DE202017102354U1 - Fehlerstrombegrenzer - Google Patents

Abstract

Fehlerstrombegrenzer für Mittelspannungsschaltanlage, bei welchem Mittel zur Begrenzung des Fehlerstromes vorgesehen sind, die spätestens bei Vorliegen eines Fehlerstromes aktivierbar oder inhärent aktiv sind, dadurch gekennzeichnet, dass als den Fehlerstrom begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes, elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Fehlerstrombegrenzer gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruches 1.
• Fehlerstrombegrenzer sind in der Regel mechanische Schalter, die über bspw Federpakete oder elektrochemische explosionsantriebe prospektiv eine Kurzschluss herbeiführen. Prospektiv bedeutet dabei, dass der Schalter schon beim physikalischen Aufbau eines Kurzschlusses prospektiv reagieren muss.
• Ein solcher Fehlerstrombegrenzer ist bekannt aus der US 2010/0165532 A1 .
• Genau aus den genannten Gründen der prospektiven Wirkung, kommt es jedoch darauf an, dass ein solcher Fehlerstrombegrenzer extrem schnell reagiert.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fehlerstrombegrenzer derart weiterbilden, dass die dynamische Reaktionszeit zur Betätigung des Fehlerstrombegrenzer proportional mit dem Anwachsen des Fehlerstromes ist.
• Die gestellte Aufgabe ist bei einem Fehlerstrombegrenzer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Kern der Erfindung ist, dass als den Fehlerstrom begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes, elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist.
• Dies bedeutet grundsätzlich, dass jedes elektromotorische System in Sinne der Erfindung einsetzbar ist.
• Der erfindungsgemäße Fehlerstrombegrenzer basiert gemäß Anspruch 1 auf einer Energieumwandlung, bei welcher zumindest ein Teil der elektrischen Energie, die aus dem Kurzschlussstrom selbst kommt, in eine mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird, mit dem Ziel, eine große Gegenspannung zu erzeugen, mit der Konsequenz der Reduktion des Kurzschlusstromes.
• In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Statorwicklung und die Rotorwicklung in Serie geschaltet sind.
• In entsprechender vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgeschlagen, dass eine homopolare Motor-Generator-Anordnung hierfür eingesetzt wird.
• Ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
• Es zeigt:
• 1: Gleichstrom-Reihenschlussmotor
• 2: homopolar Generator
• 3: Basisausgestaltung eines strombegrenzenden homopolaren Generators
• 4: modifizierter homopolarer motor mit mehrfachen Windungen
• 5: Prospektiver und begrenzter Kurzschlussstrom (symmetrisch)
• 6: Prospektiver und begrenzter Kurzschlussstrom (asymmetrisch)
• 7: Erzeugte Spannung des Strombegrenzers
• 8: Rotationsgeschwindigkeit des Strombegrenzers
• 9: Ausgestaltung des rotierenden Fehlerstrombegrenzersystems
• 10: Rotor des rotierenden Fehlerstrombegrenzers
• Ein Ausgestaltungsbeispiel für ein solches System und für eine mögliche Stormbegrenzung im Falle eines 12 KV/40kA Netzwerkes ist nachfolgend beschrieben.
• Dieses Konzept ist effizient zur Limitierung von Kurzschlusströmen in Stromnetzwerken.
• Die grundlegende Wirkungsweise des erfindungsgemäßigen Strombegrenzers kann auf der Basis von Reihenschluss-Elektromotoren dargestellt werden. In diesen Elektromotoren sind die Stator und Rotorwicklungen gemäß 1 in Serie geschaltet.
• Die entsprechenden Gleichungen für ein solches System sind wie folgt: $$u=\left(R_a+R_m\right)i+\left(L_a+L_m\right)\frac{di}{dt}+MMF$$

  

  $$J\frac{d\omega }{dt}=T_e-T_{load}-T_{friction}$$

  
• MMF des seriellen Elektromotors ist proportional zu seiner Rotationsgeschwindigkeit und dem magnetischen Feld, erzeugt durch seine Statorwindungen.
• Das elektrische (elektromechanische) Drehmoment ist proportional zum Quadrat des Stromes, so dass wenn das elektrische (elektromechanische) Drehmoment sehr viel größer ist als das Friktionsmoment und der Elektromotor ohnen Last läuft, dann ist die Abweichung der Rotationsgeschwindigkeit proportional zum Quandrat des Stromes. Das bedeutet, dass wenn der Reihenschluss-Elektromotor einen plötzlichen Anstieg seines Stromes erfährt - bspw im Falle eine Kurzschlusses - dann steigt seine Rotationsgeschwindigkeit, und konsequenterweise sein MMF sehr schnell an.
• Wie schnell dies geschieht, hängt vom Verhältnis des elektrisch erzeugten Drehmomentes zur Rotorträgheit. Wenn die Rotorträgheit abnimmt und zeitgleich das erzeugte Drehmoment steigt, dann wird die Zeitkonstante des Motors klein. Das fordert hohe Ströme, um in der Lage zu sein, hohe magnetische Feldstärken im Falle eines Kurzschlusses erzeugen zu können, sowie die leichtbauende Konstruktion des Rotors.
• Eine sehr effektive Realisierung eines solchen Elektromotors für sehr hohe Ströme ist ein homopolarer Generator/Motor.
• Die grundlegende Bauform eine solchen homopolaren Generator/Motors ist in 2 dargestellt.
• Das magnetische Feld kann durch Permanentmagnete oder stromdurchflossene Spulen erzeugt werden. Betrachtet man zunächst den Fall, bei dem das magnetische Feld durch eine luftgekühlte Spule erzeugt wird, die in Reihe mit der Scheibe in einen Hochstromkreis geschaltet ist.
• Diese Konfiguration ist unabhängig von der Polarität. Für beide, d.h. positive und negative Ströme ergibt sich dieselbe Rotationsrichtung, so dass die Polarität des erzeugten MMF sich diesbezüglich ändert, und somit dann unabhängig von der Polarität des Stromes ist, und so ein Strombegrenzungseffekt erzeugbar ist.
• Die Kommutatoren als solche, die in konventionellen Gleichstrommotoren zur Erhaltung des Rotorstromes in der gewünschten Drehrichtung verwendet werden, sind verzichtbar, und stattdessen sind nur Stromkollektoren notwendig, die in Kontakt mit der rotierenden Scheibe stehen.
• Der Nachteil von homopolaren Generator/Motor Anordungen ist, dass der erzeugte MMF $$\left(\omega B{r}^2\text{/}2\right)$$

  

  sehr klein ist, und der elektrische Widerstand des Strompfades kann hoch sein, wenn der Kontaktradius klein bleibt. Dieser Nachteil kann aber kompensiert werden, wenn die Drehzahl erhöht wird, und statt einer Vollscheibenanordnung eine Ringscheibenanordnung verwendet wird.
• Um das Drehmoment rückkehrender Strompfade in dieselbe Richtung zu bringen, muss die Magnetfeldrichtung an den unteren Teil der Anordnung entsprechend angepasst werden. Für diesen Fall muss die Basiskonfiguration modifiziert werden.
• Eine solche Modifikation ist in 4 dargestellt.
• Für die Dimensionierung gilt folgender Zusammenhang:
• Auf diesem Weg ist es möglich, das Drehmoment anzuheben sowie den MMF, auf Kosten ansonsten steigenden elektrischen Widerstandes durch die Windungen.
• Die Grundlegenden Gleichungen hierfür sind. $$U=2n\left(\frac{\omega B}{2}\right)\left(r_{out}{}^2-r_{in}{}^2\right)$$

  

  $$T_e=2n\frac{iB}{2}\left(r_{out}{}^2-r_{in}{}^2\right)$$

  

  $$J\approx \frac{1}{2}\pi \left(2{\rho }_{mc}{h}_c+{\rho }_{ms}{h}_s\right)\left(r_{out}{}^4-r_{in}{}^4\right)$$

  

  $$R\approx n^2\left[\left(\frac{{\rho }_c}{\pi h_c}\right)ln\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right)+\frac{{\rho }_c{h}_s}{1\pi r_{in}{h}_c}+\frac{{\rho }_c\sqrt{h_s{}^2+{\left(\frac{1\pi }{n}{r}_{out}\right)}^2}}{1\pi r_{out}{h}_c}\right]$$

  
• Im Ergebnis dazu, die zeitliche Ableitung der Rotationsgeschwindigkeit kann errechnet werden, wenn die Reibungsmomente vernachlässigt werden: $$\frac{d\omega }{dt}\approx \frac{T_e}{J}\approx \frac{2niB}{\pi \left(2{\rho }_{mc}{h}_c+{\rho }_{ms}{h}_s\right)}\times \frac{1}{\left(r_{out}{}^2+r_{in}{}^2\right)}$$

  
• Unter der Annahme, dass die anfängliche Rotationsgeschwindigkeit Null ist, und der Strom linear mit der Zeit steigt, kann die Rotationsgeschwindigkeit ausgedrückt werden zu: $$\omega \left(t\right)=\frac{2niB}{3\pi \left(2{\rho }_{mc}{h}_c+{\rho }_{ms}{h}_s\right)}\times \frac{1}{\left(r_{out}{}^2+r_{in}{}^2\right)}t$$

  
• Der korrespondierende Wert von MMF wird zu: $$U\left(t\right)=\frac{2n^{2}i{B}^2}{3\pi \left(2{\rho }_{mc}{h}_c+{\rho }_{ms}{h}_s\right)}\times \frac{\left(r_{out}{}^2-r_{in}{}^2\right)}{\left(r_{out}{}^2+r_{in}{}^2\right)}t$$

  
• Auf den ersten Blick scheint es so, dass die Spannung beliebig angehoben warden kann, aber es muss beachtet werden, dass dies lediglich möglich ist auf Kosten eines Anstieges des elektrischen Widertandes. Für den maximal tolerierbaren Widerstand (R_max), folgt die erzeugte Spannung zu: $$U\left(t\right)=\frac{{\text{2R}}_{max}i{B}^2}{3\pi \left[\left(\frac{{\rho }_c}{\pi h_c}\right)ln\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right)+\frac{{\rho }_c{h}_s}{4\pi r_{in}{h}_c}+\frac{{\rho }_c\sqrt{h_s{}^2+{\left(\frac{4\pi }{n}{r}_{out}\right)}^2}}{4\pi r_{out}{h}_c}\right]\left({\rho }_{mc}{h}_c+{\rho }_{ms}{h}_s\right)}\times \frac{\left(r_{out}{}^2-r_{in}{}^2\right)}{\left(r_{out}{}^2+r_{in}{}^2\right)}t$$

  
• Wobei ρ_c die spezifische elektrische Widerstand des Leites ist, h_c sein Dicke, ρ_mc seine Massendichte, h_s die Dicke der Struktur, und ρ_ms seine durchschnittliche Massendichte ist.
• Für große Scheibenradien und dünne Strukturen und hohe Umdrehungszahlung kann approximiert werden zu: $$U\left(t\right)=\frac{2R_{max}i{B}^2}{3{\rho }_c{\rho }_{mc}\left(1+\frac{{\rho }_{ms}{h}_s}{2{\rho }_{mc}{h}_c}\right)}\times f\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right)t$$

  

  $$f\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right)=\frac{\left(r_{out}{}^2-r_{in}{}^2\right)}{ln\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right)\left(r_{out}{}^2+r_{in}{}^2\right)}$$

  
• Für einen Widerstand von 1 mOhm, für die Materialeigenschfaten von bspw Aluminium für den Leiter, ergibt sich ρ_c= 2.8 × 10^-8 Ω m und ρ_mc = 2700 Kg/m³, und einen Reduktionsfaktor von 0.8, ausgehend von einer Struktur mit $f\left(\frac{r_{out}}{r_{in}}\right),$

  

  der erzeugte Wert für MMF kann näherungsweise ausgedrückt werden als: $$U\left(t\right)\approx 7i{B}^{2}t$$

  
• Wenn man eine lineare Beziehung zwischen B und I in der Form von B = Ki und i = αt annimmt, dann kann für die daraus folgende Spannung - Stromcharakteristiken können abgeleitet werden- zu: $$U=\frac{7K^2}{a}\times i^4$$

  
• Für den Fall, bei dem K= 2 × 10^-4 T/A (das bedeutet 2 Tesla bei 10000 Ampere) und α = 17 × 10⁶ A/s (dies ist die Stromanstiegsrate bei Isc = 40 kA). Die erzeugte Spannung ergibt sich in etwa zu 1.65 × 10^-14i⁴.
• Es muss angemerkt werden, dass die Stromreduzierung zu Spannungserzeugung nicht berücksichtigt wurde, und angenommen wurde, dass die Netzspannung so hoch ist, dass die Spannungserzeugung nicht der Strom ändert, in realen Netzwerken, die Stromerzeugung resultiert in eine Stromreduktion. Dies kann berechnet werden durch den Gebrauch folgender Gleichung: $$U_n=L_{SC}\frac{di}{dt}+R_{SC}i+U$$

  
• Exemplarisch für ein Mittelspannungsnetzwerk ergibt sich folgendes.
• Für ein Mittelspannungs-Energienetzwerk mit einer nominalen Spannung von 12 kV und einer Kurzschluss-Induktivität von 1 milli Henry, sind die vohersehbaren und begrenzten Ströme in 5 gezeigt.
• Die Parameter dieser Kalkulation sind wie folgt:
• hc= 4 mm, hs=10 mm, R_max = 500 µΩ (ein Spannungsabfall von 1 V für einen nominalen Strom von 2000 A), r_out=40 cm, r_in = 28 cm, ρ_ms = 1000 Kg/m³ und
• die Leiter bestehen aus Aluminium, und warden angenommen zu 2 T, und wird erzeugt wenn 10000 A durch die Spulen fließt, (solche Magnetfelder sind einfach realisierbar mit wenigen Umdrehungen). In diesem Fall ist eine Reduktion um 35% des maximalen Stromes erreicht.
• 5 zeigt die Stromlimitierung in Mittelspannungs-Energienetzwerken (symmetrischer Kurzschlussfall).
• Die Stromlimitierung ist sogar noch effizienter, wenn der asymmetrische Fall berücksichtigt wird. In diesem Fall ist eine 50% Reduktion des Kurzschlussstromes erreicht.
• 6 zeigt die Stromlimitierung in Mittelspannungs-Energie Netzwerken (asymmetrischer Kurzschlussfall) Die erzeugte Spannung über der Stromlimitierung ist in 7 gezeigt.
• 7 zeigt die induzierte magnetomechanische Kraft wärhend der Limitierung des o asymmetrischen Stromes von 6.
• Während der ersten Millisekunden ist der rotierende Teil hin zu hohen Rotationsgeschwindigkeiten beschleunigt, aber nach Klärung des Fehlers, wird es innerhalb weniger 10 Millisekunden gebremst durch das verfügbare Reibungsmoment.
• Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors im Fall der Limitierung des asymmetrischen Stromes ist in 8 gezeigt.
• Während dieser Zeit, rotiert der Rotor nur wenige Umdrehungen, so dass kein kontinuierliche Reibung auf die Stromkollektoren und tragenden Elemente erfolgt.
• Es ist ersichtlich, dass die Leistungsfähigkeit der Einrichtung sehr sensitive auf auf den maximal tolerierbaren elektrischen Widerstand ist. Je größer der maximale Widerstand ist, umso besser ist die Perfomance. Je höher das magnetische Feld ist, ergibt sich, dass der erzeugte MMF-Wert größer ist und die Limitierung is sehr viel effizienter.
• Das Verhältnis von innerem zum äußerem Radius ist wichtig, und es liegt ein optimaler Wert bei 0,7 bis 0,8, aber der Radius der Scheibe hat für gewohnlich keinen Einfluss auf die erzeugte elektrische Spannung, wenn lediglich die maximale Rotationsgeschwindigkeit und wenn der Radius kleiner gewählt wird.
• Eine konkrete Ausgestaltung für einen erfindungsgemäßen Fehlerstrombegrenzer ist in 9 gezeigt. Der Außendurchmesser des Rotors 10 is mit 30 cm dimensioniert. Dieser ist mit Aluminiumdrähten gewickelt. Die Potentialdifferenz wird zwischen oberer und unterer Platte 30 erzeugt, welche durch elektrische Isolation 50 voneinander getrennt sind. In ersten Tests wurde die notwendige magnetische Feldstärke durch ein Permanentmagnetsystem erzeugt, das zwischen den leitenden Platten 30 und dem rotierenden Bauteil 10 lokalisiert wurde.
• 10 zeigt nochmal im Detail, das das rotierende Bauteil 10, welches aus elektrisch isolierendem Material besteht und Windungen aus Aluminium Drähten ausweist.
• Alles in Allem ergibt sich mit den erfindungsgemäßen Fehlerstrombegrenzer ein System auf der Konfiguration eines rotierenden Systems.
• Diese Konzept kann auch in Verbindung mit einem konventionellen Leistungsschalter eingesetzt werden, um einen strombegrenzenden Leistungsschalter für AC Netzwerke, aber auch für DC Strom-Schaltungen zu realisieren. Für diese Anwendung kann das Spannung-über-Strom Begrenzungsteil zur Triggerung von in Serie geschaltenen Leistungsschaltern eingesetzt werden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 2010/0165532 A1 [0003]

Claims (3)

1. Fehlerstrombegrenzer für Mittelspannungsschaltanlage, bei welchem Mittel zur Begrenzung des Fehlerstromes vorgesehen sind, die spätestens bei Vorliegen eines Fehlerstromes aktivierbar oder inhärent aktiv sind, dadurch gekennzeichnet, dass als den Fehlerstrom begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes, elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist.
2. Fehlerstrombegrenzer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung und die Rotorwicklung in Serie geschaltet sind.
3. Fehlerstrombegrenzer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das elektromotorische Bauteil eine Homopolarmaschine ist.

Images