter    besteht aus der Drosselspule 13 und  dem Kondensator 16.  



  Eine weitere Verbesserung der Begrenzungsein  richtung zeigt die     Fig.    4. Hier ist noch ein Schalter 7  parallel zur Drosselspule geschaltet, welcher im Kurz  schlussfalle, spätestens gleichzeitig mit dem Schalter 2,  öffnet. Man kann diesen auch durch schnellwirkende  Sicherungen ersetzen. Hierdurch wird im normalen  Betrieb jeder Spannungsabfall in der     Drosslspule    ver  mieden und die Drosselspule, selbst während des Be  triebes, nicht belastet.  



       Fig.    5 zeigt nun eine Einrichtung, in welcher der  Sättigungspunkt der Drosselspule durch eine Vor  magnetisierung beeinflusst werden kann. Sie enthält  eine Hilfswicklung 8, welche an einen Stromwandler  9 angeschlossen ist. Hierdurch kann man die Eigen  induktivität der Drosselspule noch verkleinern, da  durch die Hilfswicklung die Sättigung bei hohen Strö  men früher erreicht wird, als wenn Ströme nur in der  Hauptwicklung fliessen würden.  



  Diese Massnahme hat besondere Bedeutung, wenn  im Hauptstromkreis keine Windung vorgesehen ist,  sondern der Leiter selbst zur weiteren Verbilligung  der Einrichtung, als Drosselspule verwendet, wird, in  dem ein Eisenkern über ihn geschoben wird. Die  Hilfswicklung kann dann auf diesen Eisenkern     gewik-          kelt    werden. Dies zeigt die     Fig.    6. Der Leiter 3 er  setzt die eigentliche Drosselspule. Um den Leiter ist  der Eisenkern 5 gelegt, auf den die Hilfswicklung 8  gewickelt ist. Der Eisenkern kann hierbei in bekannter  Weise aus Eisenband um den Leiter gewickelt sein.  Man kann auch dieser Anordnung noch Konden  satoren parallel schalten, wobei     zweckmässigerweise     diese in dem gleichen Gehäuse mit dem Eisenkern  untergebracht sind.  



       Fig.    7 zeigt eine Anordnung, bei welcher die  stromschwache Pause durch eine     Gleichstrom-Vor-          magnetisierung    verschoben werden kann. Dies hat den  Vorteil, dass der     Strom-Nulldurchgang,    welcher in  einem     angenähert    induktiven Kreis gerade mit der  Spannungsspitze zusammenfällt, dieser gegenüber ver  schoben werden kann.

   Die Abschaltung erfolgt dann  je nach der Richtung des Gleichstromes vor oder nach  dem natürlichen     Strom-Nulldurchgang.    Dies erreicht  man durch Gleichrichter in dem     Wandlerstromkreis,     und zwar     zweckmässigerweise        Doppelweg-Gleichrich-          ter,    damit der Wandler nicht in einer Halbwelle un  belastet ist. Je nach dem Wicklungssinn der Hilfs  wicklung 8 kann die stromschwache Pause vor oder  nach dem natürlichen     Strom-Nulldurchgang    gelegt  werden.  



  Eine ähnliche Wirkung kann erreicht werden,  wenn, wie     Fig.    8 in einem Beispiel zeigt, weitere Im  pedanzen mit der Drosselspule 3 zusammengeschaltet  werden. Beispielsweise kann man ihr einen Wider  stand 12 in Reihe und eine weitere Drosselspule 11  parallel schalten. Es fliesst dann der Strom     i3    in der  Drosselspule 3, welcher gegenüber dem Gesamtstrom  i verschoben ist. Dadurch kann man ebenfalls die  stromschwache Pause verschieben. Zweckmässiger-      weise wird diese Begrenzungseinrichtung durch den  Schalter 7 überbrückt. Ein Beispiel für den Zusam  menbau der Begrenzungseinrichtung mit dem Lei  stungsschalter 2 zeigt die     Fig.    9. Dort sind die metal  lischen Teile 13 für die     Anbringung    der Eisenkerne 5  ausgenützt.  



  Der     Vorteil    dieser Anordnungen ist, mit Hilfe  kleiner Drosselspulen, für die sogar die Leitung selbst  genügt, und einfachen Eisenkernen, eine Erleichte  rung der Abschaltung im Leistungsschalter durch  Einführung stromschwacher Pausen zu erreichen. Zu  sätzliche Kondensatoren können dann auch die Ein  schwingfrequenz der wiederkehrenden Spannung  leicht beeinflussen. Ferner lässt sich dadurch der  eigentliche     Abschaltmoment    durch Verschieben der  stromschwachen Pause selbst auf den Zeitpunkt mit  den günstigsten Bedingungen legen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung in elektri schen Netzen, insbesondere Freileitungsnetzen, welche mit dem Leistungsschalter in Reihe liegt, dadurch ge kennzeichnet, dass sie eine Drosselspule mit Eisen kern enthält, welcher bei Strömen, die den Amplitu- denwert mindestens 1/10o des Nennstromes des Schal ters überschreiten, gesättigt ist. UNTERANSPRÜCHE 1. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die In duktivität der gesättigten Drosselspule gleich der In duktivität eines Freileitungsstückes von höchstens 10 km ist.

   2. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hilfs- wicklung vorgesehen ist, über die eine Vormagneti- sierung des Eisenkernes bewirkt wird. 3. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Un teranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs wicklung durch einen in Reihe zur Drosselspule lie genden Stromwandler gespeist wird. 4. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Un teranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs wicklung über Gleichrichter gespeist wird.

   5. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe und parallel zur Drosselspule Kombinationen von Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten vor gesehen sind, so dass der Strom-Nulldurchgang im Leistungsschalter nach dem Strom-Nulldurchgang in der Drosselspule stattfindet.

   6. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dros selspule eine Impedanz parallel liegt. 7. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Un teranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dros selspule mit der Kapazität eine Eigenfrequenz besitzt, welche kleiner ist als die Eigenfrequenz des übrigen Stromkreises. B. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch und Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Drosselspule durch einen Schalter überbrückt ist, welcher beim Auftreten eines Kurz schlussstromes, spätestens gleichzeitig mit dem Lei stungsschalter, öffnet.

   9. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisen kern über die Leitung geschoben ist. 10. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Un teranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dros selspule mit dem Eisenkern und die Kapazität in einem einzigen Gehäuse zusammengebaut sind. 11. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie vor undioder hinter dem Leistungsschalter vorgesehen ist.

   12. Kurzschluss-Begrenzungseinrichtung nach Un teranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die lei tenden Teile des Leistungsschalters den Stableiter der Begrenzungseinrichtung bilden und die Eisenkerne mit den Löschkammern und gegebenenfalls den Par allelimpedanzen zusammengebaut sind.