DE1926972C3

DE1926972C3 - Schalteinrichtung zur Strombegrenzung

Info

Publication number: DE1926972C3
Application number: DE1926972A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr.-Ing. Kuesnacht Zuerich Kesselring (Schweiz)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-05-23
Filing date: 1969-05-23
Publication date: 1975-07-24
Also published as: DE1926972B2; US3617807A; DE1926972A1; CH509004A

Description

Es ist bekannt, mit Hilfe eines zeitlich zunehmenden Widerstandes überströme in elektrischen Anlagen tu begrenzen (Reduktor) oder bei Einschaltung solcher Widerstände in der Nähe des Stromnulldurchganges die Abschaltbedingungen zu erleichtern (Reduktionsichalter). Neben Widerständen, bei denen der Widerstandswert 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 Widerstandserhchung auf etwa das i2fache erreicht werden; bei allen anderen Werkstoflen liegt dieser Faktor tiefe. 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 emen Widerstand zu legen, dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und der im Normalbetrieb künstlich gekühlt

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 d^zu parallel liegenden Widerstand, dessen Wide» standswert 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 gelöst, 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 2U bis 373' K auf mindestens das Hundertfache ansteigt.

Bisher bestand die Ansicht, daß die Änderung des spezifischen Widerstandes < > mit der Temperatur ff durch eine lineare Beziehung vor der Form

gegeben sei. wobei «ό den Widerstandswert in 12 cm z. B. bei 0 C bedeutet und der Temperaturkoeffizient « in der Größe von (4 ... 6) · 10" ⁱ je Grad liegt. Diese Gesetzmäßigkeit gilt angenähert auch noch für Temperaturen unter OT bis herab auf etwa -70" C. Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen:

Der spezifische Widerstand << ändert sich im Bereich unter etwa - 70 C nicht mehr linear mit der Temperatur, sondern befolgt ein Gesetz von der Form

wobei z. B. für Wolfram /i * 3 ist.
Die spezifische Wärme c' in Ws/cm³ grd, die füi das Verhalten eines Widerstandes zur Strom begrenzung von ebenso großer Bedeutung ist nimmt unterhalb —70°C zunächst quadratiscl und bei sehr tiefen Temperaturen mit der 3. Po tenz der absoluten Temperatur ab.

Für die Realisierung von Strombegrenzern nach dor Erfindung entscheidend ist aber die Erkenntnis, daß die Größe

K = - · T * konsL

(3) dampfung der den Widerstand umgebenden Flüssigkeit In der nachstehenden Tafel sind einige Kühlmittel aufgerührt:

ist, wobei K für jedes Widerstandsmaterial einen charakteristischen Wert aufweist. In Näherung ergeben sich beispielsweise folgende Werte:

Wolfram: K » 0,15 · 10"

cnr

Eisen: K * 0,09 ■ 10⁹ (Vf- s
Kupfer: K % 0,52 · !O⁹

s.

- d7 = S²Ot (s = Stromdichte in

cm

(4)

folgt mit Gleichung (3)

Die Lösung lautet:

und somit

T = To

(5)

-I/if«..

(6)

Kühlmittel	Siedetemperatur bei ρ = 1 atm (°K)
Stickstoff	77
Neon	27
IO Wasserstoff	20
Helium	4

Mit Gleichung (3) kann nun die jeweilige Temperatur und damit auch der zugehörige Widerstandswert in einfacher Weise angenähert berechnet werden. Aus der Differentialgleichung

35

4°

lan wird nun den Widerstand so bemessen, daß / S²df während der Stromreduktion einen möglichst

hohen Wert erreicht, wobei aber die maximal zulässige Widerstandstemperalur einzuhalten ist. Beträgt τ die Zeit der Stromreduzierung, 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 S_eff 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. Wäre dies nicht der Fall, so würde der Widerstand infolge seiner geringen Wärmekapazität explosionsartig zerstört. Infolge dieser Anpassung zwischen d 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 T_Sp, z. B. GaV₃ mit T_Sp = 16,8° K und SiV₃ mit T_Sp = 17⁰K, sind Legierungen und weisen daher eine geringere Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur auf. Sie sind somit für Strombegrenzungswiderstände nach der Erfindung weniger geeignet. Bei den reinen Metallen, wie Aluminium mit T_Sp = 1,18° K. Zinn mit T_Sp = 3,7° K und Blei mit T_Sp = 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 t = - I ί ein Kurzschlußstrom i_k mit einer durch die Netzinduktivität L gegebenen Stromsteilheit auf, so soll nach der sehr kurzen Zeit Ii von Bruchteilen einer Millisekunde der Hilfsschalter 2 (s. Fig. 1) geschlossen und unmittelbar darauf der Hauptsichalter 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 J₇-multipliziert mit dem Kaltwiderstand r₀ einen Wert aufweist, der kleiner als die totale Lichtbogensparinung U_B ist, also _{r w} u

< U_n

wobei U_B 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)

10

Bei einem Redaktor soll nun ? nicht größer als etwa 2 bis 3 · I_T 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 q¹ die interessierende Größe

S(t)

S²dt =

(9)

(10)

^dJ

a'

* 271

konst.

schalter die lEnergieumsetzung sehr viel kleiner isl als beim Reduktor, wird auch der Strombegrenzungswiderstand 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 P_a - 1000 MVA zu bemessen. Der Kurzschlußstrom wird 1000 fl3 · 10 = 58 kA und somit die Induktivität je Phase L = 10/ |/Ϊ3 · 58 -.., = 0,3)5 · 10"³ H. Die maximale Stromsteilheit ergibt sich zu

25

30

00
berechnen.

Etwas anders liegen die Verhältnisse beim sogenannten Reduktionsschalter. Der dabei auftretende Stromverlauf i_r ist in Fig. 3 dargestellt. Der Kurzschlußstrom i_k fließt bereits und erreicht dann einen Stromnulldurchgang N₁. Kurz davor wird durch eine an sich bekannte Synchronsteuerung der Hilfsschalter 2 geschlossen und der Hauptschalter 1 geöffnet. De.- zum Hauptschalter 1 parallel liegende KaItwiderstand r₀ ist nun so zu bemessen, daß der Anstieg der wiederkehrenden Spannung (du_w/dt)₀ wesentlich herabgesetzt wird. Die hierfür maßgebende Größe κ ist definiert durch:

Für χ ^ 0,5 erreicht die wiederkehrende Spannung asymptotisch den Wert Ü (s. F i g. 3). wobei die Steilheit des Anstieges bei χ = 0,5 etwa V₃ 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 Strome mit entsprechend hoher Stromsteilheit (di Ot)₀ beim Durchlaufen des Stromnulldurchganges sicher auf den Widerstand r„ zu kommutieren, denn in Näherung gilt der Zusammenhang

Hierin bedeutet N₀ = ug die stationäre Lichtbogenleistung in der Nähe des Stromnulldurchgangcs und t_b die Lichtbogenzeitkonstante. Unmittelbar nach dem Stromnulldurchgang ,V, (s. Fig. 3) fließt der Strom durch den Widerstand r₀. der sich anschließend um mehrere Größenordnungen erhöht, so daß dann im nächsten Stromnuildurcheanti V, die treibende Spannung u und der sehr kleine reduzierte Strom ■, gleichzeitig durch Null gehen und daher die Unterbrechung des reduzierten Strorms keine Schwierigkeiten bereitet Da beim Reduktions-

Mit

13

|/3L

fl- 10000

ι = 2,5 /_r = 10 000 A

ergibt sich ein Verlauf des reduzierten Stromes 1 wie er in F i g. 2 aufgezeichnet ist. Durch Quadrieren erhält man i² = / (i), woraus folgt

ί Γ

= js²di = \ Ji²

S(O = js²di = \ Ji²Ot.
0 0

Durch Planimetrieren der /²-Kurve findet man
J(I) ^ 7· ICf(A²S),
J (5) ^ 15

Zur Zeit r = 1 ms ist d//df =0 und somit be Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von ]5"A

40

'· 10(XX) " 10000 "'

Mit I_T == 4(XX) A wird gemäß Gleichung (7)

r₀ 0,005 ^IW - _tJo ■

Durch lineare Interpolation findet man die zu «, gehörige Temperatur T₁ =t 210' K. Es muß somit sein

T₁ = 40 e^s = 210; e* = ²J? * 5,25: χ = 1.66.

Hieraus folgt

(II) _Τχ ₌ 4o._e

<u>7 ιο·

•7 TO»

und somit

0.67 · 10 ⁸ - 7 10⁴ _Λ ,

T= , ,, =2,82· H)-⁴cm²,

1.66

</ = 1.68 10 ²cm².
Die fcndtemperatur 7₅ wird

7, = 4Oe"⁶⁷ '" " Al m* =-- 40e^J55.
7, 4(1 34.x -= 14(M) K

Für die Länge / ergibt sich

r_oq _ 0,005- 1,68 IQ" ²
a, ~ 2,25 · 10~⁸

Das totale Widerstandsverhältnis beträgt
r« λ ρ, 37

0,005

= 7400.

Für das sichere Funktionieren muß der veränderliche Widerstand r zu Beginn einer Abschaltung annähernd den Wert r₀ aufweisen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Hilfsschalter 2 (s. F i g. 1) nur dann eingeschaltet werden kann, wenn der Widerstand r auf eine vorbestimmte Temperatur T₀ abgekühlt ist. Um kurze Abkühlzeiten zu erreichen, wird man den Widerstand r zweckmäßig aus parallel geschalteten dünnen Drähten oder dünnen Bändern herstellen. Bei einem Drahtdurchmesser von beispielsweise 0,3 mm können Abkühlzeiten von Bruchteilen einer Sekunde erreicht werden. Die Verwendung dünner Drähte und Bänder ist auch mit Rücksicht auf den Skineffekt vorteilhaft, da der spezifische Widerstand ρ₀ im abgekühlten Zustand sehr gering ist.

Sind Ausschaltungen in sehr kurzen Zeitintervallen notwendig, so wird man zweckmäßig mindestens zwei parallele Kreise zum Hauptschalter 1, bestehend aus Widerstand und in Reihe damit liegendem Hilfsschalter 2, vorsehen, wobei beim Ausschalten nur derjenige Hilfsschalter geschlossen wird, dessen zugehöriger Widerstand auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform einer derartigen Anordnung zeigt F i g. 4. Darin bedeuten 11 und 12 temperaturabhängige Widerstände, die im Normalbetrieb, wie oben beschrieben, auf tiefe Temperatur gekühlt sind, 13 den Hauptschalter mit dem elektrodynamischen Antrieb, bestehend aus einer feststehenden Spule 14 und einem beweglichen metallischen Teller 15, der mit einer Schaltbrücke 16 starr verbunden ist. 17 und 18 sind Hilfsschalter mit elektrodynamischen Antrieben, bestehend aus feststehenden Spulen 19 und 20 und Schaltbrücken 21 und 22, die gleichzeitig als Sekundärspulen der elektrodynamischen Antriebe dienen. Zusätzlich sind Scheiben 23 und 24 vorgesehen, die mit den Kolben 25 und 26 von Verzögerungspumpen 27 und 28 verbunden sind. Die Scheiben 23 und 24 sind über einen Waagebalken 29 mit einem frei beweglichen Drehpunkt 30 verbunden, an dem ein Hebel 31 starr befestigt ist. 32 ist eine Isolierplatte, die je nach Lage der Kolben 25, 26 vor einem Kontakt 33 bzw. 34 geschoben wird. Die beiden anderen Kontakte sind mit 35 und 36 bezeichnet. 37 und 38 sind Federn, die den Kolben 25 bzw. 26 in einer vorgegebenen Zeit in die ursprüngliche Lage zurückbewegen. 39 ist eine Kondensatorbatterie, die durch eine nicht dargestellte Einrichtung aufgeladen wird; 40 ist eine Dreielektrodenfunkenstrecke, die bei Auftreten eines Überstromes in an sich bekannter Weise zum Ansprechen gebracht wird. 41 und 42 sind Federn, die den Hilfsschalter 17 bzw. 18 nach einer vorgegebenen Zeit wieder öffnen.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Bei Auftreten eines Überstromes spricht die Funkenstrecke 40 an, der Kondensator 39 entlädt sich einmal über die Spule 14 des Hauptschalters 13, zum andern über die Spule 20 des Hilfsschalters 18. Dies hat zur Folge, daß der Hilfsschalter 18 sich schließt und der

ίο Hauptschalter 13 sich öffnet, wodurch der Strom i auf den Widerstand 12 kommutiert wird. Die Reihenfolge des Schließens des Hilfsschalters 18 und des öffnens des Hauptschalters 13 kann durch eine entsprechende Abstimmung der bewegten Massen ge-

i$ währleistet werden. Mit der Erregung der Spule 20 wird der Teller 24 nach rechts beschleunigt und der Kolben 26 entgegen der Feder 38 ebenfalls nach rechts verschoben. Unter dem Einfluß der Feder 42 öffnet sich der Hilfsschalter 18 nach einer vorgegebenen Zeit,

μ wodurch die Abschaltung des Uberstromes im darauffolgenden Stromnulldurchgang bewirkt wird.

In F i g. 4 ist vorausgesetzt, daß kurz vorher eine Abschaltung über den Widerstand 11 stattgefunden hat. Eine zweite Ein-Aus-Schaltung darf erst möglich sein, wenn der Widerstand 11 sich wieder annähernd auf den Kaltwert r₀ abgekühlt hat. Man könnte nun eine an sich bekannte Temperaturmeßeinrichtung vorsehen, durch die bei Erreichen von T₀ der zugehörige Hilfsschalter freigegeben wird. Einfacher ist es jedoch, das Schließen des Hilfsschalters während der an sich bekannten Abkühlzeit zu sperren. Als Zeitmeßgeräte können Uhrwerke, Dämpfungspumpen u. dgl. zur Anwendung gelangen.

In F i g. 4 ist eine beispielsweise Ausfuhrungsform mit Dämpfungspumpen dargestellt. Nach Erregen der Spule 20 wird der Hilfsschalter 18 geschlossen, und der Kolben 26 bewegt sich zusammen mit der Scheibe 24 nach rechts. Der Waagebalken 29 stellt sich senkrecht und der Hebel 31 waagerecht. Inzwischen bewegt sich der Kolben 25 nach links und verschiebt — da sich der Kolben 26 noch annähernd in der Rechtsstellung befindet — den Hebel 31 und die Isolierscheibe 32 nach unten. Dadurch kann sich die Scheibe 23 auf die Kontakte 33, 36 aufsetzen, womit der Hilfsschalter 17 wieder betriebsbereit ist. Andererseits ist das Schließen des Hilfsschalters 18 durch die nach unten geschobene Isolierplatte verhindert: es wird also bei der nächsten Abschaltung nur ein Hilfsschalter betätigt.

Elektrische Widerstände zeigen bei sehr tiefen Temperaturen eine Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes vom sie durchdringenden Magnetfeld, und zwar immer im Sinne einer Erhöhung von ρ. Im Gegensatz zu Supraleitern ist bei den Widerstands-

materialien für Strombegrenzer nach der Erfindung diese geringe Widerstandserhöhung meist ohne Bedeutung. Die magnetische Feldstärke kann aber ohne Schwierigkeiten durch an sich bekannte magnetische Abschirmungen auf ungefährliche Werte herabgesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schalteinrichtung zur Strombegrenzung, bestehend aus mindestens einem Hauptschalter and mindestens einem dazu parallel liegenden Widerstand, dessen Widerstandswert mit der Temperatur zunimmt und auf den der Strom beim Offnen 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 Material 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 (I) geschlossen wird (Fig. 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.