DE1227129B - Einrichtung zur Begrenzung ueber UEberstroemen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIh

H02h
Deutsche Kl.: 21 c - 68/50

Nummer: 1227129

Aktenzeichen: L 46947 VIII b/21 c

Anmeldetag: 3. Februar 1964

Auslegetag: 20. Oktober 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 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 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 einstellbaren Einrichtung zur Begrenzung über Überströmen

Anmelder:

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

Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Werner Krämer, Darmstadt;

Dr.-Ing. Bernhard Kalkner,

Bad Homburg v. d. Höhe;

Dr.-Ing. Friedrich Hämmerling,

Königstein (Taunus)

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 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 wiederaufhebt, 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.

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Diese Anordnung bedient sich elektromechanischer Einrichtung zur Begrenzung von Überströmen in Schalter, die bekanntlich eine Verzögerung besitzen Energieversorgungsanlagen, insbesondere an der und erst nach einigen Halbwellen schalten können. Kupplungsstelle von Hochspannungswechselstrom-Außerdem sind durch die relaisbetätigten Kontakte netzen, sowie von Ausgleichsströmen zwischen dieganz erhebliche Ströme zu schalten, so daß alle be- 5 sen Netzen im Kurzschlußfall in einem dieser Netze kannten Kontaktschwierigkeiten und -probleme auf- oder bei Außertrittfallen, bei welcher in die Vertreten. Bei der Rückführung in den Normalzustand bindung zwischen den zu kuppelnden Netzen eine tritt infolge der Verwendung einer mechanischen Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen, näm-Schaltanordnung ein hier gewollter und durch die lieh einer Induktivität und einer Kapazität, eingefügt Verwendung des Zeitverzögerungsrelais noch ver- io ist, die im Normalbetrieb etwa die gleiche Größe längerter Zeitverzug ein. haben, so daß die Resonanzfrequenz dieses Reihen-

Eine weitere bekannte Anordnung zur Begrenzung Schwingkreises etwa der Netzfrequenz entspricht, und von Kurzschlußströmen in Wechselstromleitungen bei welcher parallel zum Kondensator eine eisenbesteht ebenfalls aus einer Kapazität und einer In- geschlossene sättigbare Drosselspule geschaltet ist, duktivität in Reihenschaltung, die einen auf Reso- 15 wobei erfindungsgemäß mit der sättigbaren Drosselnanz abgestimmten Schwingkreis bilden. Hierbei spule ein zusätzlicher Ohmwiderstand in Reihe liegt, wird die Kapazität im Überstromfall durch eine der bei Sättigung der Drossel den resultierenden Funkenstrecke, einen Gasentladungsabieiter oder Leitwert der Anordnung überwiegend bestimmt,
sonstige Gasentladungsgefäße überbrückt. Durch -Im Normalbetrieb stellt dieser Schwingkreis, da dieses plötzliche Ansprechen des Nebenschlusses 20 sich seine Resonanzfrequenz etwa mit der Netztritt eine außerordentlich harte, kurzzeitige Schalt- frequenz deckt, einen sehr geringen Widerstand dar. handlung ein, die bei höheren Leistungen in Wechsel- Beim Auftreten eines Überstromes unzulässiger stromnetzen sehr unerwünscht ist. Außerdem ist es Höhe gerät der Eisenkreis der Sättigungsdrossel in heute noch mit sehr großen Schwierigkeiten verbun- der Einrichtung in Sättigung, wodurch der Resonanzden, wenn nicht gar unmöglich, solche Elemente wie 25 zustand gestört wird und sich dem Überstrom ein Funkenstrecken und Gasentladungsableiter zur Über- . erheblicher Widerstand entgegenstellt,
brückung eines der Blindwiderstände im Kurzschluß- Die Veränderung des resultierenden Blindwiderfall für den gewünschten mit der vorliegenden An- Standes beim Erreichen der Sättigung im Eisenkern meldung erreichbaren Leistungsbereich herzustellen. der Drosselspule erfolgt mit dem Verlauf der magne-

Weiter sind aus Kapazität und Induktivität be- 30 tischen Kennlinie des verwendeten Eisens und kann

stehende Reihenschwingkreise bekannt, bei denen die nie so schroff sein, daß harte Schalthandlungen mit

beiden Elemente nur in einem Punkt sich schneidende den unliebsamen Einschwingvorgängen auftreten.

Kennlinien besitzen. Hier tritt die Resonanz nur bei In F i g. 1 ist das Schaltbild eines Beispiels des

einem ganz bestimmten Strom bzw. wahlweise bei Erfindungsgedankens dargestellt,

einer ganz bestimmten Frequenz ein, wenn der 35 Durch I und II sind die beiden Netze angedeutet,

Schwingkreis beispielsweise als Frequenzpaß Ver- in deren Verbindung der Reihenschwingkreis aus

Wendung findet. Für Energieversorgungsnetze ist so dem kapazitiven Bundwiderstand X_A, dargestellt

eine Anordnung nicht brauchbar, da der Strom zwi- durch den Kondensator C, und dem induktiven

sehen Null und dem Maximalwert mit der jeweiligen Bündwiderstand X_B der Drosselspule L eingeschaltet

Belastung schwankt und der resultierende Wider- 40 ist. Parallel zum Kondensator ist die Reihenschaltung

stand des Schwingkreises in diesem ganzen Bereich der sättigbaren Drosselspule D und des ohmschen

möglichst klein sein muß. Widerstandes R geschaltet.

Eine andere Vorrichtung zum Schutz von über- In bestimmten Fällen kann es von technischem stromempfindlichen Verbrauchern, wie z. B. von Ge- und wirtschaftlichem Vorteil sein, den Kondenräten mit Siliziumgleichrichtern oder Transistoren, 45 sator C mit seinem Nebenschluß aus sättigbarer besteht auch aus einem auf Resonanz abgestimmten Drosselspule D und Widerstand R über einen bis Reihenschwingkreis, der im Nennbetrieb einen ver- zum möglichen Überstrom nicht sättigbaren Transnachlässigbaren Widerstand aufweist, wobei zur formator T in die Verbindung einzuschalten, wie es Kapazität eine möglichst verlustarme Sättigungs- F i g. 2 zeigt. Dann muß zur Erzielung einer engen drossel parallel geschaltet ist, deren Induktivität im 50 Kupplung der Gesamtwiderstand X_x dieser Anordinfolge Überstromes gesättigten Zustand Schwingun- nung mit dem Blindwiderstand X_B der Drosselgen höherer Frequenz zum Zweck einer Umladung spule L in Resonanz gebracht werden. Der besondere "des Kondensators ausführt, so daß der durchfließende Vorteil dieser Ankopplung über einen Transformator Strom unter den Nennstrom herabgedrückt wird. besteht darin, daß der Kondensator C nicht für eine Kippvorgang und rasche Umladungen, deren sich 55 so hohe Spannung ausgelegt zu werden braucht,
diese Anordnung zur Strombegrenzung bedient, Die Drossel D ist in jedem Fall so bemessen, daß schließen ihre Anwendung bei höherer Leistung in sie bei Nennstrom einen sehr hohen Blindwiderstand Starkstromanlagen praktisch aus. Auch wegen der darstellt und in dem Parallelpfad nur einen ver-Oberwellenrückwirkungen infolge der stark verzerr- hältnismäßig kleinen Strom zuläßt, der den kapaziten Stromkurven ist die Anordnung im Netzbetrieb 60 tiven Wert der Parallelschaltung praktisch nicht benicht tragbar. - - ' einträchtigt. Beim Erreichen des Grenzstromes

Diese bekannte Anordnung ist außerdem auch bricht die Induktivität der nunmehr gesättigten deshalb als Kupplungselement zweier Netze nicht Drossel D zusammen, und damit liegt praktisch geeignet, da mit ihr infolge der nicht sinusförmigen direkt der ohmsche Widerstand R parallel zum Kon-Begrenzungsströme ein Synchronhalten zweier Netze 65 densator C und verändert den resultierenden Leitim Überstromfall nicht möglich ist. wert ganz erheblich. Dabei ändern sich Größe und

In Hochspannungsnetzen hoher Leistungen tech- Winkellage, nicht aber das Vorzeichen. Der Gesamt-

nisch und wirtschaftlich ausführbar ist dagegen eine leitwert der Kupplung wird somit beim Eintreten des

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Überstromes ohne sprunghafte Übergangserscheinungen unverzüglich herabgesetzt, wie es der Begrenzungsaufgabe entspricht.

Durch die mit Hilfe der Drossel D bewirkte Parallelschaltung des Widerstandes R im Uberstromfall 5 wird die Spannung am Kondensator begrenzt und trotz der geometrischen Addition eine genügend stromabhängige Änderung des gesamten Leitwertes erreicht.

Vorteilhaft wird der Widerstand R so ausgelegt, daß über ihn nach seiner Zuschaltung durch die Drossel D im Überstromfall ein Strom mindestens derselben Größenordnung wie über den Kondensator C fließt.

Der Anschluß über den Transformator T ist unter anderem auch deshalb zu empfehlen, weil damit für die aus hochwertigem Eisen auszuführende Drossel D keine Hochspannungsisolation mit großem Raumbedarf erforderlich wird und der Widerstand R z. B. als geerdeter Wasserwiderstand ausführbar wird.

Als Richtlinie für die vorteilhafte Bemessung der so ausgeführten Begrenzungskupplung gilt: Im Nennstrombereich sollen die Blindkomponenten von X_A und X_B möglichst gleich sein, so daß der Betrieb praktisch ohmisch mit kleinstem Gesamtwiderstand arbeitet. Im Uberstrombereich, nach dem Wirksamwerden von R, sollen wiederum die Blindkomponenten von X_A und X_B etwa gleich groß sein, so daß der Betrieb weitgehend ohmisch wird. Die Aufwendungen für die Blindleistung werden dann klein, und der Gesamtstrom läßt sich gegebenenfalls gut abschalten.

Für die technische Ausführung der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, die Drossel L und den Transformator T in einem einzigen Kessel unterzubringen. Würde man die Drossel L oder auch den Transformator T jeweils in einem einzelnen Kessel anordnen, so benötigte man Durchführungen für sehr große Spannungen, da ja im Resonanzfall sowohl an der Drossel L als auch an den Klemmen des Transformators eine Spannung auftritt, die wesentlich höher als die Betriebsspannung des Netzes sein kann. Nach dem Vorschlag der Erfindung kommt man mit nur zwei Hochspannungsdurchführungen aus, die außerdem nur für die Bedingungen der Netzspannung bemessen zu sein brauchen, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Die einander zugewandten Anschlüsse L und T, an denen im Resonanzfall besonders hohe Spannungen entstehen, werden überhaupt nicht mehr aus dem Transformatorkessel herausgeführt. Die hierfür sonst notwendigen teuren Durchführungen entfallen daher vollständig. Außerdem können die beiden Eisenkerne von Drossel und Transformator noch teilweise zusammengefaßt werden, wie dies an dem Beispiel der F i g. 3 gezeigt ist. Der Mittelschenkel ist beispielsweise als Transformator ausgebildet, an dessen Sekundärklemmen der Kondensator C sowie die sättigbare Drossel D mit dem Reihenwiderstand R liegen, der z. B. als geerdeter Wasserwiderstand oder auch als spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet sein kann.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kurzschlußabschaltung nicht von der Auslösezeit irgendeines elektromechanischen oder elektronischen Schaltelementes abhängig ist. Vielmehr bewirkt der Überstrom selbst bereits bei seinem Entstehen 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, sondern 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 Kopplung 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 Petersenspule und von der Erdung des Transformatorsternpunktes über ohmsche oder induktive Begrenzungswiderstände.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Begrenzung von Überströmen in Energieversorgungsanlagen, insbesondere an der Kupplungsstelle von Hochspannungswechselstromnetzen sowie von Ausgleichsströmen zwischen diesen Netzen im Kurzschlußfall in einem dieser Netze oder bei Außertrittfallen, bei welcher in die Verbindung zwischen den zu kuppelnden Netzen eine Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen, nämlich eine Induktivität und eine Kapazität, eingefügt ist, die im Normalbetrieb etwa die gleiche Größe haben, so daß die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises etwa der Netzfrequenz entspricht, und bei welcher parallel zum Kondensator eine eisengeschlossene sättigbare Drosselspule geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der sättigbaren Drosselspule ein zusätzlicher Ohmwiderstand (R) in Reihe liegt, der bei Sättigung der Drossel (D) den resultierenden Leitwert der Anordnung überwiegend bestimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) mit dem

von dem öhmwiderstand und der Sättigungsdrossel gebildeten Nebenschluß über einen bis zum möglichen Kurzschlußstrom nicht sättigbaren Transformator in die Verbindung eingeschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Reihenschwingkreises und der Transformator des Kondensatorzweiges in einem gemeinsamen Kessel untergebracht sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Induktivität des Schwingkreises und des Transformators

des Kondensatorzweiges einen gemeinsamen Kern besitzen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Ohmwiderstand (R) als Wasserwiderstand ausgeführt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Ohmwiderstand (R) als spannungsabhängiger Widerstand ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1137 794.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen