DE1488793A1

DE1488793A1 - Anordnung zur Begrenzung von UEberstroemen

Info

Publication number: DE1488793A1
Application number: DE19651488793
Authority: DE
Inventors: Becker Dipl-Ing Hans
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-04-28
Filing date: 1965-04-28
Publication date: 1969-06-12
Also published as: US3418532A

Description

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Licentia Patent - Verwaltungs - GmbH Frankfurt (Hain), 3?heodör-Stern-Kai 1

P 14 88 795*5 Frankfurt, 27» September 1968

(B 81 637 VIIIb/21d2,4961) HE/P-FST/Lehmann/hr

Anordnung zur Begrenzung von Überströmen

Beim Zusammenschluss Immer grösserer Hfetzirarbände steigt die Kurzsehlussleistiing so sehr an.« dass im Storungsfall Schwierig« keiten entstehen« die bisher ii den einzelnen Netzteilen nicht zu erwarten waren«, Bs sind nic.lt nur Schalter, die in den einzelnen Netzteilen bisher dea Kurzschlussanforderungen vollauf gewachsen waren, jetzt überfordert und können die Ab- " schaltung manchmal überhaupt nicht «ehr, mindestens aber erst nach einer grosser en Zahl iron Halbwellen, vornehmen, sondern es sind ausserdem die Anlagenteile durch die dynamischen Kräfte als Auswirkung der unerwartet hohen Kurzschlussströme sehr stark überbeansprucht. Dies kann zu Transfcrmatorschäden, zum Ausschlagen von Xieitern und zu Störungen in Schaltanlagen führen.

Der umstand, dass nicht nur die thermischen Auswirkungen des Kurzschlussstromes Schäden heibeifähren, sondern dass die dynamischen Wirkungen Beschädigungon und. weitere Störungen

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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 Hochleistungseehalter nicht im Stande ist, die dynamischen Auswirkungen vollständig zu verhindern.

Eine wirkliche Abhilfe kann nur erreicht werden, wenn eine Begrenzung des Stromes sofort eingreift, also bereits das Einfliessen der ersten Halbwelle des überstromes verhindert* 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 mehl? die Möglichkeit, in den Kurzschluss des schadhaften Netzes Kurzschlussstrome zu liefern, und sie sind nach Abschaltung des lokalen Kurzschlusses so» fort wieder für den NormalbetL'ieb bereit· Gerade, wenn der Strom während der Fehlerzeit begrenzt ist« ist daher die Fortsetzung des J8brmalbetriebt?B in sehr viel kürzerer Zeit möglich, und die Fetze fallen längst nicht so leicht auseinander, als dies ohne besondere Hassnahmen der Fall wäre«

Es wurde schon eine Losung für? diesen anzustrebenden Betrieb vorgeschlagen, die darin hesttsht, dass im NcrmaXbetrieb magnetisch übersättigte Drosseln in die Kupplung eingeschaltet werden, die ohne jede Verzögerung "beim Überschreiten eines einstellbaren Ho*chststromes als strombegrenzende Drosseln wirken und sofort nach dem Absinken des Überstromes wiedtr eine enge Kupplung herbeiführen· Der zusätzliche Auf-

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wand« 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 Tall bei der seit langem bekannten eisenlosen Kurzschlussdrosselspule, die üblicherweise bisher in solchen Knotenpunkten eingebaut wurde·

Veiter 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 Noraalbetrieb eine Verbindung von kleiner Impedanz zwischen den Netzen darstellt, und bei der MIttel vorgesehen sind, um die Kapazität beim Auftreten eines Fehlzustandes kurzzuschliessen, woAuroh: Λ'^;. Impedanz der Verbindung verändert wird··

Als Kittel zum Ksrzschliessen bzw. Überbrücken der Kapazität sind schon !Funkenstrecken, Schaltsr und sättigbare Drosselspulen, bekannt·

Veiter 3 st es schon bekannt, die Elemente des Schwingkreises in einer Brückenschaltung anzuordnen: die Induktivitäten in zwei einander gegenüberliegenden Zweigen, die Kapazitäten in den beiden anderen einander gegenüberliegenden Zweigen, wobei eine sättigbare Drosselspule als überstromabhängiges Sehaltglied in der Diagonale eingeschaltet ist und die Einschaltung der Brücke in den Stromfluss an den beiden anderen Eckpunkten erfolgt· ',.. ,

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Eine solche Anordnung, bei welcher das Schaltglied plötzlich kurssehliesst bzw· die Impedanz der sättigbaren Drosselspule bei Sättigung zusammenbricht, ist in Hochspannungsnetzen mit den darin vorhandenen Energien «regen der dann auftretenden Ausgleiehesohwingungen nicht tragbar·

Zur Begrenzung von überströmen, insbesondere an der Kupplungsstelle von Hoehspannungswechselstroanetsen, sowie von Aus* gleichsetrömen zwischen diesen Netzen im Kurzschlussfall in einem dieser Netze oder bei Aussertrittfallen ist dagegen eine Anordnung geeignet, bei welcher in die Verbindungsleitung ein Zweipol in Gestalt einer Wechselstrom-Brücke eingeschaltet ist, die aus Blindwiderständen verschiedenen Vorzeichens so zusammengesetzt ist, dass im Normalbetrieb einer oder mehrere im Strompfad liegende etwa auf Nefczfraquenz abgestimmte Reihenschwingkreise entstehen, die dem Strom praktisch keinen Widerstand entgeg ansetzen, und wobei ein. oder zwei Schaltglieder vorgesehen sied, die im überstroafall eine Verstimmung des oder der Reihe:isehw±ngkrei33 herbeiführen, so dass die Brücke dem Überstrom einen erheblichen Widerstand entgegenstellt« und bei welcher erfindungsgemäss in Reihe *&u den Schaltgliedern ein zusätzlicher Ohm*scher Widerstand geschaltet ist«

Als Schaltglied wird zweckmässigerweise eine Sättigungsdrossel vorgesehen, die im Normalbetrieb einen hohen Blindwiderstand aufweist und beim Erreichen eines bestimmten Überstromes in Sättigung gerät, wodurch sich ihr Blindwiderstand erheblich verkleinert. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass sie praktisch trägheitslos arbeitet und keine offenen lichtbogenziehenden Schaltstrecken aufweist·

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In bestimmten Fällen kann eine Vormagnetisierung, die direkt oder indirekt vom Strom in der Verbiadungsleitung bewirkt wird nach Art einer Transduktordrossel von Vorteil sein·

Als ein anderes geeignetes Sch&ltglied können antiparallel geschaltete steuerbare Ventile eingesetzt werden· U. U. können auch Überspannungsableiter oder dessen Elemente, Funkenstrecken bzw. spannungsabhängiger Widerstand, Verwendung finden·

Der Ohm "sehe Widerstand in Reihe zu dem Schaltglied dämpft wirkungsvoll die sonst auftretenden Ausgleichsschwingungen, so dass die Beanspruchung des Netzes und der Elemente der Anordnung wesentlich geringer werden·

Die Verteilung der Elemente der Schwingkreise kann in beliebiger Aufteilung auf die vier Langszweige der Brücke erfolgen, wobei das Schaltglied mit ggf. dem Ohm*sehen Widerstand in Reihe im Querzweig der Brücke angeordnet wird· Bei dieser Verteilung ist lediglich darauf zu achten« dass am Querzweig der Brücke eine stromabhängige Spannung ansteht·

Um eine bestimmte Aufteilung der Ströme über die Zweige der Brücke zu erzwingen, kann an der Eingangsklemme der Brücke ein induktiver Stromteiler angeordnet sein«

Eine andere Elementenanordnung ergibt sich, wenn der Querzweig in den Stromdurchfluss bei Normalbetrieb einbezogen wird, so dass die die Schwingkreise bildenden Elemente in zwei einander gegenüberliegenden Längszweigen und dem Querzweig verteilt sind, wobei dann in den beiden anderen einfander gegenüberliegenden Längszweigen je ein Schaltglied, ggf. mit einem Ohm'sehen Widerstand in Reihe angeordnet werden·

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Ergi"bt sich bei einer bestirnten Verteilung ein durchgehender Strompfad über die Brücke ohne einen Kondensator, so könnte im Kurssehlussfall ein beträchtlicher Gleichstromanteil des Kurssehluseetromes fHessen· Aus dieses Grunde ist es sweek· massig, auch in den Zweigen mit den Schaltgliedern noch *usätzliche Kondensatoren vorzusehen.

* Eine wirkungsvollere und schärfere Schalthandlung bei Verwendung einer Sättigungsdrossel wird weiter erreicht, wenn der zusätzliche Kondensator alt der Sättigungsdrossel im gesättigten Zustand auf Resonanz bei Hetzfrequenz abgestimmt ist, Hierbei wird auch die Restinduktivität der gesättigten Drossel kompensiert, so dass lediglich der in Heine vorgesehene Ohm'sche Widerstand wirksam wird·

Zur weiteren Verbesserung der Schalthandlung kann noch ein weiterer Kondensator zur Sättigungsdrossel parallel geschaltet werden, der auf Stromresonanz mit der Drossel im nicht» gesättigten Zustand abgestimmt ist, so dass ein Barallelfe schwingkreis mit hoher Sperrwirkung entsteht·

Ayrtinn^ der beillegenden Zeichnungen sind einige Schaltungsbeiaplele für eine Begrensungsbrücke nach der Erfindung dargestellt.

TIg. 1 zeigt ein Schaltbild einer Brücke nach der Erfindung, bei dem im Querzweig eine Sättlgungs-Sehaltdrossel Zg und ein Ohm'scher Widerstand E angeordnet sind· In den vier Lengezweigen der Brücke befindet sich je ein linearer induktiver Blindwiderstand X-^₁ bis Xy^ und je ein kapazitiver Blindwiderstand X₀₁ bis X₀^ Die Blindwiderstände der oberen beiden Zweige und der unteren beiden Zweige müssen je für

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Blch auf Reihenrasonanz für die Grundwelle abgestimmt sein, eo dass die Brücke praktisch keinen Eigen-Widerstand aufweist· Die thermische Bemessung der Elemente der beiden parallelen Strompfade richtet eich nach der Stromverteilung infolge der wirksamen Wi&eratandsgrSssen 1« Kurssohlussfalle. Bedingung bei dieser Schaltung ist, dass eine unsymmetrische Widerstands*· verteilung vorgesehen wird, so dass aa aus der Sättigungsdrossel Ig und dem Widerstand B bestehenden Querzweig der Brücke eine Spannung ansteht·

Fig. 2 zeigt eine Vereinfachung dieser Schaltung, bei der in je zwei gegenüberliegenden Zweigen, der Brücke die Reihen-Induktivitäten und in den beiden anderen die Reihenkapazitäten angeordnet sind» Bei dieser Schaltung können jeweils gleiche Elemente Verwendung finden, in diesen lalle steht am Querzweig der Brücke die doppelte Spannung eines Elementes an.

Um eine gleiehmässlge Stromverteilung zu erreichen, kann gemäss Flg. 3 an der Eingangsklemme der Brücke ein Stromteiler St.T. vorgesehen werden*

Da bei dieser Schaltung über die Längszweige mit den Induktivitäten und dem Querzweig im Kurzschlussfalle ein GleiehstroBglied nur durch den Widerstand R gedämpft fHessen könn- te, kann es zweckmässlg sein, einen weiteren Kondensator K im Querzweig vorzusehen, der das Fliessen eines Gleichstromanteils des Kurzschlussstromes verhindert«

Hach einer Weiterbildung des Erfindungegedankens können gemass Fig« 4 die Elemente des Reihenschwingkreises in beliebiger Verteilung auf zwei einander gegenüberliegende Langs-

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und den. Querzweig verteilt werden (X₁^ - Xj* und ²CI "* ^X03^* wobei dann allerdings in den beiden anderen iüiigszweigen $e ein Schaltgliel und ggf· ein Ohm'scher Widerstand vorgesehen werden massen·

Die Figuren 5* 6 und 7 zeigen weitere Beispiele für die Verteilung der Elemente des Reihenschwingkreises· Bei der Bemessung dieser Elemente ist lediglich darauf zu achten, dass in der Summe eine Reihenresonanz für die Grundwelle vorhanden ist und an den Zweigen mit den Schaltgliedern eine stromabhängige Spannung ansteht«

Fig. 8 zeigt echliesslich wieder die Anordnung von zusätzlichen Kondensatoren K1 und K2 in den Längszweigen mit den Schaltgliedern, um einen durchgehenden Strompfad für den Gleichstromanteil eines Eurzschlussstromes zu verhindern.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Anordnung 1st so, dass bei HOrmalstroa Reihenresonanz der Elemente und damit praktisch kein Widerstand der Brücke vorhanden 1st. Bei Oberschreiten eines bestimmten in der Bemessung des Schaltgliedes festgelegten Oberstromes wird der Zweig mit dem Schaltglied durchlässig und eine Verstimmung der Resonanz tritt ein, wodurch ein durch die Bemessung ixt der Hand liegender Widerstand wirksam wird, der den Kurzschlussstrom begrenzt.

Eine Änderung der Wirkungsweise tritt nicht ein, wenn die gesamte Brücke oder einzelne Elemente aus wirtschaftlichen bzw. isolationstechnischen Gründen über einen Transformator in die Verüindungsleitung eingeschaltet werden.

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Kan wifd der selbsttätigen Wirkungsweise eines magnetischen Schalters nach Art einer Sättigungsdrossel den Vorzug geben, da hierbei die Surzschluseabschaltung nicht von der Auslösezeit irgendeines elektromechanischen oder elektronischen Schaltelementes abhängig ist. Vielmehr bewirkt der Überstrom selbst bereits bei seinem Eatstehen seine eigene Begrenzung, so dass diese mit Sicherheit bei Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwertes des Strofi-.es unverzögert wirksam wird. Ausssr durch, ein?) völlig ealbettätige trägheitslose Arbeitsweise zeichnet sich die erfincUragsgemässe Begrenzungskupplung durch besondere Hobustheit und Unempfindlichkeit gegen tJberla&tung

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Trennung zwischen zwei Netzen bzw· kein Abschalten eines N^taes vorge« nojimen &a w&rden braucht, sondern die Verbindung über den erst bei Überströmen wirksam werdenden v&rhältnismässig grossen S^Kimenwiderstand des »W3 dar Resonanz gefallenen Schwingkreises bestehen bleiben kann. Tritt in dem geschützten liststeil nach Beseitigung einer Störung und ggf. entsprechender Hegölimii dar Spasacung oder Frequenz wieder eine, Beruhigung ein, aο wird auch die Spannungsdifferenz über der Kupplungsst.^He In ihrem Wert abnehmen, Sinkt sie dabei soweit, &as3 der EöBonanzzuataxiö des Schwingkreises wiederum ^; die V/echselstromreaktanz bestimmt, so wird die bisherige lose Kopplung winder zu einer engeren, da dann der Suainanwiderstaad v;iado.r gegen Null geht« Auf diese .Weise stellt oich nach Baendii^ung das gestörten. Betriebss automatisch ', wieder die «nge Kupplung her·

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Claims

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Lie ant la Patent - Verwaltungs - GmbH Frankfurt (Hain), TSieodor-Stern-Kai 1

P 14 88 793»5 Frankfurt, 27- September 1968

Jk (B 81 637 VIIIb/21d2,42/o1) HE/P-FST/Lehmann/hr

Patentansprüche

Anordnung zur Begrenzung vcn fiberströmen, insbesondere an der Kupplungsstelle von Hochspannungswechselstrom» netzen, sowie von Ausgleichsströmen zwischen diesen Netzen im Kurzschlussfall in einem dieser Netze oder bei Aussertrittfallen, bei welcher in die Verbindungsleitung ein Zweipol in Gestalt einer Wechselstrom-Brücke eingeschaltet ist, die aus Blindwiderständen verschiedenen Vorzeichens so zusammengesetzt ist, dass im Normalbetrieb einer oder mehrere im Strompfad liegende etwa auf Netzfrequenz abgestimmte Reihenschwingkreise entstehen, die dem Strom praktisch keinen Widerstand entgegensetzen, und dass ein oder zwei Schaltglieder vorgesehen sind, die im überstromfall eine Verstimmung des oder der Reihenschwingkreise herbeiführen, so dass die Brücke dem überstrom einen erheblichen Widerstand entgegenstellt, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu den Schaltgliedern ein zusätzlicher Ohm*scher Widerstand geschaltet ist.

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2· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltglieder Sättigung&drosseln vorgesehen sind, deren Sättigungsspannung so bemessen ist, dass sie bein Auftreten eines bestimmten Überstromes überschritten wird·

3· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltglied eine Sättigungsdrossel nach Art eines Transduktors verwendet ist, deren Vormagnetisierung infolge eines Überstromes einsetzt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltglied steuerbare Ventile eingesetzt sind·

5* Anordnung nach Anspruch 1, iadurch gekennzeichnet, dass als Schaltglied überspannungsableiter oder eines seiner Elemente,, Funkenstrecke oder spannungsabhängiger Widerstand eingesetzt sind.

S« Anordnung nach Anspruch 1 - 5* dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied mit einem Ohm'sehen Widerstand in Reihe im Querzweig der Brücke angeordnet ist und die Elemente der vier Längszweige im Strompfad liegende Reihenschwingkreis bilden und dass die Elemente auf die vier Längszweige so verteilt und so bemessen sind, dass über dem.Querzweig eine stromabhängige Spannung ansteht·

7· Anordnung nach Anspruch 1-5« dadurch gekennzeichnet, dass in zwei einander gegenüberliegenden Zweigen der Brücke Sehaltglieder mit je einem Ohm'sehen Widerstand

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in Reine angeordnet sind u?id dass die Elemente der beiden anderen längszwelgs und des^v Querzweiges einen oder mehrere Reinenschwing cceise bilden» und dass die Eleaiente so verteilt und so benessen sind, dass über den Längszweigen Mit den S<;haltgliedern stromabhängige Spannungen anstehen·

8. Anordnung nach. Anspruch 1-7» dadurch gekennzeichnet» dass in den Zweigen mit den. Schaltgliedern zusätzliche Kondensatoren in Reihe angeordnet sind, so dass kein durchgehender kondensatorloser Pfad entsteht·

9· Anordnung nach Anspruch 1 ~ 3» 6 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vervrendung einer Sättigungsdrossel als Schaltglied der zusätzliche Kondensator auf Resonanz mit der Sättigungsdrossel im gesättigten Zustand abgestimmt ist·

1o· Anordnung nach Anspruch 1 » 3» 6 — 9* dadurch gekenn? «•lehnet, dass ein weiterer Kondensator parallel zur Sättigungsdrossel vorgesehen ist, der auf Stromreso« nans mit der Drossel im nichtgesättigten Zustand abgestimmt ist. "

11· Anordnung nach Anspruch 1 - 5i 7 · 1o, dadurch gekennzeichnet, dass an der Eingangsklemme der Brücke ein Stromteller angeordnet ist»

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