Anordnung zur Begrenzung von Uberströmen in Hochspannungswechselstromnetzen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begrenzung von Überströrnen in elektrischen Hochspannungswechselstromnetzen.
In den elektrischen Stromversorgungsverbundnetzen werden die Leistungen immer höher, die den Schutz dieser Netze vor Überbeanspruchungen durch Kurzschlusströme und die Abschaltung von Kurzschlusströmen immer problematischer werden lassen.
Es sind nicht nur Schalter, die in den einzelnen Netzteilen bisher den Kurzschlussanforderungen vollauf gewachsen waren, jetzt überfordert und können die Abschaltung manchmal überhaupt nicht mehr, mindestens aber erst nach einer grösseren Zahl von Halbwellen, vornehmen, sondern es sind ausserdem die Anlagenteile durch die dynamischen Kräfte als Auswirkung der unerwartet hohen Kurzschlusströme sehr stark überbe anspruchs. Dies kann zu Transformatorschäden, zum Ausschlagen von Leitern und zu Störungen in Schaltanlagen führen.
Der Umstand, dass nicht nur die thermischen Auswirkungen des Kurzschlusstromes Schäden herbeiführen, sondern dass die dynamischen Wirkungen Beschädigungen und weitere Störungen auslösen, zwingt zu einer Revision der Schutzvorstellungen. Es zeigt sich dann, dass auch mit einem zusätzlichen Leistungsschalter, der der neuen Kurzschlussleistung gewachsen ist, das schwächere Netz nur zum Teil geschützt werden kann, und dass selbst dieser Hochleistungsschalter nicht imstande ist, die dynamischen Auswirkungen vollständig zu beseitigen.
Eine wirkliche Abhilfe kann nur erreicht werden, wenn eine Begrenzung des Stromes sofort eingreift, also bereits das Einfliessen der ersten Halbwelle des Überstromes beseitigt. Erst dann sind die dynamischen Wirkungen von dem schwachen Netz abgehalten, und die dort befindlichen Schalter sind keinen Überbean- spruchungen mehr ausgesetzt und können daher in der normalen Zeit ihre Abschaltung vornehmen. Auf diese Weise kann der Kurzschluss in der Normalzeit abgeschaltet werden. Es besteht dann für alle anderen zusammengeschlossenen Kraftwerke auch gar nicht mehr die Möglichkeit, in den Kurzschluss des schadhaften Netzes Kurzschlusströme zu liefern, und sie sind nach Abschaltung des lokalen Kurzschlusses sofort wieder für den Normalbetrieb bereit.
Gerade, wenn der Strom während der Fehlerzeit begrenzt ist, ist daher die Fortsetzung des Normalbetriebes in sehr viel kürzerer Zeit möglich, und die Netze fallen längst nicht so leicht auseinander, als dies ohne besondere Massnahmen der Fall wäre.
Es ist schon bekannt, in die Kupplung eine Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen einzuschalten, die verschiedene Vorzeichen und im Normalbetrieb etwa die gleiche Grösse haben, von denen mindestens einer eine Stromabhängigkeit aufweist, die oberhalb eines zugelassenen Grenzstromwertes eine starke Anderung des resultierenden Summenblindwiderstandes und damit Begrenzung des Stromes bewirkt.
Im einfachsten Fall ist eine Reihenschaltung eines Kondensators und einer eisengeschlossenen nichtgesättigten Drosselspule in die Verbindungsleitung eingeschaltet, wobei die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises etwa auf Netzfrequenz abgestimmt ist und wobei die Drossel so ausgelegt ist, dass bei einem vorbestimmten als Grenzwert zu betrachtenden Uber- strom der Eisenkern so weit in Sättigung gerät, dass die Resonanzfrequenz von der Netzfrequenz sich beträchtlich entfernt.
Im Normalbetrieb stellt dieser Schwingkreis, da sich seine Resonanzfrequenz etwa mit der Netzfrequenz deckt, einen sehr geringen Widerstand dar. Beim Auftreten eines Überstromes wird der Schwingkreis durch die Änderung eines seiner Elemente verstimmt, d. h. seine Eigenresonanzfrequenz entfernt sich von der Netzfrequenz, dass sich dem Überstrom ein erheblicher Widerstand entgegenstellt.
Wegen der unerwünschten Folgen von eisengesättigten Kreisen in Netzen wird vorzugsweise die Kapazität als nicht lineares Glied ausgebildet.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der Kondensator über einen Transformator angeschlossen wird, der durch Sättigung seines Eisenkerns eine Begrenzung der Spannung und damit des Kondensatorstromes vornimmt. Das bei dieser Parallelschaltung von Kondensator und Induktivität des Transformators im Überstromfall auftretendes Umspringen von dem kapazitiven in den induktiven Betrieb ist aber u. U. im Hinblick auf einphasige Störungen bei Drehstrom Betrieb unerwünscht.
Oder es ist schon vorgeschlagen worden, den Kondensator durch eine sättigbare Drosselspule und einen Ohm'schen Widerstand zu überbrücken.
Den Überstrom in Hochspannungswechselstromnetzen mittels einer Reihenschaltung einer linearen Induktivität und eineI Kapazität, deren Blindwiderstände praktisch gleich gross sind, in besonders einfacher und zuverlässiger Weise zu begrenzen, wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Kondensator durch einen Nebenzweig überbrückt ist, der aus der Reihenschaltung einer Funkenstrecke oder antiparallel geschalteter steuerbaren Ventile, einer linearen Induktivität und eines Ohm'schen Widerstandes besteht.
Hierbei wird der kapazitive Widerstand überbrückt, um die Begrenzung des Kurzschlusstromes durch das Wirksamwerden der Induktivität zu bewirken und unerwünschte Schwingvorgänge durch kapazitive Stromkomponenten zu vermeiden.
Die lineare Induktivität wird in bekannter Weise durch eine Drossel mit Eisenkern dargestellt, wobei dieser Kern wegen der Streuung im bewickelten Schenkel bzw. in den bewickelten Schenkeln genügend grosse Luftstrecken erhält, die für die Grösse der Induktivität massgebend sind.
Im Folgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen die Wirkungsweise der Erfindung an Hand der Anwendung einer Funkenstrecke erläutert. Die auch vorgesehene Verwendung von antiparallel geschalteten steuerbaren Ventilen hat im Prinzip dieselbe Wirkung.
Die Funkenstrecke wirkt dabei so, dass beim Auftreten von Überströmen der Spannungsabfall am Kondensator einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wodurch die Funkenstrecke anspricht und den einen Blindwiderstand mit einem bestimmten Dämpfungskreis überbrückt, so dass ein beträchtlicher, vorzugsweise ohminduktiver Gesamtwiderstand wirksam wird.
Mit der Aufhebung des Kurzschlusses und dem Rückgang des Überstromes geht auch die Spannung an den Blindwiderständen wieder auf ihren Normalwert zurück und der Lichtbogen an der Funkenstrecke erlischt. Damit ist der Normalzustand wieder hergestellt und der Summenwiderstand der Kupplung wieder ein Minimum. Es muss also die Ansprechspannung der Funkenstrecke über der Spannung der Blindwiderstände bei Nennstrom liegen.
Um die Funkenstrecke vor Überlastung, insbesondere durch Dauerkurzschlusströme zu schützen, wird weiter vorgeschlagen, parallel zur Funkenstrecke einen Schalter vorzusehen, der nach dem Ansprechen der Funkenstrecke schliesst und diese kurzschliesst. Mit der Funkenstrecke werden dann nur die ersten und insbesondere dynamisch wirksamen Halbwellen des Kurzschlusstromes abgefangen, den weiteren reduzierten Kurzschlusstrom führt dann der geschlossene Schalter
Der Schalter bewirkt auch ein Erlöschen der Funkenstrecke bei Verwendung von nicht selbst löschenden Funkenstrecken. Bei Verwendung von selbst löschenden Funkenstrecken wird die Löschung des Lichtbogens durch magnetische Belastung oder durch Druckluftbelastung ermöglicht.
Der Vorteil der Anordnung gegenüber der vorgeschlagenen Anordnung nur mit sättigbarer Drosselspule und Widerstand im Nebenschluss zum Kondensator besteht darin, dass der Kondensator selbst eine wesentlich niedrigere Spannungsbeanspruchung erfährt und damit viel billiger ausgeführt sein kann als die Lösung mit Sättigungsdrossel.
Der Kondensator erhält bei einer Bemessung des Ohmwertes des Widerstandes R im Nebenschluss zum Kondensator in einem Verhältnis zum Blindwiderstand des Kondensators xc wO bei etwa 0,1-1,0 und dem Verhältnis des Blindwiderstandes der Induktivität im Nebenschluss X = oL zum Kondensator zum Blindwiderstand des Kondensators Xc = --- oC mit 0,2-1,2, nur eine kurzzeitige Überspannung von etwa einer Halbwelle, die niedriger als die entsprechende Überspannung bei der Lösung mit Sättigungsdrossel ist, und hat auch während der übrigen Kurzschlusszeit einen niedrigeren Spannungsfall als bei der Lösung mit Sättigungsdrossel, so dass sich sein KVA Preis nicht oder wenig erhöht.
Diese Verringerung der Beanspruchungen werden dadurch bewirkt, dass die Funkenstrecke die Kondensatorspannung direkt begrenzt und nicht ihr Zeitintegral wie bei der Lösung mit Sättigungsdrossel, und dass nicht in jeder Halbschwingung die Sättigungsspannung überwunden werden muss.
Für die praktische Verwertbarkeit eignen sich die engern Bereiche von
R 0,2-0,4 für - und xc
X 0,4-0,8 für - besondle°s.
Xc
Fig. 1 zeigt das Grundschaftbild mit dem im Normalbetrieb abgeglichenen Reihenschwingkreis aus der linearen Induktivität 1 und dem Kondensator 2, wobei der Kondensator 2 durch einen Nebenzweig überbrückt ist, bestehend aus der Reihenschaltung aus Funkenstrecke 3, Ohm'schen Widerstand 4 und linearer Induktivität 5.
In Fig. 2 ist parallel zur Funkenstrecke 3 der zum Schutze der Funkenstrecke gegen längere Kurzschlussströme angeordnet Schalter 6 dargestellt.
Anhand der Fig. 3 wird die Wirkungsweise erläutert: In dieser Figur ist die Schaltung bei angebrochener Funkenstrecke dargestellt. Sie besteht aus linearen Elementen und ist deshalb einer Berechnung leicht zugänglich.
Man erhält für dlle Wirkkomponente des Netzstromes:
R iEW = k
Xc und für die Blindkomponente:
EMI3.1
Xc 1 # C
X = # L
In = Nennstrom Un = Ncnnphasenspannung
Die Spannung am Kondensator im Kunschlussfaill ist:
EMI3.2
Rn Un = Nenabürdenwiderstand = ---
In ucn = Spannungsfall am Kondensator bez Ncnnstrom
Und der Strom über die Funkenstrecke und die Elemente R und X beträgt JF.S. = k und ist bezüglich der Netzspannung ein reiner Blind strom. Für z. B.
Rn k = = 4,5;
Xc
R = = 0,22;
XG
X ¯¯¯¯¯ = 0,6 xc wird:
Jw = Jn; JEb = 1,8 Jn;
EMI3.3
UCK = 2,88 Ucn; 1F.S. = 4,5
Es ist also möglich, mit der beschriebenen Anordnung eine scharfe Strombegrenzung zu erzielen. Das wird, wie bei Anwendung einer sättigbaren Drossel an Stelle der Funkenstrecke durch eine dem Kondensator aufgezwungene Gegenspannung bewirkt. Diese Gegenspannung kann jedoch geringer sein, da nicht immer wieder die Sättigungsspannung der Drossel zu überwinden ist, und die Spannung direkt begrenzt wird.
Der Kondensator ist für kurze Zeit (z.B. 1 sec) durchaus in der Lage, Spannungen der Grösse 2,5 bis 3 UCn zu ertragen, ohne dass sein KVA-Preis (der sich aus der Nennleistung J,2XG errechnet) hierdurch nennenswert beeinflusst wird.
Auch hier sind Kondensator und Hauptdrossel im Nennbetrieb für 222 MVA auszulegen, wenn bei 1000 MVA Durchgangsnennleistung eine Begrenzung der Kurzschlussleistung auf ca. 2000 MVA gefordert wird. Während sich der KVA-Preis des Kondensators bei Lösung mit Sättigungsdrossel wegen der hohen Überbeanspruchung (C = 3,4 Ucn gegenüber UCK = Ucn im betrachteten Beispiel) merklich erhöht, ist bei der neuen Lösung der Kondensator etwa gerade so ausgenutzt, wie es seinen normalen Fähigkeiten entspricht, so dass sich hieraus ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber bisher bekannten Lösungen ergibt.
Würde man den Gegenspannungseffekt des Kondensators nicht ausnutzen, d. h. würde man den Kondensator mit einer Funkenstrecke praktisch widerstandslos überbrücken, dann würde der Kurzschlusswechselstrom nur auf den 4,5-fachen Wert des Nennstromes begrenzt, wozu noch ein Gleichstromglied etwa gleicher Grösse käme.
Wegen der linearen Elemente wird die Kurzschlusskennlinie JK = f(U-) im Gegensatz zur Schaltung mit Sättigungsdrossel eine Gerade und irgendwelche Kippungen oder ähnliches sind nicht zu erwarten.
Da der Widerstand 4 den Strom vergrössert, ist er mit Rücksicht auf die transienten Vorgänge so gross wie nötig und so klein wie möglich auszulegen. Bei dem im Beispiel gewählten Wert R = 0,22 Xc werden die beim Ansprechen der Funkenstrecke auftretenden transienten Glieder in den Strömen und Spannungen nach einer Periode praktisch abgeklungen sein. Eine Spannungsspitze am Kondensator ist deshalb nur einmal zu erwarten. Der Kondensator ist ohne erhöhten Aufwand in der Lage, eine solche einmalige Beanspruchung auszuhalten. Die Elemente 4 und 5 des Nebenschlusses sind im Normalbetrieb nicht stromdurchflossen, so dass hier keinerlei Verluste entstehen. Da sie nur für Kurzzeitbetrieb auszulegen sind (1 sec), fallen sie verhältnismässig klein aus.
Die Funkenstrecken selbst können selbstlöschend (mit Beblasung) oder nicht selbstlöschend sein. Vorteilhaft wäre eine Funkenstrecke, die während der Kurzschlusszeit nicht beblasen wird, wodurch ein dauerndes Zünden der Funkenstrecke und damit Entladen des Kondensators vermieden wird, diese aber sofort nach Beendigung des Kurzschlusses beblasen wird, so dass für eine schnelle Entionisierung der Funkenstrecke gesorgt wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die dynamische Stabilität der Netze, die über die erfindungsgemässe Anordnung verbunden sind, gefährdet ist. Anstelle der Funkenstrecke kann man auch steuer bare Ventile verwenden, die bei Überschreiten einer bestimmten Kondensatorspannung gezündet werden.
Die Zündung kann hierbei periodisch in jeder Halbwelle erfolgen, oder man kann bei Eintritt der Überspannung eine Gleichspannung an die Steuerelektrode legen, die erst nach Beendigung des Kurzschlusses weggenommen wird, so dass während der Kurzschlusszeit ein dauerndes Zünden vermieden wird, andererseits eine sofortige Sperrung bei Beendigung des Kurzschlusses erfolgt.