DE1926972B2 - Schalteinrichtung zur Strombegrenzung - Google Patents

Schalteinrichtung zur Strombegrenzung

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Description

1S Es sind auch bereits Reduktoren und Reduktionsschalter angegeben worden, bei denen der veränderbare Widerstand im Normalbetrieb supraleitend ist und beim Schaltvorgang durch Anlegen eines Magnetfeldes in den normalleitenden Zustand übergeführt wird (US-PS 3 381 175). Supraleitende Widerstände erfordern jedoch einen hohen Aufwand für Herstellung und Kühlung; außerdem sind sie empfindlich gegen magnetische Störfelder, die einen ungewollten übergang in den normalleitenden Zustand verursachen können. , . · ,
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung zur Strombegrenzung, bestehend aus mindestens einem Hauptschalter und mindestens'einem dazu parallel liegenden Widerstand, dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und auf den der Strom beim öffnen des Hauptschalters kommutiert wird.
Eine solche Schalteinrichtung ist aus der CH-PS 282 851 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksamere Strombegrenzung durch eine wesentlich größere Widerstandszunahme, als sie bei den bisherigen Strombegrenzern stattfindet, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch eelöst. daß Mittel vorhanden sind, um im normalen Betriebszustand den Widerstand auf eine Temperatur zwischen 80 und 4" K, d. h. höher als die Sprungtemperatur des Widerstandsmaterials, abzukühlen, und daß als Widerstandsmaterial ein Material verwendet ist. dessen spezifischer Widerstand im Bereich von 20 bis 373° K auf mindestens das Hundertfache ansteigt.
Bisher bestand die Ansicht, daß die Änderung des spezifischen Widerstandes « mit der Temperatur 0 durch eine lineare Beziehung von der Form
ο = % (1
ϋ)
Es ist bekannt, mit Hilfe eines zeitlich zunehmenden Widerstandes überströme in elektrischen Anlagen zu begrenzen (Reduktor) oder b^i Einschaltung solcher Widerstände in der Nähe des Stromnulldurchganges die Abschaltbedingungen zu erleichtern (Reduktionsschalter). Neben Widerständen, bei denen der Widerstandswerl durch schnell bewegte Kontakte erhöht wird, haben sich insbesondere Strombegrenzer mit temperaturabhängigen Widerständen bewährt. Bei diesen wird ein parallel zu einem Schalter liegender Widerstand mit hohem positivem Temperaturkoeffizienten bei Auftreten eines Uberstromes in den Stromkreis eingeschaltet und damit die Strombegrenzung selbsttätig durch die Erwärmung des Widerstandes bewirkt. Bei Verwendung chemisch reinen Eisens kann im Extremfall eine Widerstandserhöhung auf gegeben sei, wobei ^0 den vViderstandswert in i2cm z. B. bei 0' C bedeute und der Temperaturkoeffizient« in der Größe von i« .. 6) · 10"3 je Grad liegt. Diese Gesetzmäßigkeit gilt angenähert auch noch für Temperaturen unter O0C bis herab auf etwa — 70cC. Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen:
Der spezifische Widerstand ρ ändert sich im Bereich unter etwa — 700C nicht mehr linear mit der Temperatur, sondern befolgt ein Gesetz von der Form
ff = * (ΐ) ·
wobei z. B. für Wolfram η ~ 3 ist. Die spezifische Wärme c' in Ws/cm3grd, die füi das Verhalten eines Widerstandes zur Strom begrenzung von ebenr.o großer Bedeutung ist nimmt unterhalb -70'C zunächst quadratiscl und bei sehr tiefen Temperaturen mit der 3. Po lenz der absoluten Temperatur ab.
Für die Realisierung von Strombegrenzern nach der Erfindung entscheidend ist aber die Erkenntnis, daß die Größe
K = - - T * kt'.ist.
(3)
Wolfram: K =s 0,15 · 10"
dT = S2dt
Stromdichte in
em
(4)
folgt mit Gleichung (3)
τ
ί % -1J **■
γ0 ο
Die Lösung lautet:
und somit
T =
(5)
S„r r =
S2dt.
(6)
dampfung der den Widerstand umgebenden Flüssigkeit. In der nachstehenden Tafel sind einige Kühlmittel aufgeführt:
ist, wobei K für jedes Widerstandsmateria! einen charakteristischen Wert aufweist. In Näherung ergeben sich beispielsweise folgende Werte:
IO
Eisen: K =s 0,09 · 109 ( — Λ- s
ν cm-;
Kupfer: K « 0,52 - 10" (~r)2· s.
Mit Gleichung (3) kann nun die jeweilige Temperatur und damit auch der zugehörige Widerstandswert in einfacher Weise angenähert berechnet werden. Aus der Differentialgleichung
35
40
Kühlmittel Siedetemperatur bei ρ = 1 atm
Γ K)
Stickstoff 77
Neon 27
20
Wasserstoff 4
Helium
Man wird nun den Widerstand so bemessen, daß J S2dt während der Slromreduktion linen möglichst
hohen Wert erreicht, wobei aber die maximal zulässige Widerstandstemperatur einzuhalten ist. Beträgt τ die Zeit der Slromreduzierung, so ist der Effektivwert der Stromdichte S gegeben durch
45
Da man aus den Netzdaten meist den ungefähren Verlauf des reduzierten Stromes ableiten kann, ist auch S(t) = i/q (q = Leiterquerschnitt in cm2) und damit Sej-f angebbar. Trotz der sehr starken Abnahme der spezifischen Wärme und der dadurch bedingten geringen Wärmekapazität des Widerstandsmaterials können doch brauchbare Strombegrenzer gebaut werden, weil die erzeugte Wärme im Bereich tiefer Temperaturen ebenfalls sehr klein ist. Wä re dies nicht der Fall, so würde der Widerstand infolge seiner geringen Wärmekapazität explosionsartig zerstört. Infolge dieser Anpassung zwischen c' und ρ und der dadurch bedingten allmählichen Zunahme der Temperatur ergibt sich auch keine explosionsartige Ver-Durch Änderung des Druckes ρ können die Siedetemperaturen den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden.
Besonders vorteilhaft zum Bau von Strombegrenzungswiderständen sind extrem reine Metalle wie Wolfram. Eisen und Kupfer. Supraleitende Werkstoffe mit relativ hoher Sprungtemperatur TSp, z. B. GaV3 mit TSp = 16,8' K und SiV3 mit TSp = 17° K, sind Legierungen und weisen daher eine geringere Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur auf. Sie sin<J somit für Strombegrenzungswiderstände nach der Erfindung weniger geeignet. Bei den reinen Metallen, wie Aluminium mit TSp = 1,18° K, Zinn mit TSp = 3,7° K und Blei mit TSp = 7,19° K, soll nach der Erfindung die Temperatur T0 im Betriebszustand über der Sprungtemperatur liegen, wodurch die bei Ausnützung der Supraleitung an sich bekannten Schwierigkeiten vermieden werden.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise erläutert:
In F i g. 1 ist ein Strombegrenzer nach der Erfindung schematisch dargestellt. Der zu reduzierende oder abzuschaltende Strom i fließt über einen geschlossenen Hauptschalter 1, wobei ein ihm parallel geschalteter Hilfsschalter 2 vorerst offen ist, so daß über einen zu dem Hilfsschalter 2 in Reihe geschalteten temperaturabhängigen Widerstand 3 kein Strom fließt, also i2 = 0 ist. Der temperaturabhängige Widerstand 3 befindet sich in einem Behälter 4, durch den das von einem zentralen Kühlaggregat 5 aufbereitete Kühlmittel 6 strömt. Um die Wärmeverluste möglichst klein zu halten, ist der Behälter 4 in an sich bekannter Weise von einer die Wärmestrahlen reflektierenden Hülle 7 umgeben. Die Stromzuführungen 8 und 9 zum Widerstand 3 sind ebenfalls gekühlt und so ausgebildet, daß der Wärmeverlust durch Wärmeleitung möglichst klein ist.
Tritt nun. wie in Fig. 2 dargestellt ist, zur Zeit ι = - 1 f ein Kurzschlußstrom ik mit einer durch die Netzinduktivität L gegebenen Stromsteilheit auf, so soll nach der sehr kurzen Zeit At von Bruchteilen einer Millisekunde der Hilfsschalter 2 (s. Fig. 1) geschlossen und unmittelbar darauf der Hauptschalter 1 geöffnet werden. Durch die am Hauptschalter 1 auftretenden Lichtbogen, die selbst bei geringstem Kontaktabstand schon eine Brennspannung von etwa 10 V je Unterbrechungsstelle aufweisen, wird der Strom I1 auf den Widerstand 3 kommutiert. Dabei muß die Bedingung erfüllt sein, daß der Trennstrom IT multipliziert mit dem Kaltwiderstand r0 einen Wert aufweist, der kleiner als die totale Lichtbogenspannung UB ist, also /,u
Ιτ* = Ιτ-1^<υΒ, (7)
wobei in der Anordnung nach F i g. 1 etwa 20 bis
30 V beträgt. Werden die Lichtbögen in engen Spalten gezogen, so lassen sich Spannungsgradienten bis zu mehreren 100 V/cm und Unterbrechungsstelle erzielen. Dies kann insbesondere bei der Anwendung von Strombegrenzern in Anlagen mit hochgespanntem Gleichstrom von Bedeutung sein. Der Kaltwiderstand r0 ergibt sich somit zu
(8)
Bei einem Reduktor soll nun i nicht größer als etwa 2 bis 3 · IT sein. Die Stromflußdauer τ beträgt im Kurzschlußfall bei 50 Hz 5 ms, bei 60 Hz 4,15 ms. Da zudem die Stromsteilheit gegeben ist, kann der Verlauf des reduzierten Stromes i näherungsweise ermittelt werden. Bedeutet q in cm2 den vorläufig noch unbekannten Querschnitt des veränderlichen Widerstandes, so läßt sich aus dem Stromverlauf durch Quadrieren und Dividieren mit q2 die interessierende Größe
=J S2dt =
schalter die Energieumsetzung sehr viel kleiner is als beim Reduktor, wird auch der Strombegrenzungs widerstand entsprechend kleiner und einfacher.
Zur weiteren Erläuterung diene nachstehendes Beispiel :
Es ist ein Reduktor für eine verkettete Spannung von U1, = 10000 V und eine dreiphasige Kurzschlußleistung an der Einbaustelle von Pa1000 ,MVA zu bemessen. Der Kurzschlußstrom wird 1000 l'ß · 10 = 58 kA und somit die Induktivität je Phase L = 10/ f\3 · 58 · ,·, = 0,315 · ΙΟ"·1 H. Die maximale Stromsteilheit ergibt sich zu
Wo
fi- 10000
Mit
i = 2,5 IT = 10000A
dt (9)
H J
0 0
berechnen.
Etwas anders liegen die Verhältnisse beim sogenannten Reduktionsschalter. Der dabei auftretende Stromverlauf ir ist in F i g. 3 dargestellt. Der Kurzschlußstrom ik fließt bereits und erreicht dann einen Stromnulldurchgang N1. Kurz davor wird durch eine an sich bekannte Synchronsteuerung der Hilfsschalter 2 geschlossen und der Hauptschalter i geöffnet. Der zum Hauptschalter 1 parallel liegende Kaltwiderstand r0 ist nun so zu bemessen, daß der Anstieg der wiederkehrenden Spannung (duw/dt)0 wesentlich herabgesetzt wird. Die hierfür maßgebende Größe κ ist definiert durch:
ergibt sich ein Verlauf des reduzierten Stromes /, wie er in F i g. 2 aufgezeichnet ist. Durch Quadrieren erhält man i2 = /(/), woraus folgt
I 1
= Js2Ot =-Tj"/2d/.
0 0
Durch Planimetrieren der /2-Kurve findet man
J(I) «7· 10*(A2S).
J(5)v 15· 104JA2S).
Zur Zeit r = 1 ms ist d//df = 0 und somit bei Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von 15%
U; 7 000
10000 * 10000
= 0,7 il .
(10) 40 Mit /r = 4000 A wird gemäß Gleichung (7)
Für χ g 0,5 erreicht dje wiederkehrende Spannung asymptotisch den Wert Ü (s. F i g. 3), wobei die Steilheit des Anstieges bei χ = 0,5 etwa '/3 derjenigen der ungedämpften Schwingung beträgt.
Bei κ = 0,1 wird der Anstieg der wiederkehrenden Spannung auf etwa 10% verringert. Diese weitgehende Herabsetzung des Spannungsanstieges gestattet nun, extrem hohe Ströme mit entsprechend hoher Stromsteilheit [AiIAt)0 beim Durchlaufen des Stromnulldurchganges sicher auf den Widerstand
ki
U B _ 20
77 = 4ÖÖÖ
= 0,005 U,
gg
zu kommutieren, denn
sammenhang
in Näherung gilt der Zu- -i- = —'_ = 140 - ü
r0 0,005 O0
Durch lineare Interpolation findet man die zu «, gehörige Temperatur T1 % 2100K. Es muß somit sein:
T1 = 40 - e* = 210; e* = 2~ * 5,25; χ = 1,66.
Hieraus folgt
(Π) =40e0·67 l0 " ? 7
Hierin bedeutet N0 = uBi die stationäre Lichtbogenleistung in der Nähe des Stromnulldurchganges und tb die Lichtbogenzeitkonstante. Unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang N1 (s. Fig. 3) fließt der Strom drrch den Widerstand r0, der sich anschließend um mehrere Größenordnungen erhöht, so daß dann im nächsten. Stromnulldurchgang N2 die treibende Spannung u und der sehr kleine reduzierte Strom i, gleichzeitig durch Null gehen und daher die Unterbrechung des reduzierten Stromes keine Schwierigkeiten bereitet. Da beim Reduktions-
und somit , 0,67
<r =
10
7 10*
= 2.82· lo
ern2.
q= 1,68 10 2cm2.
Die Endtemperatur T5 wird
= 40-e
°-67
= 4Oe3-".
T5 =40-34.8= 1400 K.
7 8
Für die Länge / ergibt sich ter Weise zum Ansprechen gebracht wird. 41 und 4
_2 sind Federn, die den Hilfsschalter 17 bzw. 18 nac
I _ rq'i _ 9.'59_^ J:^.l[[L % ^7(X) cm Δ ^7 m einer vorgegebenen Zeit wieder öffnen.
(Α) 2,25 · 10~" ' * ' Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende
5 Bei Auftreten eines Uberstromes spricht die Funken
Das totale Widerstandsverhältnis beträgt strecke 40 an, der Kondensator 39 entlädt sich einma -.η über die Spule 14 des Hauptschalters 13, zum anderr 's a & = _J±_ = 74oo über die Spule 20 des Hilfsschalters 18. Dies hat zui '(> '■'" °'()05 Folge, daß der Hilfsschalter 18 sich schließt und dei ίο Hauptschalter 13 sich öffnet, wodurch der Strom Für das sichere Funktionieren muß der vcränder- auf den Widerstand 12 kommutiert wird. Die Reihen· liehe Widerstand r zu Beginn einer Abschaltung an- folge des, Schließens des Hilfsschalters 18 und des j niihernd den Wert r0 aufweisen. Dies läßt sich dadurch öffnens des Hauptschalters 13 kann durch eine entcrr~ichen, daß der Hilfsschalter 2 (s. Fi g. 1) nur dann sprechende Abstimmung der bewegten Massen geeingeschaltet werden kann, wenn der Widerstand r 15 währleistet werden. Mit der Erregung der Spule 20 auf eine vorbestimmte Temperatur 7^1 abgekühlt wird der Teller 24 nach rechts beschleunigt und der ist. Um kurze Abkühlzeiten zu erreichen, wird man Kolben 26 entgegen der Feder 38 ebenfalls nach rechts den Widerstand r zweckmäßig aus parallel geschal- verschoben. Unter dem Einfluß der Feder 42 öffnet teten dünnen Drähten oder dünnen Bändern her- sich der Hilfsschalter 18 nach einer vorgegebenen Zeit, stellen. Bei einem Drahtdurchmesser von beispiels- 20 wodurch die Abschaltung des Überstromes im daraufweise 0,3 mm können Abkühlzeiten von Bruchteilen folgenden Stromnulldurchgang bewirkt wird,
einer Sekunde erreicht werden. Die Verwendung In F i g. 4 ist vorausgesetzt, daß kurz vorher eine dünner Drähte und Bänder ist auch mit Rücksicht Abschaltung über den Widerstand 11 stattgefunden auf den Skineffekt vorteilhaft, da der spezifische hat. Eine zweite Ein-Aus-Schaltung darf erst möglich Widerstand p0 im abgekühlten Zustand sehr gering ist. 25 sein, wenn der Widerstand 11 sich wieder annähernd Sind Ausschaltungen in sehr kurzen Zeitintervallen auf den Kaltwert r0 abgekühlt hat. Man könnte notwendig, so wird man zweckmäßig mindestens zwei nun eine an sich bekannte Temperaturmeßeinrichtung parallele Kreise zum Hauptschalter 1, bestehend aus vorsehen, durch die bei Erreichen von T0 der zuge-Widerstand und in Reihe damit liegendem Hilfs- hörige Hilfsschalter freigegeben wird. Einfacher ist es schalter 2 vorsehen, wobei beim Ausschallen nur der- 30 jedoch, das Schließen des Hilfsschalters während der jenige Hilfsschalter geschlossen wird, dessen zugehöri- an sich bekannten Abkühlzeit zu sperren. Als Zeitger Widerstand auf eine vorbestimmte Temperatur meßgeräte können Uhrwerke. Dämpfungspumpen abgekühlt ist. u. dgl. zur Anwendung gelangen.
Eine beispielsweise Ausführungsform einer derarti- In F i g. 4 ist eine beispielsweise Ausführungsform gen Anordnung zeigt Fi g. 4. Darin bedeuten 11 und 12 35 mit Dämpfungspumpen dargestellt. Nach Erregen der temperaturabhängige Widerstände, die im Normal- Spule 20 wird der Hilfsschalter 18 geschlossen, und betrieb, wie oben beschrieben, auf tiefe Temperatur der Kolben 26 bewegt sich zusammen mit der Scheibe gekühlt sind, 13 den Hauptschalter mit dem elektro- 24 nach rechts. Der Waagebalken 29 stellt sich dynamischen Antrieb, bestehend aus einer festste- senkrecht und der Hebel 31 waagerecht. Inzwischen henden Spule 14 und einem beweglichen metallischen 40 bewegt sich der Kolben 25 nach links und verschiebt — Teller 15, der mit einer Schaltbrücke 16 starr verbun- da sich der Kolben 26 noch annähernd in der Rechtsden ist. 17 und 18 sind Hilfsschalter mit elektro- stellung befindet - den Hebel 31 und die Isolierdynamischen Antrieben, bestehend aus feststehenden scheibe 32 nach unten. Dadurch kann sich die Spulen 19 und 20 und Schaltbrücken 21 und 22, die Scheibe 23 auf die Kontakte 33, 36 aufsetzen, womit gleichzeitig als Sekundärspulen der elektrodyna- 45 der Hilfsschalter 17 wieder betriebsbereit ist. Anderermischen Antriebe dienen. Zusätzlich sind Scheiben 23 seits ist das Schließen des Hilfsschalters 18 durch die und 24 vorgesehen, die mit den Kolben 25 und 26 nach unten geschobene Isolierplatte verhindert; es von Verzögerungspumpen 27 und 28 verbunden sind. wird also bei der nächsten Abschaltung nur ein Die Scheiben 23 und 24 sind über einen Waagebalken Hilfsschalter betätigt.
29 mit einem frei beweglichen Drehpunkt 30 ver- 50 Elektrische Widerstände zeigen bei sehr tiefen bunden, an dem ein Hebel 31 starr befestigt ist. 32 ist Temperaturen eine Abhängigkeit des spezifischen eine Isolierplatte, die je nach Lage der Kolben 25, Widerstandes vom sie durchdringenden Magnetfeld, 26 vor einem Kontakt 33 bzw. 34 geschoben wird. und zwar immer im Sinne einer Erhöhung von o. Die beiden anderen Kontakte sind mit 35 und 36 Im Gegensatz zu Supraleitern ist bei den Widerstandsbezeichnet. 37 und 38 sind Federn, die den Kolben 25 55 materialien für Strombegrenzer nach der Erfindung bzw. 26 in einer vorgegebenen Zeit in die ursprüngliche diese geringe Widerstandserhöhung meist ohne Be-Lage zurückbewegen. 39 ist eine Kondensatorbatterie, deutung. Die magnetische Feldstärke kann aber ohne die durch eine nicht dargestellte Einrichtung aufge- Schwierigkeiten durch an sich bekannte magnetische laden wird; 40 ist eine Dreielektrodenfunkenstrecke, Abschirmungen auf ungefährliche Werte herabgesetzt die bei Auftreten eines uberstromes in an sich bekann- 60 werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schalteinrichtung zur Strombegrenzung, bestehend aus mindestens einem Hauptschalter und mindestens einem dazu parallel liegenden Widerstand, dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und auf den der Strom beim öffnen des Hauptschalters kommutiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4, 5, 6) vorhanden sind, um im normalen Betriebszustand den Widerstand (3) auf eine Temperatur zwischen 80 und 4° K, d. h. höher als die Sprungtemperatur des Widerstandsmaterials, abzukühlen, und daß als Widerstandsmaterial ein Materia! verwendet ist, dessen spezifischer Widerstand im Bereich von 20 bis 373° K auf mindestens das Hundertfache ansteigt (Fig. 1).
2. Schalteinrichtung nach Anspruch 1 mit mindestens einem Hilfsschalter parallel zum Hauptschalter und in Reihe mit dem Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (2| im normalen Betriebszustand offen ist und beim Ausschalten unmittelbar vor dem öffnen des Hauptschalters (1) geschlossen wird (Fi g. 1).
3. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel, die gewährleisten, daß der Hilfsschalter (2) nur dann eingeschaltet werden kann, wenn der Widerstand (3) auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist (F i g. 1).
4. Schalteinrichtung nach Anspruch 2, insbesondere für Schnellwiedereinschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Parallelkreise zum Hauptschalter (13), bestehend aus Widerstand (11 bzw. 12) und in Reihe damit liegendem Hilfsschalter (17 bzw. 18), vorgesehen sind und daß beim Ausschalten nur derjenige Hilfsschalter geschlossen wird, dessen zugehöriger Widerstand auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist (Fig. 2).
5. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für die Anwendung im Bereich hoher magnetischer Feldstärken, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand magnetisch abgeschirmt ist.
6. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand aus parallel geschalteten dünnen Drähten oder Bändern besteht.
etwa das 12fache erreicht werde«; bei allen anderen Werkstoffen liegt dieser Faktor tiefer..Ein Strombegrenzer dieser Art ist z. B. aus der CH-PS 282 851 bekannt. Aus der CH-PS 134477 ist es ferner bekannt bei einer Einrichtung zur Strombegrenzung in den zu schützenden Stromkreis einen Widerstand zu lesen dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und der im Normalbetrieb künstlich gekühlt
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DE19756624A1 (de) * 1997-12-19 1999-07-01 Abb Research Ltd Vorrichtung zur Überstrombegrenzung

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