DE19744011A1

DE19744011A1 - Leistungsschaltereinrichtung zur Energieversorgung und -verteilung

Info

Publication number: DE19744011A1
Application number: DE19744011A
Authority: DE
Inventors: Erhard Prof Dr Ing Baltzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-01
Also published as: WO1999017415A1; CN1231077A

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Ener gieversorgung und -verteilung.

In den Nieder- und Mittelspannungsnetzen sind bisher zur Energieversorgung und -verteilung luft- und gasisolierte Lei stungsschalter eingesetzt. Zur Ein- und Ausschaltung dieser Leistungsschalter sind mechanisch betätigte Antriebe vorgese hen, die, insbesondere in Bezug auf die gasisolierten Anla gen, mittels gasdichter Durchführungen auf die Leistungs schalter einwirken.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Konzept zur Realisierung einer Leistungsschaltereinrichtung anzugeben, bei dem der Aufwand für die Steuerung sowohl in luft- als auch in gasisolierten Anlagen erheblich reduziert ist und, insbesondere in gasisolierten Anlagen, gasdichte, mechanisch aufwendige Durchführungen zur Steuerung der Lei stungsschalter entbehrlich sind. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale

1.1 die Leistungsschaltereinrichtung enthält einen Halblei terschalter,
1.2 dem Halbleiterschalter ist ein hochtemperatur-supra leitender Strombegrenzer nachgeschaltet,
1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer steht mit einem Quenchdetektor in Verbindung,
1.4 der Quenchdetektor wirkt derart auf eine Steuerelektro nik ein, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer mittels der Steuerelektronik der Halblei terschalter unmittelbar in den Sperrzustand gesteuert ist,

erreicht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine Kurzschluß strombegrenzung mit supraleitenden Strombegrenzern in Verbin dung mit Leistungsschaltereinrichtungen, insbesondere der Nieder- und Mittelspannungstechnik, zu nutzen. Der Effekt der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer, beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (Quench) den Widerstandswert des Materials zu verändern, ist in einem Artikel der Fachzeitschrift "etz, Heft 12/1997, Seite 36, 37 beschrieben und dient im Zusammenhang mit der erfinderischen Leistungsschaltereinrichtung direkt zur Steuerung des Schal telements, das durch die Unterbrechung des Stromflusses die Abschaltung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz bewirkt. Als erfindungswesentlich ist darüber hinaus anzusehen, daß die Leistungsschaltereinrichtung als Schaltelement statt des mechanisch zu betätigenden Schaltkontaktes einen Halbleiter schalter vorsieht, der im Zusammenwirken mit dem Quenchdetek tor in sehr kurzer Zeit ohne mechanisch zu betätigende Schaltgestänge in den nichtleitenden Zustand geschaltet wer den kann. Durch die kurze Reaktionszeit der Halbleiterschal ter ist die Eigenerwärmung der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer gegenüber den herkömmlichen, mechanisch ge steuerten Leistungsschaltereinrichtungen erheblich reduziert. Bei einem etwa linearen Zusammenhang zwischen der Erwärmung und der Rückkühlzeit der supraleitenden Strombegrenzer er niedrigt sich bei einer Reduzierung der normalleitenden Stromflußdauer bei mechanisch steuerbaren Leistungsschal tereinrichtungen von ca. 50 ms (Millisekunden) bei elektro nisch steuerbaren Halbleiterschaltern auf ca. 10 ms, so daß sich die Rückkühlzeit dementsprechend von 1 s (Sekunde) auf 0,2 s verringert.

Unterbrechungszeiten von 200 ms als Folge eines Kurzschlusses sind in den Netzen der Nieder- und Mittelspannungstechnik noch zulässig, so daß die Anwendung dieser Strombegrenzer allgemein in Schaltkreisen der Energieversorgung und -verteilung möglich ist.

Halbleiterschalter der verschiedensten Arten wurde wegen der hohen Verlustleistungen bisher für diese Anwendungszwecke je doch nicht eingesetzt.

Im Zusammenhang mit den hochtemperatur-supraleitenden Strom begrenzern und einem schnell reagierenden Quenchdetektor ist, wie bereits ausgeführt, eine sehr kurze Rückkühlzeit des Strombegrenzers erreichbar, so daß die Aufwendungen zur Küh lung der Halbleiterschalter in einem wirtschaftlich vertret baren Rahmen liegen.

Bei entsprechender Positionierung kann zur Kühlung der Halb leiter auch der für den Strombegrenzer vorhandene flüssige Stickstoff verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Merkmal

2.1 der Halbleiterschalter ist aus steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) gebildet,

vorgesehen.

Der Halbleiterschalter kann dadurch besonders einfach vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand bzw. umge kehrt gesteuert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal

3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für verschiedene Betriebsspannungen herstellen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal

4.1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen ist durch eine Parallelschaltung von Halbleiterschaltern realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für ein breites Spektrum von unterschiedlichen Betriebs strömen und Betriebsspannungen konzipieren.

Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestelltes Ausfüh rungsbeispiel näher erläutert, in dem lediglich die zum Ver ständnis der Erfindung notwendigen Schaltelemente dargestellt sind.

Die Leistungsschaltereinrichtung LS enthält den Halbleiter schalter HS, der mit dem hochtemperatur-supraleitenden Strom begrenzer SB eine Reihenschaltung bildet. Der hochtemperatur supraleitende Strombegrenzer SB ist mit einem Quenchdetektor QD verbunden, der mit seinem Ausgangssignal im Fall des Über ganges vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zu stand die nachgeschaltete Steuerelektronik SE derart beein flußt, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombe grenzer SB der Halbleiterschalter HS unmittelbar in den Sperrzustand geschaltet ist. Mit dieser Schaltmaßnahme werden sowohl der Strombegrenzer SB als auch die nicht dargestellten Verbraucher vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz abgeschal tet.

Im Gegensatz zu den konventionellen Kurzschlußstrombegren zern, beispielsweise realisiert durch schnelle Schalter, sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschaltereinrichtungen kei ne zusätzlichen Einrichtungen zur Fehlererkennung und zur Auslösung des Strombegrenzers SB erforderlich. Das Verfahren arbeitet reversibel und ohne Austausch von Komponenten nach einem Ansprechen im Kurzschlußfall. Die reversible Wirkungs weise der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer SB er möglicht darüber hinaus die automatische Wiederaufhebung der Abtrennung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz, nachdem der Fehlerzustand, beispielsweise ein Kurzschlußstrom, beseitigt ist.

Claims

1. Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -verteilung, gekennzeichnet durch die Merkmale

1.1 die Leistungsschaltereinrichtung (LS) enthält einen Halb leiterschalter (HS),
1.2 dem Halbleiterschalter (HS) ist ein hochtemperatur supraleitender Strombegrenzer (SB) nachgeschaltet,
1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer (SB) steht mit einem Quenchdetektor (QD) in Verbindung,
1.4 der Quenchdetektor (QD) wirkt derart auf eine Steuer elektronik (SE) ein, daß beim Erkennen eines Spannungs abfalls am Strombegrenzer (SB) mittels der Steuerelek tronik (SE) der Halbleiterschalter (HS) unmittelbar in den Sperrzustand gesteuert ist.

2. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal

2.1 der Halbleiterschalter (HS) ist aus steuerbaren Halblei tern (Thyristoren) gebildet.

3. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1 und den Patentansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch das Merkmal

3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschal ter (HS) realisierbar.

4. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, den Patentansprüchen 1 und 2 und den Patentansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal

4.1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Parallelschaltung von Halbleiter schaltern (HS) realisierbar.