CH666770A5 - Strombegrenzungsvorrichtung. - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Begrenzen des von einer Stromquelle zu einem Verbraucher fliessenden Stroms nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.



   Solche Strombegrenzungsvorrichtungen können zur Herabsetzung der Abschaltleistung von Schaltern und zur Begrenzung der Kurzschlusswirkung in elektrischen Energieübertragungsund Verteilnetzen eingesetzt werden. Dies ist mit Rücksicht auf die zunehmende Vermaschung der elektrischen Netze im Hinblick auf eine gute Versorgungssicherheit und einen wirtschaftlichen Betrieb und die dadurch bedingte Zunahme der Kurzschlussströme geboten.



   Eine Strombegrenzungsvorrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Art ist etwa aus der US A-3 671 810 bekannt. Die bekannte Vorrichtung enthält einen ferromagnetischen Kern mit zwei äusseren Schenkeln und einem ein freies Ende aufweisenden mittleren Schenkel. Die beiden äusseren Schenkel tragen jeweils eine von zwei hintereinandergeschalteten und vom Verbraucherstrom durchflossenen Drosselspulen. Der mittlere Schenkel ist mit seinem freien Ende geringfügig von einem Joch beabstandet, durch welches der magnetische Fluss des von den stromdurchflossenen Drosselspulen erzeugten magnetischen Feldes geführt wird. Im Bereich eines zwischen dem freien Ende des mittleren Schenkels und dem Joch befindlichen Spaltes ist ein Permanentmagnet mit einer Remanenz vorgesehen, welche aureicht, den ferromagnetischen Kern bei Betriebsstrom des Verbrauchers magnetisch zu sättigen.



   Da Drosselspulen mit gesättgtem ferrromagnetischem Kern nur eine geringe Reaktanz aufweisen, setzt eine solche Strombegrenzungsvorrichtung dem normalen Betriebsstrom lediglich einen kleinen Widerstand entgegen. Bei Auftreten eines Kurzschlusstromes hebt das von den Drosselspulen hervorgerufene magnetische Feld jedoch die Remanenz des Permanentmagneten nahezu vollständig auf, wodurch der ferromagnetische Kern entsättigt wird und die Reaktanz der Drosselspulen ganz erheblich zunimmt. Demzufolge setzt die Strombegrenzungsvorrichtung dem Kurzschlussstrom einen erheblichen Widerstand entgegen und begrenzt ihn.



   Bei dieser Strombegrenzungsvorrichtung ist der Permanentmagnet jedoch unmittelbar dem Einfluss des magnetischen Feldes der Drosselspulen ausgesetzt. Wäre der zu begrenzende Strom ein Wechselstrom, so befände sich der Permanentmagnet im magnetischen Wechselfeld der Drosselspulen, in welchem er entmagnetisiert werden würde.



   Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Strombegrenzungsvorrichtung der gattungsgemässen Art anzugeben, welche in einfa  cher und wirkungsvoller Weise zur Begrenzung von Wechselströmen beliebiger Grösse geeignet ist.



   Die Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.



   Bei der erfindungsgemässen Strombegrenzungsvorrichtung ist der dem magnetischen Feld der stromdurchflossenen Drosselspulen entgegenwirkende Magnet im wechselfeldneutralen Bereich des ferromagnetischen Kerns angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die erfindungsgemässe Strombegrenzugsvorrichtung zuverlässig und wartungsfrei zu betreiben und sie auch in elektrischen Energieübertragungsnetzen mit hohen Speiseleistungen einzusetzen.



   Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.



   Eigeschaften und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten und die Erfindung nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels näher erläuert.



   Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine einphasig und stark vereinfacht dargestellte Schaltung eines Energieübertragungssystems mit einer erfindungsgemässen Strombegrenzungsvorrichtung,
Fig. 2 eine Aufsicht auf eine vereinfacht und teilweise schematisch dargestellte Stromberenzungsvorrichtung nach Fig. 1 mit zwei in Reihe geschalteten Drosselspulen, und
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Drosselreaktanz   XD    der Strombegrenzungsvorrichtung nach Fig. 1 von der Durchflutung der Drosselspulen.



   In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleiche Teile. Bei der in Fig. 1 angegebenen Schaltung befindet sich die erfindungsgemässe Strombegrenzungsvorrichtung 1 zwischen einer Wechselstromquelle 2 mit der Spannung U und   einem - beispielsweise      ohmschen - Verbraucher    3. Zwischen Strombegrenzungsvorrichtung 1 und Verbraucher 3 befindet sich ein Leistungsschalter 4, dessen nicht dargestelltes Erregerorgan mit dem Ausgang eines in Fig. 1 ebenfalls nicht dargestellten Spannungswandlers 5 in Wirkverbindung steht. Die Strombegrenzungsvorrichtung 1 weist bei normalen Betriebsbedingungen gegenüber einem von der Stromquelle 2 zum Verbraucher 3 fliessenden Strom 1 lediglich eine geringe Impedanz auf.

  Bei Kurzschlussströmen wirkt sie jedoch mit einer wesentlich höheren Impedanz und begrenzt auf diese Weise die von der Stromquelle 2 zum Verbraucher 3 fliessenden Ströme.



   Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, enthält die Strombegrenzungsvorrichtung 1 einen ferromagnetischen Kern 6 mit vier Schen   keln    7, 8, 9, 10 und zwei inneren Jochen 11 und 12. Die inneren Joche 11 bzw. 12 weisen jeweils zwei voneinander beabstandete Jochabschnitte 13, 14 bzw. 15, 16 mit einander zugewandten freien Enden auf. Zwischen den freien Enden der Jochabschnitte 13 und 14 bzw. 15 und 16 verbleibt jeweils ein beispielsweise einige Zentimeter breiter Spalt, in welchem den Jochquerschnitt füllende Magnete 17 bzw. 18 angeordnet sind. Diese Magnete sind derart angeordnet, dass ihr magnetischer Fluss IM in dem aus dem Magneten 17, dem Jochabschnitt 14, dem Schenkel 9, dem Jochabschnitt 16, dem Magneten 18, dem Jochabschnitt 15, dem Schenkel 8 und dem Jochabschnitt 13 gebildeten magnetischen Kreis geführt wird.

  Solche Magnete können beispielsweise Permanentmagnete mit hoher Koerzitivfeldstärke und hoher Remanenz sein, wie beispielsweise Permanentmagnete auf der Basis von   Kobalt -    Seltene Erde-Legierungen. In diesem Fall empfiehlt es sich, den Querschnitt der Jochabschnitte 13, 14, 15 und 16 senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses IM grösser zu machen als den entsprechenden Querschnitt der Schenkel 8 und 9, um so die magnetische Flussdichte in diesen Schenkeln gegenüber der magnetischen Flussdichte in den Magneten 17 und 18 zu erhöhen. Es ist aber auch denkbar, anstelle von Permanentmagneten fremdstromerregte Elektromagnete zu verwenden. Zur Erzielung eines magnetischen Flusses IM in den beiden Schenkeln 8 und 9 reicht bereits ein einziger Magnet, z.B. 17 aus.

  In diesem Falle ist es erforderlich, den Fluss IM über ein in der Fig. 2 nicht dargestelltes, einstückig ausgebildetes Joch 12 vom Schenkel 8 zum Schenkel 9 zu führen.



   An die Jochabschnitte 13, 14, 15 und 16 schliessen sich äussere Joche 19, 20, 21 und 22 an. Das Joch 19, der Schenkel 8, das Joch 21 und der Schenkel 7 bilden einen ringförmig, geschlossenen ferromagnetischen Teilkern 23. Entspreched bilden das Joch 22 und der Schenkel 9 einen vom Teilkern 23 durch die Jochabschnitte 13 und 14 sowie 15 und 16 beabstandeten, ringförmig geschlossenen ferromagnetischen Teilkern 24. Auf jedem der Teilkerne 23 bzw. 24 ist jeweils eine vom Strom 1 durchflossene Drosselspule 25 bzw. 26 angebracht. Diese Drosselspulen sind hintereinander geschaltet und weisen gleiche Windungszahl und gleichen Wicklungssinn auf.



   Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 sind die Drosselspulen 25 und 26 zwar auf den inneren Schenkel 8 und 9 angebracht, es ist aber auch möglich, sie auf den äusseren Schenkeln 7 und 10 oder an den Jochen 19, 20, 21 und 22 anzubringen.



  Wichtig ist hierbei vor allem, dass die durch die magnetische Wirkung des Stromes I in den Drosselspulen 25 bzw. 26 hervorgerufenen magnetischen Flüsse   IL    bzw.   IR    in den Teilkernen 23 und 24 in bezug auf die Dauermagnete 17 und 18 gleichen   Rich-    tungssinn aufweisen, da dann die Magnete 17 und 18 im wesentlichen dem entmagnetisierenden Einfluss der Magnetfelder der Drosselspulen 25 und 26 entzogen sind. Ein besonders guter Schutz vor der entmagnetisierenden Wirkung der magnetischen Felder der Drosselspulen 25 und 26 wird dann erreicht, wenn der ferromagnetische Kern 6 hinsichtlich der beiden Teilkerne 23 und 24 symmetrisch ausgebildet ist und die Drosselspulen 25 und 26 zusätzlich noch an einander entsprechenden Stellen der Teilkerne 23 und 24, z.B. an den beiden Schenkeln 8 und 9, angeordnet sind.



   Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Strombegrenzungsvorrichtung ist nun wie folgt:
Die Remanenz beider Magnete 17 und 18 ist derart bemessen, dass die aus ferromagnetischem Material bestehenden und vom magnetischen Fluss IM durchsetzten inneren Schenkel 8 und 9 bei stromlosen oder nur von normalen Betriebsströmen I durchflossenen Drosselspulen 25 und 26 magnetisch gesättigt sind. Die Reaktanz XD jeder der beiden Drosselspulen 25 bzw.



  26 ist dann sehr gering. Dies ist aus Fig. 3 entnehmbar, in welcher Figur die Reaktanz   XD    der Drosselspulen in Funktion ihrer Durchflutung   e    dargestellt ist. Bei annähernd stromlosen Drosselspulen und daher lediglich von der Durchflutung   0M    der Magnete 17 und 18 beaufschlagten Schenkeln 8 und 9 ist ersichtlich die Reaktanz   Xn    äusserst gering. Die Reaktanz   XD    ist auch gering, wenn die Drosselspulen 25 und 26 mit normalen Betriebsströmen beaufschlagt werden, da je nach Polarität der jeweiligen Halbwelle des beaufschlagenden Wechselstroms dann jeweils in einer der beiden Drosselspulen zusätzlich höchstens eine dem Scheitelwert des beaufschlagenden Stroms proportionale Durchflutung   OLN    und   ORN    wirksam wird.

  Da die Drosselspulen 25 und 26 bei ausreichender magnetischer Sättigung der beiden mittleren Schenkel 8 und 9 eine geringe Reaktanz   XD    aufweisen, fällt an der erfindungsgemässen Strombegrenzungsvorrichtung im Normalbetrieb nur eine entsprechend geringe Spannung ab.

 

   Bei Kurzschluss erzeugen die beiden Drosselspulen 25 und 26 Durchflutungen   ÖLK    und    RK.    Diese Durchflutungen sind je nach Stromrichtung der Durchflutung   0M    der Magnete 17 bzw.



  18 entgegengerichtet. Dabei wird je nach Stromrichtung für eine der beiden Drosselspulen 25 bzw. 26 die magnetische Sättigung in ihrem magnetischen Kreis stark geschwächt oder sogar aufgehoben. Auch dies ist aus Fig. 3 ersichtlich, in welcher Figur auch die Sättigungsdurchflutung   95    der Drosselspulen 25 und 26 angegeben ist. Dies bewirkt im vorgenannten magneti  scken Kreis einen geringeren magnetischen Widerstand entsprechender Wechselflusszunahme. Über der Drosselspule des jeweils entsättigten magnetischen Kreises fällt entsprechend dem grösseren Wechselfluss eine grössere Wechselspannung UD ab.

 

  Diese Spannung   UD    begrenzt den Kurzschlussstrom.



     Bin    Auslösesignal für den Leistungsschalter 4 kann über den Spannungswandler 5 oberhalb eines vorgegebenen Grenzwertes gebildet werden. Nach Abschaltung des Fehlerstroms ist die erfindungsgemässe Strombegrenzungsvorrichtung sofort wieder einsatzbereit. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Begrenzen des von einer Stromquelle (2) zu einem Verbraucher (3) fliessenden Stroms mit - einem mindestens zwei ringförmige Teilkerne (23, 24) und mindestens zwei voneinander beabstandete Kernabschnitte aufweisenden ferromagnetischen Kern (6), - mindestens einem benachbart zu den beiden Kernabschnitten angebrachten Magneten (z.B.

   17) mit einer Stärke, welche bei Betriebsstrom des Verbrauchers (3) ausreicht, zumindest einen Teil des ferromagnetischen Kerns (6) magnetisch zu sättigen, zwei auf je einem der Teilkerne (23, 24) angebrachten Drosselspulen (25, 26) welche zueinander in Serie zwischen Stromquelle (2) und Verbraucher (3) geschaltet sind und Wicklungen aufweisen, welche ausreichen, bei Auftreten eines Kurzschlusstroms die magnetische Sättigung im ferromagnetischen Kern (6) gegen die magnetische Kraft des mindestens einen Magneten (z.B.

   17) aufzuheben, dadurch gekennzeichnet, - dass die beiden Teilkerne (23, 24) jeweils ringförmig geschlossen ausgebildet und voneinander durch die mindestens zwei Kernabschnitte beabstandet sind, und - dass in beiden Teilkernen (23, 24) jeweils mindestens ein magnetisch sättigbares Teilstück vorgesehen ist, welche beide Teilstücke zusammen mit den mindestens zwei Kernabschnitten den magnetischen Fluss des den mindestens zwei Kernabschnitten zugeordneten Magneten (z.B. 17) führen.

   Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der ferromagnetische Kern (6) aus Jochen (11, 12; 19, 20; 21, 22) und zwischen diesen Jochen angeordneten Schenkeln (7, 8, 9, 10) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, - dass der Kern (6) vier Schenkel (7, 8, 9, 10) und sechs Joche aufweist, - von denen jeweils ein äusserer und ein innerer Schenkel (z.B. 8) sowie jeweils zwei äussere (19, 21) der sechs Joche jeweils einen der beiden Teilkerne (z.B. 23) bilden, - und ein innerer (z.B. 8) der beiden Schenkel eines Teilkerns (z.B. 23) das magnetisch sättigbare Teilstück dieses Teilkerns (z.B. 23) ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass die mindestens zwei den Fluss (M) des mindestens einen Magneten (z.B. 17) aufnehmenden Kernabschnitte Abschnitte eines ersten (z.B. 11) zweier innerer der sechs Joche sind, und - dass diese Jochabschnitte (z.B. 13, 14) an den inneren Schenkeln (8, 9) beider Teilkerne (23, 24) angebracht sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass der Magnet (z.B. 17) ein zwischen freien Enden beider Jochabschnitte (z.B. 13, 14) befindlicher Permanentmagnet ist, und - dass der Querschnitt jedes der beiden Jochabschnitte (z.B. 13, 14) senkrecht zur Richtung des von diesen Abschnitten geführten magnetischen Flusses (M) des Permanentmagneten grösser ist als der Querschnitt jedes der beiden inneren Schenkel (8, 9) senkrecht zur Richtung des von diesen Schenkeln geführten magnetischen Flusses (M) des Permanentmagneten.

   5. Vorrichtung nach einem der Anprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, - dass an den beiden inneren Schenkeln (8, 9) zwei voneinander beabstandete Abschnitte eines zweiten (z.B. 12) der beiden inneren Joche (11, 12) angebracht sind, und - dass zwischen freien Enden dieser beiden Jochabschnitte (z.B. 15, 16) ein den magnetischen Fluss (IM) verstärkender weiterer Magnet (z.B. 18) vorgesehen ist.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, - dass das zweite (z.B. 12) der beiden inneren Joche (11, 12) als an den inneren Schenkeln (8, 9) anliegendes und den magnetischen Fluss (IM) führendes ferromagnetisches Verbindungsstück ausgebildet ist.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass der ferromagnetische Kern (6) hinsichtlich der beiden Teilkerne (23, 24) symmetrisch ausgebildet ist.

   8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die Drosselspulen (25, 26) an einander entsprechenden Stellen beider Teilkerne (23, 24) angebracht sind.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass die beiden Drosselspulen (25, 26) an den beiden inneren Schenkeln (8, 9) angebracht sind.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass die beiden Drosselspulen (25, 26) an den beiden äusseren Schenkeln (7, 10) angebracht sind.