DE1213039B - Anordnung zur Begrenzung von UEberstroemen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIh

H02h

Deutsche Kl.: 21 c - 68/50

Nummer: 1213 039

Aktenzeichen: L 46719 VIII b/21 c

Anmeldetag: 4. Januar 1964

Auslegetag: 24. März 1966

Beim Zusammenschluß immer größerer Netzverbände steigt die'Kurzschlußleistung so sehr an, daß im Störungsfall Schwierigkeiten entstehen, die bisher in den einzelnen Netzteilen nicht zu erwarten waren. 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 Kurzschlußströme sehr stark überbeansprucht. Dies kann zu Transformatorschäden, zum Ausschlagen von Leitern und zu Störungen in Schaltanlagen führen.

Der Umstand, daß nicht nur die thermischen Auswirkungen des Kurzschlußstromes 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 abzuriegeln.

Eine wirkliche Abhilfe kann nur erreicht werden, wenn eine Begrenzung des Stromes sofort eingreift, also bereits das Einfließen der ersten Halbwelle des Überstromes abriegelt. Erst dann sind die dynamischen Wirkungen von dem schwachen Netz abgehalten, und die dort befindlichen Schalter sind keinen Überbeanspruchungen 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 Kurzschlußströme 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 Portsetzung 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 wurde schon eine Lösung für diesen anzustrebenden Betrieb vorgeschlagen, die darin besteht, daß im Normalbetrieb magnetisch übersättigte Drosseln in die Kupplung eingeschaltet werden, die ohne jede Verzögerung beim Überschreiten eines einstell-

Anordnung zur Begrenzung von Überströmen

Anmelder:

Licentia Patent- Verwaltungs-G. m. b. H.,

Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Bernhard Kalkner,
Bad Homburg v. d. Höhe

baren Höchststromes als strombegrenzende Drosseln wirken und sofort nach dem Absinken des Überstromes wieder eine enge Kupplung herbeiführen. Der zusätzliche Aufwand, der für derartige Einrichtungen erforderlich ist, ist groß. Außerdem hat diese Lösung den Nachteil, daß die übersättigte Drossel

ao im Normalbetrieb eine noch relativ große Streuspannung besitzt und damit an der Kuppelstelle ein störender Spannungsabfall auftritt. Dasselbe ist der Fall bei der seit langem bekannten eisenlosen Kurzschlußdrosselspule, die üblicherweise bisher in solchen Knotenpunkten eingebaut wurde.

Weiter ist schon bekannt, als Kupplung zweier Netze eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einer Kapazität vorzusehen, wobei diese Reihenschaltung so abgestimmt ist, daß sie im Normalbetrieb eine Verbindung von kleiner Impedanz zwischen den Netzen darstellt, und bei der Mittel vorgesehen sind, um die Kapazität beim Auftreten eines Fehlzustandes kurzzuschließen, wodurch die Impedanz der Verbindung verändert wird. Bei Wiederkehr der normalen Verhältnisse wird die Verbindung in Abhängigkeit von einem mit Zeitverzögerung arbeitenden Relais, das den Kurzschluß der Kapazität wieder aufhebt, in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt.

Als Mittel zum Kurzschließen der Kapazität bei Überstrom ist ein Relais mit zwei Erregerwicklungen vorgesehen, von denen eine bei Überstrom über eine Funkenstrecke erregt wird und die Kontakte im Nebenschluß zur Kapazität schließt und die andere in Abhängigkeit eines spannungsbeeinflußten Relais mit Ruhekontakt und Zeitverzögerung die Kontakte wieder öffnet.

Diese Anordnung bedient sich elektromechanischer Schalter, die bekanntlich eine Verzögerung besitzen und erst nach einigen Halbwellen schalten können. Außerdem sind durch die relaisbetätigten Kontakte ganz erhebliche Ströme zu schalten, so daß alle be-

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kannten Kontaktschwierigkeiten und -probleme auf- nie.so .schiofi'sein,, daß harte Schalthandlungeh mit

treten. Bei der Rückführung, in den ,Normalzustand den unliebsamen Einschwingvorgängen auftreten,

tritt infolge der Verwendung einer mechanischen Um unerwünschte und störende Kippungen des

Schaltanordnung ein hier gewollter und durch die . Schwingkreises durch Umschwingen der Phasenlage

Verwendung des Zeitverzögerungsrelais noch ver- 5 im Betrieb zu vermeiden, ist es nach einer Weiter-

längerter Zeitverzug ein.'" ■ :". ■ .- ·- ■ bildung .des Erfindungsgedankens zweckmäßig, den

Eine weitere bekannte, Anordnung zur Begrenzung Schwingkreis nicht genau auf Resonanz mit der

von Kurzschlußströmen in Wechselstromleitungen Netzfrequenz abzustimmen, sondern ihn so auszu-

besteht ebenfalls aus einer Kapazität und einer In- legen, daß ei sich bei Betriebsstrom ein wenig im

duktivität in Reihenschaltung, die einen auf .Reso- 10 kapazitiven Bereich befindet.

nanz abgestimmten Schwingkreis bilden. Hierbei Um Kippungen bzw. Pendelungen im instabilen

wird die Kapazität im Überstromfalle durch eine Zustand zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die EIe-

Funkenstrecke, einen Gasentladungsableiter oder mente des Schwingkreises so zu bemessen, daß auch

sonstige Gasentladungsgefäße überbrückt, Durch dier. -im.-Ansprechfalle, d. h., wenn der -Eisenkern der

ses plötzliche Ansprechen des Nebenschlusses tritt 15 Drossel voll gesättigt ist und der Schwingkreis seinen

eine außerordentlich harte kurzzeitige Schalthandlung 50-Hz-Widerstand vergrößert hat, der Strom durch

ein, die bei höheren Leistungen in Wechselstrom- die Drossel immer noch so groß bleibt, .daß der Sätti-

netzen sehr unerwünscht ist. Außerdem ist es heute- gungszustand und damit die Verstimmung aufrecht-

noch mit sehr großen Schwierigkeiten verbunden, erhalten wird. . · . .

wenn nicht gar unmöglich, solche Elemente wie 20 An Hand der Zeichnung wird die Erfindung im

Funkenstreeken und Gasentladungsableiter zur Über- g folgenden erläutert.. .

brückung eines der Blindwiderstände im Kurzschluß- Fig. 1 zeigt die beiden Netze I und Π, die über die

falle für den gewünschten mit der vorliegenden An- Reihenschaltung eines Kondensators C und einer

meldung erreichbaren Leistungsbereich herzustellen. eisengeschlossenen Drosselspule L miteinander ver-

Weiter sind aus Kapazität und Induktivität be- 25 kuppelt sind. Natürlich ist nur eine Phase dargestellt, stehende Reihenschwingkreise bekannt, bei denen ... Die Wicklung der Drosselspule wird zweckmäßigerdie beiden Elemente nur in einem Punkt sich schnei- weise möglichst verlustarm ausgeführt,
dende Kennlinien besitzen. Hier tritt die Resonanz Über das Verhalten der Anordnung gemäß der nur bei einem ganz bestimmten Strom bzw. wahlweise Erfindung gibt das Diagramm F i g. 2 Aufschluß. In bei einer ganz bestimmten Frequenz ein, wenn der 30 Abhängigkeit von dem Übertragungsstrom sind die Schwingkreis beispielsweise als Frequenzpaß Ver- Blindwiderstände X_L der Induktivität und X_c des Wendung findet. Für Energieversorgungsnetze ist so. Kondensators aufgetragen. Die Verwendung einer eine Anordnung nicht brauchbar, da der Strom zwi- übersättigten Drossel allein gibt keine Möglichkeit, sehen Null- und Maximalwert mit der jeweiligen den Strom in der gewünschten Weise zu begrenzen, ■ Belastung schwankt und der resultierende Wider- 35 denn gerade beim Eintritt der Sättigung beim Erstand des Schwingkreises in diesem ganzen Bereich reichen des Grenzstromes J_g nimmt der induktive möglichst klein sein muß. Widerstand erheblich ab, wie die Kennlinie X_L zeigt.

Um diese Nachteile der bekannten Lösungen zu Dabei ist aber seine Änderung je nach der Ausfüh-

vermeiden, wird nun eine Anordnung zur Begren- rung der Drossel im allgemeinen noch nicht so groß,

zung von Überströmen, insbesondere an der Kuppel- 40 wie dies im Hinblick auf eine Begrenzung überhaupt

stelle von Hochspannungswechselstromnetzen, sowie zu fordern wäre. Das richtige Vorzeichen der Ände-

von Ausgleichsströmen zwischen Netzen in Kurz- rung und die richtige relative Änderung ergeben sich

schlußfällen in einem der Netze oder bei Außertritt- erst für den resultierenden Widerstand, wenn man

fallen vorgeschlagen, wobei in die Verbindung eine den gemäß der Erfindung aufgebauten Schwingkreis

Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen ein- 45 betrachtet. Dieser resultierende Widerstand ist die

gefügt ist, die verschiedene Vorzeichen aufweisen Summe aus dem konstanten Widerstand X_c des Kon-

und im normalen Betrieb etwa die gleiche Größe densators und der Kurve X_L. Diese Summe ist ent-

haben, und das Induktionsglied des Reihenschwing- sprechend der ungefähren Abstimmung auf die Be-

kreises mit einem Eisenkern versehen ist, mit dem triebsfrequenz im Bereich des Normalstromes J_n und

Kennzeichen, daß die Drossel so ausgelegt ist, daß 50 bis zu dem zugelassenen Grenzwert J_g, also bis zum

bei einem vorbestimmten, als Grenzwert zu betrach- Eintritt in die Sättigung, vernachlässigbar klein und

tenden Überstrom der Eisenkern in Sättigung gerät, praktisch konstant. Entsprechend dem Verlauf der

so daß sich ihr Blindwiderstand ändert, wobei sich Kurve X_c + X_L nimmt der resultierende Widerstand

die Impedanz des Reihenschwingkreises erhöht. des Schwingkreises aber bei Übersättigung ein Viel-

Im Normalbetrieb stellt dieser Schwingkreis, da 55 faches seines ursprünglichen Wertes an, so daß damit

sich seine Resonanzfrequenz etwa mit der Netz- die gewünschte Strombegrenzung im Störungsfall

frequenz deckt, einen sehr geringen Widerstand dar. ohne weiteres erzielt wird.

Beim Auftreten eines Uberstromes unzulässiger Höhe Aus isolationstechnischen, wirtschaftlichen oder

gerät der Eisenkreis nach dem Ausführungsbeispiel sonstigen Gründen kann es zweckmäßig sein, einen

des Erfindungsgedankens in Sättigung, wodurch der 60 oder beide Blindwiderstände über einen Transforma-

Schwingkreis derart verstimmt wird, d. h., seine tor in die Verbindungsleitung einzuschalten. Die Eigenresonanzfrequenz entfernt sich von der Netz- Wirkungsweise der Anordnung wird dadurch nicht

frequenz, daß sich dem Überstrom ein erheblicher verändert.

Widerstand entgegenstellt. . Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin,

Die Veränderung des resultierenden Blindwider- 65 daß die Kurzschlußabschaltung nicht von der Ausstandes beim Erreichen der Sättigung im Eisenkern lösezeit irgendeines elektromechanischen oder elekder Drosselspule erfolgt mit dem Verlauf der magne- tronischen Schaltelementes abhängig ist. Vielmehr tischen Kennlinie des verwendeten Eisens und kann bewirkt der Überstrom selbst bereits bei seinem Ent-

stehen seine eigene Begrenzung, so daß diese mit Sicherheit bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes des Stromes unverzögert wirksam wird. Außer durch eine völlig selbsttätige trägheitslose Arbeitsweise zeichnet sich die erfindungsgemäße Begrenzungskupplung durch besondere Robustheit und Unempfindlichkeit gegen Überlastung aus.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keine Trennung zwischen zwei Netzen bzw. kein Abschalten eines Netzes vorgenommen zu werden braucht, son- ίο dem die Verbindung über den erst bei Überströmen wirksam werdenden, verhältnismäßig großen Summenwiderstand des aus der Resonanz gefallenen Schwingkreises bestehenbleiben kann. Tritt in dem geschützten Netzteil nach Beseitigung einer Störung und gegebenenfalls entsprechender Regelung der Spannung oder Frequenz wieder eine Beruhigung ein, so wird auch die Spannungsdifferenz über der Kupplungsstelle in ihrem Wert abnehmen. Sinkt sie dabei so weit, daß der Resonanzzustand des Schwingkreises wiederum die Wechselstromreaktanz bestimmt, so wird die bisherige lose Kupplung wieder zu einer engeren, da dann der Summenwiderstand wieder gegen Null geht. Auf diese Weise stellt sich nach Beendigung des gestörten Betriebes automatisch wieder die enge Kupplung her.

Bei Erdschluß (= Erdkurzschluß einer Phase) wird durch das bereits beschriebene Stromverhalten eine besonders vorteilhafte Wirkung erzielt. Bei der heute in Hoch- und Höchstspannungsnetzen üblichen starren Erdung des Sternpunktes nimmt der Strom an der Erdschlußstelle den vollen Kurzschlußwert an, und die Schrittspannungen erreichen gefährlich hohe Werte, die schon zu Unfällen führen können, bevor die Schalter fallen. Wird jedoch der Reihenschwingkreis gemäß der Erfindung im Stromkreis vorgesehen, so ist der Fehlerstrom auf einen Bruchteil begrenzt und damit auch die Schrittspannung ungefährlich klein.

Der Vorteil der starren Erdung (gestaffelte Isolation, keine Sternpunktspannung gegen Erde) bleibt voll erhalten. Insofern unterscheidet sich die Anordnung von der Erdschlußkompensation mit Petersen-Spule und von der Erdung des Transformatorsternpunktes über ohmsche oder induktive Begrenzungswiderstände.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Begrenzung von Überströmen, insbesondere an der Kuppelstelle von Hochspannungswechselstromnetzen sowie von Ausgleichsströmen zwischen Netzen in Kurzschlußfällen in einem der Netze oder bei Außertrittfallen, wobei in die Verbindung eine Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen eingefügt ist; die verschiedene Vorzeichen aufweisen und im normalen Betrieb etwa die gleiche Größe haben, und das Induktionsglied des Reihenschwingkreises mit einem Eisenkern versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel so ausgelegt ist, daß bei einem vorbestimmten, als Grenzwert zu betrachtenden Überstrom der Eisenkern in Sättigung gerät, so daß sich ihr Blindwiderstand ändert, wobei sich die Impedanz des Reihenschwingkreises erhöht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, um Kippungen zu vermeiden, die Resonanzfrequenz der Reihenschaltung so abgestimmt ist, daß der Schwingkreis bei Betriebsstrom kapazitiv erscheint.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindwiderstände oder einer der Blindwiderstände über Transformatoren bzw. einen Transformator in die Verbindungsleitung eingeschaltet sind/ist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Reduzierung der Erdschlußströme und Schrittspannungen verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1149 801,
794;

britische Patentschrift Nr. 938 972;
H. F. Schwenkhagen, »Allgemeine Wechselstromlehre«, Berlin, 1951, S. 319 bis 323.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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