DE102011108547A1

DE102011108547A1 - Induktiver Strombegrenzer, spannungsdurschlags-basiert

Info

Publication number: DE102011108547A1
Application number: DE201110108547
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-01-31

Abstract

In Stromnetzen der Energieübertragung treten vereinzelt kurzzeitig Fehlerströme auf, hervorgerufen durch Isolationsfehler in Leitungen, Unwetter oder auch Überbelastung des Stromnetzes. Dabei kommt es zu enormen thermischen wie mechanischen Belastungen des Stromnetzes und der dazugehörigen Betriebsmittelkomponenten. Um nun nicht für diese Fehlerströme, die selten vorkommen und nur ein Bruchteil einer Sekunde bis wenige Sekunden wirken, das ganze Stromnetz mit allen Komponenten überdimensionieren zu müssen, was mit einem enormen Kostenaufwand verbunden wäre, ist es wünschenswert einen Strombegrenzer in die Leitungen zu installieren, der diese Fehlerströme beim Eintritt sofort drosselt, dabei sollte dieser möglichst keinen oder geringen Einfluss auf die Stromnetze während des Normalbetriebes haben, wie zum Beispiel wenig Energie verbrauchen und nicht (und wenn dann nur gering) das Stromnetz mit induktiven, kapazitiven oder ohmschen Verlusten belasten. Klingt der Fehlerstrom ab, sollte der Strombegrenzer seine strombegrenzende Wirkung verlieren, so dass der Normalbetrieb ohne einen Eingriff weiter gehen kann, diese Ansprüche erfüllt die dargestellte Erfindung. Es wird eine Lösung präsentiert, die in der Lage ist im Moment des eintretenden Fehlerstroms einen, unter Normalbedingungen nicht vorhandenen, induktiven Widerstand zu generieren, der den Fehlerstrom in der Wechselstromleitung begrenzt. Dabei fließt, wie in Bild 1 dargestellt, der Wechselstrom, der für die Energieübertragung verantwortlich ist durch eine Spule 1. In dieser Spule ist eine Spule 2 eingelassen, die nicht im physischen Kontakt mit Spule 1 steht. Die Enden der Spule 2 sind nahe zusammengeführt aber nicht miteinander kontaktiert, es besteht ein Luftspalt, dieser Luftspalt kann auch ein Isoliermaterial mit definierter Durchschlagsspannung besitzen. Der Wechselstrom in Spule 1 induziert permanent eine Wechselspannung in Spule 2, die Isolierung ist derart gestaltet, dass während des Normalbetriebs die Induktionsspannung in Spule 2 (induziert von Spule 1) kleiner ist als die Durchschlagsspannung der Isolierung. Kommt es nun zum Fehlerstrom in Spule 1, wird eine im Betrag größere Spannung in Spule 2 induziert, dabei sollte es zum Spannungsdurchschlag im Isoliermaterial kommen, wobei schlagartig ein Strom in Spule 2 fließt, dieser wirkt nach der Lenzschen Regel der Ursache entgegen und drosselt den Strom in Spule 1. Der große Vorteil der Erfindung liegt darin, dass im Normalbetrieb die Verlustleistung des Strombegrenzers gering gehalten werden können, da Spule 2 nur im Fehlerstrom ihre induktive Drosselwirkung auf Spule 1 ausübt. Im Normalbetrieb soll der Strombegrenzer idealerweise keine Verlustleistung in das Stromnetz einprägen, heißt die elektrischen Widerstände sollten möglichst Null sein. Während des Fehlerstroms muss der Strombegrenzer einen großen Widerstand aufweisen, diese Eigenschaften vereint die vorgestellte Erfindung. Die größte Herausforderung bei dieser Erfindung ist die Auslegung und das Design der Isolierung. Im Detail können Phasenverschiebungen von Spannung und Strom auftreten, die zu berücksichtigen sind und ggf. kompensieren werden müssen.

Description

Zweck der hier aufgeführten Erfindung, einem induktiven Strombegrenzer, basierend auf einem oder mehreren Spannungsdurchschlägen, ist die Drosselung von hohen Kurzschlussströmen in Leitungen der Energieübertragung, die als Fehlerströme (fault current) benannt sind und dessen prospektive Werte auf mehr als das 10 fache des unter Normalbedingungen fließenden Stromes ansteigen können. Um das Stromnetz und auch Betriebsmittelkomponenten nicht überdimensionieren zu müssen, eben auf kurzfristige (Bruchteil einer Sekunde bis hin zu wenigen Sekunden) hohe Fehlerströme, die z. B. durch Unwetter oder Isolationsfehler hervorgerufen werden können, wäre eine sofortige Drosselung bei Eintritt der hohen Ströme in den Leitungen wünschenswert. Diese Funktion erfüllt ein Strombegrenzer (current limiter). Dabei sollte der Strombegrenzer möglichst keine oder wenn nicht vermeidbar geringe, verlustbehaftete Wirkung auf das Stromnetz haben, seien diese resistiver, induktiver oder auch kapazitiver Natur. Kommt es nun zum Fehlerstrom (Bild 2a) sollte der Strombegrenzer in der Lage sein, den weit überhöhten elektrischen Strom innerhalb der ersten entstehenden Halbwelle, wie auch den weiteren Bereich überhöhter Ströme in der Leitung, zu drosseln. Klingt der Fehlerstrom ab, geht im Idealfall der Normalbetrieb der Energieübertragung in den Leitungen automatisch weiter ohne jedweden Eingriff in das System, diese Funktion erfüllt der hier dargestellte Strombegrenzer, zudem ist die Verlustleistung im Normalbetrieb gering aber während des Fehlerstroms steigt der Widerstand des Strombegrenzers induktiv abrupt an, was wünschenswert ist. Der Anwendungsbereich des Strombegrenzers liegt auf der Mittelspannungs- bis Höchstspannungsebene (3–1150 kV) bei fließenden Wechselströmen von effektiv 500 bis 1500 Ampere und überall dort, bei der eine Stromdrosselung bei Kurzschlüssen oder Fehlerströmen wünschenswert ist. In der Realität lässt sich der prospektive Fehlerstrom meist nicht genau vorhersagen, wünschenswert wäre eine Strombegrenzung aller Ströme, die einen Grenzwert überschreiten. Die hier aufgeführte Lösung birgt das Potential, unterschiedliche starke Fehlerströme auch unterschiedlich stark zu hemmen.
Grundzüge der Erfindung in einem Beispiel verdeutlicht:
Bild 1 soll das Prinzip der Erfindung deutlich machen. Es handelt sich um 2 Spulen, ineinander geschoben. In Spule 1 fließt der im Normalbetrieb erwünschte Wechselstrom mit anliegender Wechselspannung. Spule 2 befindet sich im Inneren der Spule 1. Die beiden stromführenden Enden der Spule 2 sind einseitig herausgeführt und stehen sich mit einem geringen Abstand (Luftspalt) gegenüber. Spule 1 induziert im Normalbetrieb permanent eine Wechselspannung in Spule 2. Da Spule 2 nicht elektrisch geschlossen ist, also die Enden nicht miteinander verbunden sind, kann kein Strom in Spule 2 fließen, der auch keine induktive Wechselwirkung auf Spule 1 ausüben kann. Tritt nun in Spule 1 ein Fehlerstrom ein (Bild 2a), steigt auch die Induktionsspannung in Spule 2 nach U_ind = –dΦ/dt (Magnetische Flussänderung nach der Zeit). Der Luftspalt in Spule 2 wird so gewählt, dass es zu einem Spannungsüberschlag ab einer bestimmten induzierten Spannung an den Enden der Spule 2 kommt (Bild 1). Diese Spannungsgrenze (Schwellwert) wird während des Normalbetriebes nicht überschritten (Bild 2b). Der Spannungs-überschlag im Luftspalt der Spule 2 führt zu einem abrupten Stromfluss in Spule 2, dieser Strom wirkt der Ursache nach der Lenzschen Regel entgegen, also mit einem Magnetfeld, dass dem Magnetfeld der Spule 1 entgegen wirkt. Dies führt zu einer Drosselung des Fehlerstroms in Spule 1.
Beispielsweise wird in Luft beim Wechselspannungs-Lichtbogenschweißen ein Lichtbogen erzeugt, der definiert, alternierend erlischt und wieder neu zündet, dies 100 mal die Sekunde (bei 50 Hz).
Bild 3 verdeutlicht in einer Schaltanordnung das Funktionsprinzip, dabei stellt der Primärkreis z. B. das Stromnetz dar, mit einem ohmschen Widerstand Rs und einer Induktivität Xs. Der Sekundärkreis bildet Spule 2 ab.

Claims

Hauptanspruch Ein induktiver Strombegrenzer, basierend auf einen oder mehreren Spannungsdurchschlagen, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Wechselstrom durchflossene Leitung (L1) eine Spannung in einem zweiten Leiter (L2) induziert, (unter Berücksichtigung des Induktionsgesetzes und der geometrischen Voraussetzung, L1 und L2 sind physisch nicht miteinander verbunden) der elektrisch nicht geschlossen ist sondern deren Enden nahe (μm bis mehrere cm) zusammengeführt und mit einer Isolierung (Iso) verbunden sind, diese mit definierter Durchschlagsspannung. Unteransprüche:
Die Übertragung von Energie und Leistung, nach Anspruch 1, von L1 auf L2 und umgekehrt geschieht über elektrische, magnetische, elektromagnetische Induktion oder einer Kombination davon.
Die Übertragung von Energie und Leistung, aus Anspruch 1, von L1 auf L2 und umgekehrt geschieht in Luft, einem Fluid, einem Feststoff, im Vakuum oder einer Kombination der aufgelisteten Medien und Vakuum.
Die Isolierung (Iso) in L2, aus Anspruch 1, ist ein Luftspalt oder alle anderen Gase mit definierter Durchschlagsspannung wie auch Fluide oder Feststoffe, die unterhalb ihrer Durchschlagsspannung kein fließen des elektrischen Stromes zulassen und am Ort in L2 unbeweglich ist.
Die Iso in L2, aus Anspruch 1, ist nicht am Ort fest verbunden, sie ist auf einer externen Scheibe oder einem Band fixiert, die sich durch den Luftspalt dreht/bewegt. Auch ist die Scheibe oder das Band selber die Iso.
Die Materialien für L1 und L2, aus Anspruch 1, leiten einen elektrischen Strom bei angelegter Spannung, wie auch Supraleiter sind verwendbar.
Der Isolierspalt (Iso) in L2, aus Anspruch 1, ist alternierend mit dem Material von L2 in reihe, parallel oder einer Kombination davon, geschaltet.
Aus Anspruch 1 sind mehrere L2 um L1 zu positionieren, die untereinander verschaltet werden und in Summe nur eine Iso oder mehrere haben.
L1 und L2, aus Anspruch 1, sind zu Spulen gewickelte oder nicht gewickelte Leiter.
Aus Anspruch 1 sind Stromstärken, Wechselspannungen wie Frequenzen nicht auf bestimmte Werte eingeschränkt.