DE1255781B

DE1255781B - Anordnung zur Begrenzung von UEberstroemen

Info

Publication number: DE1255781B
Application number: DE1966L0054100
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans Becker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1966-07-19
Filing date: 1966-07-19
Publication date: 1967-12-07
Also published as: BE701577A; CH493127A; NL6709758A

Description

DEUTSCHES WJWWS PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT H02h

DeutscheKl.: 21c-68/50

Nummer: 1255 781

Aktenzeichen: L 54100 VIII b/21 c

J 255 781 Anmeldetag: 19.Juli 1966

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Begrenzung von Überströmen in elektrischen Hochspannungswechselstromnetzen.

In den elektrischen Stromversorgungsverbundnetzen werden die Leistungen immer höher, die den Schutz dieser Netze vor Uberbeanspruchungen durch Kurzschlußströme und die Abschaltung von Kurzschlußströmen immer problematischer werden lassen. 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 Aus-Wirkungen 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 zu beseitigen.

Eine wirkliche Abhilfe kann nur erreicht werden, wenn eine Begrenzung des Stromes sofort eingreift, also bereits das Einfließen der ersten Halbwelle des Überstromes beseitigt. 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.

Zur Begrenzung des Kurzschlußstromes in Wechselstromleitungen ist schon eine Anordnung bekannt, die Anordnung zur Begrenzung von Überströmen

Anmelder:

Licentia Patent- Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Hans Becker, Darmstadt

sich einer altbekannten Kurzschlußdrosselspule bedient, wobei jedoch die Induktivität durch die Reihenschaltung eines entsprechend bemessenen Kondensators im Normalbetrieb ganz oder weitgehend kompensiert ist, der wiederum durch eine bei Auftreten eines Kurzschlußstromes durchzündende Funkenstrecke bzw. Gegenparallelschaltung von Ignitrons praktisch widerstandslos überbrückt wird.

Wie die Einrichtungen zum Schutz von Reihenkondensatoranlagen zeigen, lassen sich solche Funkenstrecken durchaus auch für größere Leistungen ausführen. Die in Reihe zur Funkenstrecke angeordneten Dämpfungsglieder sind so ausgelegt, daß nach Ansprechen der Funkenstrecke und Abklingen eines Ausgleichsvorganges der Kondensator praktisch widerstandslos überbrückt ist und praktisch keinen Spannungsfall aufweist.

Da der Kurzschlußstrom wegen der praktisch widerstandslosen Überbrückung des Kondensators im Kurzschlußfall nur durch die Drosselspule begrenzt wird, sind z. B. für eine Durchgangsnennleistung von 1000 MVA und eine begrenzte Kurzschlußleistung von 2000 MVA, Kondensator und Drossel im Nennbetrieb für je 500 MVA auszulegen. Hinzu kommt noch, daß durch das Ansprechen der Funkenstrecke, was für die Drossel einen Schaltvorgang bedeutet, der Kurzschlußstrom ein Gleichstromglied enthalten kann, das die Höhe der Amplitude des Wechselstromgliedes erreichen kann. Da dieses Gleichstromglied nur sehr schwach gedämpft ist, bleibt es für längere Zeit bestehen, so daß der Kurzschlußstrom den 4fachen Wert des Nennstromes erreichen kann. Dieses Gleichstromglied verteuert den KVA-Preis der Drossel zusätzlich.

Außerdem ist es schon bekannt, in die Kupplung eine Reihenschaltung von zwei Blindwiderständen einzuschalten, die verschiedene Vorzeichen und im Normalbetrieb etwa die gleiche Größe haben, von denen

709 707/451

mindestens einer eine Stromabhängigkeit aufweist, die oberhalb eines zugelassenen Grenzstromwertes eine starke Änderung des resultierenden Summenblindwiderstandes und damit Begrenzung des Stromes bewirkt.

Im einfachsten Fall ist eine Reihenschaltung eines Kondensators und einer eisengeschlossenen, nichtgesättigten Drosselspule in die Verbindungsleitung eingeschaltet, wobei die Resonanzfrequenz dieses Reihenschwingkreises etwa auf Netzfrequenz abgestimmt ist und wobei die Drossel so ausgelegt ist, daß bei einem vorbestimmten, als Grenzwert zu betrachtenden Überstrom der Eisenkern so weit in Sättigung gerät, daß die Resonanzfrequenz von der Netzfrequenz sich beträchtlich entfernt.

Im Normalbetrieb stellt dieser Schwingkreis, da sich seine Resonanzfrequenz etwa mit der Netzfrequenz deckt, einen sehr geringen Widerstand dar. Beim Auftreten eines Uberstromes unzulässiger Höhe gerät der Eisenkreis nach dem Erfindungsgedanken in Sättigung, wodurch der Schwingkreis derart verstimmt wird, d. h., seine Eigenresonanzfrequenz entfernt sich von der Netzfrequenz, daß sich dem Überstrom ein erheblicher Widerstand entgegenstellt.

Kippschaltungen mit eisengesättigten Kreisen werden in Anlagen ungern verwendet, da sie die Sinus-Form der Strom- und der Spannungskurve beträchtlich verzerren. Auch der Schwingkreis nach der Erfindung würde beim Übergang in die Sättigung und in das Sättigungsgebiet erhebliche Verzerrungen der Kurvenform verursachen. Die Aufgabe dieses Schwingkreises ist es jedoch nur, einem erhöhten Strom einen erhöhten Widerstand entgegenzusetzen.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Kapazität durch besondere Maßnahmen als nichtlineares Glied auszubilden.

Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß der Kondensator über einen Transformator angeschlossen wird, der durch Sättigung seines Eisenkerns eine Begrenzung der Spannung und damit des Kondensatorstromes vornimmt. Das bei dieser Parallelschaltung von Kondensator und Induktivität des Transformators im Überstromfall auftretende Umspringen von dem kapazitiven in den induktiven Betrieb ist aber unter Umständen im Hinblick auf einphasige Störungen bei Drehstrombetrieb unerwünscht.

Oder es ist schon vorgeschlagen worden, den Kondensator durch eine sättigbare Drosselspule und einen Ohmschen Widerstand zu überbrücken.

Beim Ansprechen dieser Anordnung im Kurzschlußfall tritt eine erheblich höhere Spannungsbeanspruchung des Kondensators auf, da in jeder Halbwelle erneut die Sättigungsspannung der sättigbaren Drosselspule überwunden werden muß. Insbesondere auch weil die sättigbare Drosselspule nicht die Amplitude der Kondensatorspannung, sondern das Spannungsintegral begrenzt.

Es ist in diesem Fall, z. B. in Anwendung auf das bereits früher beschriebene Zahlenbeispiel möglich, bei 1000 MVA Durchgangsleistung und Begrenzung der Kurzschlußleistung auf 2000 MVA für Hauptdrossel und Kondensator mit einer Nennleistung von je 222 MVA auszukommen. Das auch hier bei Ansprechen der Sättigungsdrossel auftretende Gleichstromglied wird infolge des hohen Ohmwertes des in Reihe zur Sättigungsdrossel angeordneten Widerstandes in praktisch einer Halbschwingung abklingen, so daß eine echte Begrenzung auf den doppelten Nenn-

strom gewährleistet ist. Im Gegensatz zur Lösung, bei der der Kondensator durch eine Funkenstrecke überbrückt ist, wird hier die Begrenzung des Kurzschlußstromes mit dadurch bewirkt, daß dem Kondensator im Kurzschlußfall ein Spannungsfall zugemutet wird, der die Nennspannung wesentlich überschreitet. Es werden im betrachteten Beispiel eine einmalige Spannungsspitze von

Ua max ^ 5 · Ucn

und eine während der Kurzschlußzeit anstehende Spannung von

Uck «s 3,4 U_cn

erreicht. Trotz der relativ kurzen Überbeanspruchung des Kondensators wird sich der KVA-Preis des Kondensators etwa verdoppeln. Trotzdem ergibt sich wegen der niedrigen Nennleistung der Elemente ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber der Lösung, bei der die Funkenstrecke den Kondensator kurzschließt.

Eine besonders einfache, trägheitslose und zuverlässige Möglichkeit, den Reihenschwingkreis durch Überbrückung eines der beiden Blindwiderstände im Überstromfall mittels einer Funkenstrecke zu verstimmen und damit eine Erhöhung seines Widerstandes und Begrenzung des Kurzschlußstromes zu erreichen, ohne die Funkenstrecke leistungsmäßig zu überfordern, besteht erfindungsgemäß darin, daß im Nebenzweig in Reihe zur Funkenstrecke eine lineare Induktivität und ein Ohmscher Widerstand geschaltet sind. Hierbei wird vorzugsweise der kapazitive Widerstand überbrückt, um die Begrenzung des Kurzschlußstromes durch das Wirksamwerden der Induktivität zu bewirken und unerwünschte Schwingvorgänge durch kapazitive Stromkomponenten zu vermeiden.

Die Funkenstrecke wirkt dabei so, daß beim Auftreten von Überströmen der Spannungsabfall am Kondensator einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wodurch die Funkenstrecke anspricht und den einen Blindwiderstand mit einem bestimmten Dämpfungskreis überbrückt, so daß ein beträchtlicher, vorzugsweise ohmschinduktiver Gesamtwiderstand wirksam wird.

Mit der Aufhebung des Kurzschlusses und dem Rückgang des Überstromes geht auch die Spannung an den Blindwiderständen wieder auf ihren Normalwert zurück, und der Lichtbogen an der Funkenstrecke erlischt. Damit ist der Normalzustand wiederhergestellt und der Summenwiderstand der Kupplung wieder ein Minimum. Es muß also die Ansprechspannung der Funkenstrecke über der Spannung der Blindwiderstände bei Nennstrom liegen.

Um die Funkenstrecke vor Überlastung, insbesondere durch Dauerkurzschlußströme zu schützen» wird weiter vorgeschlagen, parallel zur Funkenstrecke einen Schalter vorzusehen, der bei länger dauerndem Kurzschluß schließt und die Funkenstrecke kurzschließt. Mit der Funkenstrecke werden dann nur die ersten und insbesondere dynamisch wirksamen Halbwellen des Kurzschlußstromes abgefangen, den weiteren reduzierten Kurzschlußstrom führt dann der geschlossene Schalter.

Der Schalter bewirkt auch ein Erlöschen der Funkenstrecke bei Verwendung von nicht selbstlöschenden Funkenstrecken. Bei Verwendung von selbstlöschenden Funkenstrecken wird die Löschung des Lichtbogens durch magnetische Beblasung oder durch Druckluftbeblasung ermöglicht.

Der Vorteil der Anordnung gegenüber der vorgeschlagenen Anordnung nur mit sättigbarer Drosselspule und Widerstand im Nebenschluß zum Kondensator besteht darin, daß der Kondensator selbst eine wesentlich niedrigere Spannungsbeanspruchung erfährt und damit viel billiger ausgeführt sein kann als die Lösung mit Sättigungsdrossel.

Der Kondensator erhält bei einer Bemessung des Ohmwertes des Widerstandes R im Nebenschluß zum Kondensator in einem Verhältnis zum Blindwiderstand des Kondensators Xc = -j^- bei etwa 0,1 bis 1,0 und dem Verhältnis des Blindwiderstandes der Induktivität im Nebenschluß X = coL zum Kondensator

Die Spannung am Kondensator im Kurzschlußfall ist

zum Blindwiderstand des Kondensators Xc =

ω C

0,2 bis 1,2, nur eine kurzzeitige Überspannung von etwa einer Halbwelle, die niedriger als die entsprechende Überspannung bei der Lösung mit Sättigungsdrossel ist, und hat auch während der übrigen Kurzschlußzeit einen niedrigeren Spannungsfall als bei der Lösung mit Sättigungsdrossel, so daß sich sein KVA-Preis nicht oder nur wenig erhöht. Diese Verringerung der Beanspruchungen werden dadurch bewirkt, daß die Funkenstrecke die Kondensatorspannung direkt begrenzt und nicht ihr Zeitintegral wie bei der Lösung mit Sättigungsdrossel und daß nicht in jeder Halbschwingung die Sättigungsspannung erneut überwunden werden muß.
Für die praktische Verwertbarkeit eignen sich die

engeren Bereiche von 0,2 bis 0,4 für -^— und 0,4 bis 0,8

für -^- besonders.
Xc

F i g. 1 zeigt das Grundschaltbild mit dem im Normalbetrieb abgeglichenen Reihenschwingkreis aus der linearen Induktivität 1 und dem Kondensator 2, wobei der Kondensator! durch einen Nebenzweig überbrückt ist, bestehend aus der Reihenschaltung aus Funkenstrecke 3, Ohmscher Widerstand 4 und linearer Induktivität 5.

In F i g. 2 ist parallel zur Funkenstrecke 3 der zum Schutz der Funkenstrecke gegen längere Kurzschlußströme angeordnete Schalter 6 dargestellt.

An Hand der F i g. 3 wird die Wirkungsweise erläutert: In dieser Figur ist die Schaltung bei angesprochener Funkenstrecke dargestellt. Sie besteht aus linearen Elementen und ist deshalb einer Berechnung leicht zugänglich.

Man erhält für die Wirkkomponente des Netzstromes

Jkw = k · I_n

und für die Blindkomponente
X

JKb = k · I_n

Xc

Xe

ω C '

A^r = CoL,

I_n = Nennstrom,

U_n — Nennphasenspannung,

U_CK = _k.Uen]/(~^j₊(^_c)\

R_n = Nennbürdenwiderstand

Un In '

Ucn = Spannungsfall am Kondensator bei Nennstrom

und der Strom über die Funkenstrecke und die Elemente R und X beträgt

Jf,s, = k · I_n

und ist bezüglich der Netzspannung ein reiner Blindstrom.
Für z. B.

k = = 4,5; = 0,22; = 0,6
Jic ac x-c

wird

Jkw = Jnl Jkö = 1,8 · J_n',

Jk = f7 _Ku? + JKb² = 2,05 · J_n Uck = 2,88 · Ucn', Jf .s. = 4,5 · J_n

Es ist also möglich, mit der beschriebenen Anordnung eine scharfe Strombegrenzung zu erzielen. Das wird, wie bei Anwendung einer sättigbaren Drossel an Stelle der Funkenstrecke durch eine dem Kondensator aufgezwungene Gegenspannung bewirkt. Diese Gegenspannung kann jedoch geringer sein, da nicht immer wieder die Sättigungsspannung der Drossel zu überwinden ist und die Spannung direkt begrenzt wird.

Der Kondensator ist für kurze Zeit (z. B. 1 Sekunde) durchaus in der Lage, Spannungen der Größe 2,5 bis 3 Ucn zu ertragen, ohne daß sein KVA-Preis (der sich aus der Nennleistung J _n ^sXc errechnet) hierdurch nennenswert beeinflußt wird.

Auch hier sind Kondensator und Hauptdrossel im Nennbetrieb für 222 MVA auszulegen, wenn bei 1000 MVA Durchgangsnennleistung eine Begrenzung der Kurzschlußleistung auf etwa 2000 MVA gefordert wird. Während sich der KVA-Preis des Kondensators bei Lösung mit Sättigungsdrossel wegen der hohen Überbeanspruchung {Uck = 3,4 Ucn gegenüber Uck = 2,9 Uc_n im betrachteten Beispiel) merklich erhöht, ist bei der neuen Lösung der Kondensator etwa gerade so ausgenutzt, wie es seinen normalen Fähigkeiten entspricht, so daß sich hieraus ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber bisher bekannten Lösungen ergibt.

Würde man den Gegenspannungseffekt des Kondensators nicht ausnutzen, d.h., würde man den Kondensator mit einer Funkenstrecke praktisch widerstandslos überbrücken, dann würde der Kurzschlußwechselstrom nur auf den 4,5fachen Wert des Nennstromes begrenzt, wozu noch ein Gleichstromglied etwa gleicher Größe käme.

Wegen der linearen Elemente wird die Kurzschlußkennlinie Jk = f(U~) im Gegensatz zur Schaltung mit Sättigungsdrossel eine Gerade, und irgendwelche Kippungen oder ähnliches sind nicht zu erwarten.

Da der Widerstand 4 den Strom vergrößert, ist er mit Rücksicht auf die transienten Vorgänge so groß

Claims

wie nötig und so klein wie möglich auszulegen. Bei dem im Beispiel gewählten Wert R = 0,22 Xc werden die beim Ansprechen der Funkenstrecke auftretenden transienten Glieder in den Strömen und Spannungen nach einer Periode praktisch abgeklungen sein. Eine Spannungsspitze am Kondensator ist deshalb nur einmal zu erwarten. Der Kondensator ist ohne erhöhten Aufwand in der Lage, eine solche einmalige Beanspruchung auszuhalten. Die Elemente 4 und 5 des Nebenschlusses sind im Normalbetrieb nicht stromdurchflossen, so daß hier keinerlei Verluste entstehen. Da sie nur für Kurzzeitbetrieb auszulegen sind (1 Sekunde), fallen sie verhältnismäßig klein aus. Die Funkenstrecken selbst können selbstlöschend (mit Beblasung) oder nicht selbstlöschend sein. Vorteilhaft wäre eine Funkenstrecke, die während der Kurzschlußzeit nicht beblasen wird, wodurch ein dauerndes Zünden der Funkenstrecke und damit Entladen des Kondensators vermieden wird, die aber sofort nach Beendigung des Kurzschlusses beblasen wird, so daß für eine schnelle Entionisierung der Funkenstrecke gesorgt wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die dynamische Stabilität der Netze, die über die erfindungsgemäße Anordnung verbunden sind, gefährdet ist. An Stelle der Funkenstrecke kann man auch steuerbare Ventile verwenden, die bei Überschreiten einer bestimmten Kondensatorspannung gezündet werden. Die Zündung kann hierbei periodisch in jeder Halbwelle erfolgen, oder man kann bei Eintritt der Überspannung eine Gleichspannung an die Steuerelektrode legen, die erst nach Beendigung des Kurzschlusses weggenommen wird, so daß während der Kurzschlußzeit ein dauerndes Zünden vermieden wird, andererseits eine sofortige Sperrung bei Beendigung des Kurzschlusses erfolgt. Patentansprüche:

1. Anordnung zur Begrenzung von Überströmen in Hochspannungswechsel stromnetzen, bestehend aus einer Reihenschaltung einer linearen Induktivität und einer Kapazität, deren Blindwiderstände mit entgegengesetztem Vorzeichen etwa gleich groß sind, wobei der Kondensator durch einen Nebenzweig mit einer Funkenstrecke überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenzweig in Reihe zur Funkenstrecke eine lineare Induktivität und ein Ohmscher Widerstand geschaltet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß zur Funkenstrecke ein Schalter angeordnet ist, der bei länger dauernden Überströmen die Funkenstrecke überbrückt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Ohmwert des Widerstandes im Nebenschluß zum Blindwiderstand der Reihenkapazität etwa 0,1 bis 1,0 und das Verhältnis des Blindwiderstandes der Induktivität im Nebenschluß zum Blindwiderstand der Reihenkapazität etwa 0,2 bis 1,2 beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Ohmwert des Widerstandes im Nebenschluß zum Blindwiderstand der Reihenkapazität etwa 0,2 bis 0,4 und das Verhältnis des Blindwiderstandes der Induktivität im Nebenschluß zum Blindwiderstand der Reihenkapazität etwa 0,4 bis 0,8 beträgt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Funkenstrecke antiparallelgeschaltete steuerbare Ventile eingeschaltet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen