DE102005040432A1

DE102005040432A1 - Strombegrenzender Schalter

Info

Publication number: DE102005040432A1
Application number: DE200510040432
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl.-Ing. Meyer; Rik W. A. A. de Prof. Dr. Doncker; Maurice Dipl.-Ing. Kowal
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Flexible Elektrische Netze Fen De GmbH
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-01
Also published as: WO2007022744A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Schalter mit einem eine mechanische Schalteinheit enthaltenden Hauptstrompfad und mit mindestens einem parallel zum Hauptstrompfad verlaufenden Kommutierungspfad, in dem eine leistungselektronische Schalteinheit angeordnet ist, wobei in Reihe zu der leistungselektronischen Schalteinheit eine kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen strombegrenzenden Schalter mit einem eine mechanische Schalteinheit enthaltenden Hauptstrompfad und mit mindestens einem parallel zum Hauptstrompfad verlaufenden Kommutierungspfad, in dem eine leistungselektronische Schalteinheit angeordnet ist.

Aus der DE 199 53 551 C1 ist ein strombegrenzender Schalter bekannt, der als so genannter Hybridschalter einen Hauptstrompfad sowie zwei Kommutierungspfade aufweist, wobei die Pfade jeweils unterschiedliche Schalteinheiten aufweisen. Der Hauptstrompfad, durch den im Normalfall ein Netzstrom geleitet wird, weist eine mechanische Schalteinheit auf, die im Kurzschlussfall (Schaltfall) geöffnet wird, wobei sich ein Lichtbogen ausbildet. Zur Begrenzung des Kurzschlussstromes wird der Strom in den ersten und zweiten Kommutierungspfad kommutiert. Der erste Kommutierungspfad weist hierzu eine mechanische Schalteinheit und eine in Reihe zu derselben angeordnete leistungselektronische Schalteinheit auf, so dass der erste Kommutie rungspfad im Kurzschlussfall kurzzeitig und impulsartig von dem kommutierten Strom durchflossen werden kann. Der zweite Kommutierungspfad enthält einen strombegrenzenden Widerstand, dessen Zeitverzögerung ausreicht, um den Öffnungsvorgang im Hauptstrompfad und in dem ersten Kommutierungspfad zu beenden.

Nachteilig an dem bekannten strombegrenzenden Schalter ist, dass der Kurzschlussstrom während der Abschaltdauer weiterhin ungehindert ansteigen kann. Der Kurzschlussstrom wird lediglich vom Hauptstrompfad auf den ersten Kommutierungspfad umgeleitet, um den Hauptstrompfad, an dessen mechanischer Schalteinheit sich ein Lichtbogen ausbildet, zu entlasten. Eine Strombegrenzung erfolgt erst nach weiterer Kommutierung auf den zweiten Kommutierungspfad. Nachteilig ist weiterhin, dass ein abschaltbarer Halbleiter notwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen strombegrenzenden Schalter derart weiterzubilden, um mit geringem Bauteileaufwand Ströme insbesondere im Kurzschlussfall in Hoch- und Mittelspannungsnetzen wirksam zu begrenzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu der leistungselektronischen Schalteinheit eine kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit angeordnet ist.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Schalters besteht darin, dass durch Vorsehen einer kapazitiven Kurzschlussbegrenzungseinheit in einem Kommutierungspfad eine zu der Netzspannung entgegen gerichtete Gegenspannung während des Schaltvorgangs aufgebaut wird, die den Anstieg des Kurzschlussstromes begrenzt. Dadurch, dass der wider stand des Kommutierungspfades wesentlich kleiner ist als der Widerstand der mechanischen Schalteinheit im Hauptstrompfad, kann der Netzstrom relativ schnell auf den Kommutierungspfad kommutieren. Die damit verbundene relativ kurze Lichtbogenzeit im Hauptstrompfad ermöglicht, dass mechanische Kontakte der mechanischen Schalteinheit des Hauptstrompfades eine relativ geringe Abnutzung während des Abschaltvorganges erfahren. Dadurch, dass die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit den maximalen Kurzschlussstrom verringert, kann der Kurzschlussstrom schneller auf ein zulässiges Maß zurückgeführt werden, was die Abschaltzeit des Schalters verringert. Es bildet sich ein relativ steiler, aber kurzer Kurzschlussstromanstieg aus, so dass die Möglichkeit gegeben ist, in Gleichspannungsnetzen hoher Leistung Kurzschlüsse abzuschalten.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit eine Kapazität auf, die mittelbar von der Induktivität des Netzes und/oder der Höhe des Netzstromes zu Beginn des Abschaltvorganges abhängig ist. Nachdem die leistungselektronische Schalteinheit des Kommutierungspfades in einen leitenden Zustand gesetzt worden ist, bewirkt die Induktivität des Netzes bzw. die Lichtbogenspannung des Hauptstrompfades die Aufladung der kapazitiven Kurzschlussbegrenzungseinheit.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit in einem Ausgangszustand entladen ausgebildet. Folglich ist eine entgegengesetzte Aufladung der kapazitiven Kurzschlussbegrenzungseinheit im Ausgangszustand nicht erforderlich.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit lediglich durch einen Kon densator und die leistungselektronische Schalteinheit lediglich durch mindestens einen Thyristor gebildet, so dass der Bauteileaufwand relativ gering ist. Vorteilhaft wird ein Thyristor und kein abschaltbarer Halbleiter verwendet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die leistungselektronische Schalteinheit durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren gebildet, die ein Betätigen des erfindungsgemäßen Schalters in zwei entgegengesetzten Stromrichtungen ermöglichen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein weiterer Kommutierungspfad vorgesehen, der eine Überspannungsschutzeinheit aufweist. Die Überspannungsschutzeinheit ist vorzugsweise durch einen Varistor gebildet, dessen Schwellspannung größer ist als die Netzspannung. Der Thyristor des ersten Kommutierungspfades dient zum Abschalten desselben und somit zur Stromkommutierung auf den zweiten Kommutierungspfad, in dem der Varistor die Induktivität des Netzes abmagnetisiert. Durch den Thyristor des ersten Kommutierungspfades werden im Übrigen Oszillationen vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines strombegrenzenden Schalters, der an ein einphasiges Mittelspannungsnetz oder an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen ist,
2 eine Darstellung der Ströme während des Abschaltvorganges und
3 eine Darstellung der Spannung während des Abschaltvorganges.
Ein strombegrenzender Schalter 1 kann in allen Netzen und Stromformen der elektrischen Energieversorgung für Schalthandlungen und insbesondere als Kurzschlussunterbrecher eingesetzt werden. Bei dem Einsatz in Wechselspannungsnetzen liegen die Vorteile des Schalters 1 vorzugsweise im Bereich der Reduktion von Kurzschlussströmen und dem reduzierten Verschleiß von einer mechanischen Schalteinheit. In Gleichspannungsnetzen liegt der Vorteil vorzugsweise darin, hohe Ströme abzuschalten.
Der im Folgenden beschriebene Schalter 1 kann in Form einer Parallel- und/oder Reihenschaltung für verschiedene Spannungs- bzw. Leistungsklassen verwendet werden. Insbesondere bei dem Einsatz in Gleichstromnetzen ermöglicht der erfindungsgemäße Schalter 1, dass relativ hohe Verluste von Zusatzinduktivitäten zur Strombegrenzung vermieden werden. Als Einsatzfeld kann vorzugsweise die Schutztechnik von Gleichstrom-Netzstrukturen für Offshore-Windparks in Frage kommen.
Der strombegrenzende Schalter 1 umfasst nach der Ausführungsform gemäß 1 zum einen eine mechanische Schalteinheit 2, die in einem Hauptstrompfad H angeordnet ist. Die mechanische Schalteinheit 2 kann als ein schneller mechanischer Schalter ausgebildet sein ohne das Vorsehen einer Lichtbogenlöschvorrichtung. Im Normalfall ist die mechanische Schalteinheit 2 in einem geschlossenen Zustand, so dass ein Netzstrom I_G (Nennstrom) eines nicht dargestellten Generators zu einem nicht dargestellten Verbraucher ausschließlich über den Hauptstrompfad H fließen kann.
Im vorliegenden Fall ist der Schalter 1 an ein 20kV-Gleichspannungsnetz angeschlossen.
Der Schalter 1 umfasst des Weiteren einen ersten Kommutierungspfad K₁ und einen zweiten Kommutierungspfad K₂, die parallel zu dem Hauptstrompfad H angeordnet sind.
Der erste Kommutierungspfad K₁ weist eine leistungselektronische Schalteinheit 3 sowie eine in Reihe zu derselben geschaltete kapazitive Kurschlussbegrenzungseinheit 4.
Der zweite Kommutierungspfad K₂ weist eine Überspannungsschutzeinheit 5 auf, die vorzugsweise einen spannungsabhängigen Widerstand (Varistor) umfasst. Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der zweite Kommutierungspfad K₂ entfallen.
Die leistungselektronische Schalteinheit 3 umfasst zwei antiparallel geschaltete Thyristoren T, die durch Zündung die Stromkommutierung von dem Hauptstrompfad H zu dem ersten Kommutierungspfad K₁ im Fall eines Kurzschlusses einleiten. Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die leistungselektronische Schalteinheit 3 auch lediglich einen einzigen Thyristor T aufweisen, so dass der Schalter 1 lediglich unidirektional einsetzbar ist.
Im Folgenden wird das Abschaltverhalten des Schalters 1 anhand der 2 und 3 erläutert. Der Schalter 1 ist an einem 20kV-Gleichspannungsnetz angeschlossen. Der Nennstrom I_G beträgt 2 kA; die Nennleistung beträgt 40 MW. Mit Erreichen einer Stromstärke von 3 kA erkennt die mechanische Schalteinheit 2 einen Überstrom und leitet durch Öffnen der Schalteinheit 2 den Abschaltvorgang ein. Zu einem ersten Kommutierungszeitpunkt t_K1, an dem der Strom auf 3,4 kA angestiegen ist, erfolgt eine erste Stromkommutierung von dem Hauptstrompfad H auf den ersten Kommutierungspfad K₁. Die Verzögerung der Stromkommutierung zwischen dem Stromwert 3 kA und 3,4 kA ergibt sich aus der Detektionszeit und der Auslöseverzögerung einer Messeinrichtung der in der mechanischen Schalteinheit 2 integrierten Messeinrichtung und des eigentlichen Schalters der Schalteinheit 2.
Nach der Stromkommutierung von dem Hauptstrompfad H auf den ersten Kommutierungspfad K₁ erfolgt ein weiterer Anstieg des Stromes I_S, wobei die aus einem Kondensator C bestehende kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit 4 nach und nach aufgeladen wird. Die dabei ansteigende Spannung U_C am Kondensator C entspricht der Spannung am mechanischen Schalter U_M. Der Kondensator C wird in Richtung der Netzspannung U_M aufgeladen und sorgt dadurch für eine Gegenspannung, die zu einer reduzierten Spannung über der Netzinduktivität führt und folglich den Stromanstieg begrenzt.
Wie aus 3 zu ersehen ist, übersteigt der Anstieg des Spannungsabfalls U_M der schnellen mechanischen Schalteinheit 2 nie einen Wert von 80 V/μs, so dass die Wiederverfestigung der Luftstrecke immer schneller ist als der Spannungsanstieg. Eine Wiederentzündung des Lichtbogens im Hauptstrompfad H kann dadurch vermieden werden. Der Anstieg des Spannungsabfalls U_M der mechanischen Schalteinheit 2 kann durch die Kapazität des Kondensators C beeinflusst werden. Durch Erhöhung der Kapazität des Kondensators C kann ein beliebiger Wert eingestellt werden, insbesondere auch für langsame mechanische Schalter. Dabei wird in Kauf genommen, dass der Maximalwert des Stromes erhöht wird.
Der Kondensator C ermöglicht eine Strombegrenzung, wobei zum Zeitpunkt t_MAX des Maximums I_MAX des Stromes I_S der Spannungsabfall U_C am Kondensator C genau der Netzspannung U_N, also 20 kV entspricht. Mit weiterer Aufladung des Kondensators C fällt zunehmend eine negative Spannung U_C über der Netzinduktivität ab, so dass es bereits zu diesem Zeitpunkt zur Reduzierung des Kurzschlussstromes kommt.
Bei einer weiteren Stromkommutierung von dem ersten Kommutierungspfad K₁ auf den zweiten Kommutierungspfad K₂ beträgt der Spannungsabfall über der mechanischen Schalteinheit 2 30 kV. Eine über die antiparallelen Thyristoren T abfallende Spannung U_T ist während des Stromflusses durch den ersten Kommutierungspfad K₁ und zweiten Kommutierungspfad K₂ annähernd Null.
Wie aus 2 ersichtlich ist, erfolgt die Stromkommutierung von dem ersten Kommutierungspfad K₁ auf den zweiten Kommutierungspfad K₂ zu einem Zeitpunkt t_U2, in dem der Kurzschlussstrom I_S seinen Maximalwert wieder unterschritten hat. Die Stromkommutierung auf den Kommutierungspfad K₂ erfolgt, sobald die Kondensatorspannung U_C oberhalb der Schwellspannung des Varistors 5 liegt. Die Spannung U_M hat zum Zeitpunkt t_K2 den Spannungswert 30 kV erreicht, der dem Schwellwert des Varistors 5 entspricht. Der weiterhin abfallende Kurzschlussstrom I_V fließt nun allein durch den zweiten Kommutierungspfad K₂, bis er gegen Null abfällt. Das Zündsignal für den Thyristor T wird deaktiviert, um die nach dem Nullwerden des Netzstromes sich einstellenden Schwingungen zwischen der Netzinduktivität und dem Kondensator C zu verhindern. Der Abschaltvorgang ist mit Erreichen des Stromwertes Null abgeschlossen.

Claims

Strombegrenzender Schalter mit einem eine mechanische Schalteinheit enthaltenden Hauptstrompfad und mit mindestens einem parallel zum Hauptstrompfad verlaufenden Kommutierungspfad, in dem eine leistungselektronische Schalteinheit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu der leistungselektronischen Schalteinheit (3) eine kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit (4) angeordnet ist.
Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit (4) durch den infolge des Betätigens der leistungselektronischen Schaltereinheit (3) von dem Hauptstrompfad (H) in den Kommutierungspfad (K₁) kommutierten elektrischen Strom (I_S) aufladbar ist.
Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der kapazitiven Kurzschlussbegrenzungseinheit (4) abhängig ist von der Induktivität des Netzes und/oder der Höhe des Nutzstromes am Anfang eines Abschaltvorganges.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit (4) in einem Ausgangszustand entladen ausgebildet ist.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Kurzschlussbegrenzungseinheit (4) lediglich einen Kondensator (C) umfasst.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schalteinheit (3) mindestens einen Thyristor (T) umfasst.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schalteinheit (3) zwei antiparallel geschaltete Thyristoren (T) umfasst.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zu dem ersten Kommutierungspfad (K₁) angeordneter zweiter Kommutierungspfad (K₂) vorgesehen ist, der eine Überspannungsschutzeinheit (5) aufweist.
Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinheit (5) einen Varistor aufweist, dessen Schwellspannung größer ist als die Netzspannung.
Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronische Schalteinheit (3) im Sperrzustand ist, sobald der Strom von dem ersten Kommutierungspfad (K₁) auf den zweiten Kommutierungspfad (K₂) kommutiert.