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Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung ihr i4ochspannungsnetze
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungsmittel zum Koppeln zweier Teile
eines hochspannungs-l-iechselstromnetzwerks derart, daß derBluß von Strom vom einen
Teil zum anderen Teil unter ungewöhnlichen Betriebsbedingungen, z.b. bei einem Kurzschluß
in dem zweiten Teil, begrenzt wird.
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Die Schaltunbsmittel werden im folgenden als "Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung"
bezeichnet.
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Die Bauart von solchen Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltungen,
mit denen sich die Erfindung befaßt, umfaßt eine aeihenschaltung aus einer Induktivität
undeiner Kapazität, deren elektrische inerte so.gewählt sind, daß die Schaltung
bei der normalen Frequenz des Netzes von z.B. 50 oder 60 hz praktisch eine Reihenresonanz
aufweist, wobei außerdem Schaltungsmittel vorgesehen sind, um die erwähnte Reihenschaltung
beim Auf'treten von Überstrombedingungen praktisch zu verstimmen. Somit weist die
Kopplungsschaltung bei normalen Betriebsbedingungen des Netzes einen vernachlässigbar
kleinen oder sich in zulässigen Grenzen haltenden Widerstand auf, doch vergrößert
sich dieser Widerstand beim Auftreten ungewöhnlicher Betriebsbedingungen, bei denen
der durch die Kopplungsschaltung
fließende Strom die normale Stromstärke
überschreitet, um so die tatsächliche Stromstärke zu begrenzen.
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Es ist z ß. aus dem britischen Patent 1 108 609 bekannt, eine Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung
dieser Art vorzusehen, bei denen die Verstimmungsmittel eine mit mindestens einem
Teil der erwähnten Kapazität parallelgeschaltete sättigungsfähige Drossel umfassen.
Diese Sättigungsfähige Drossel ist so Konstruiert, daß sie bei normalen Betriebsbedingungen
des netzes ungesättigt bleibt und nur einen sehr schwachen Strom durch diesen Überbrückungszweig
#er Kopplungsschaltung fließen läßt, daß sie jedoch bei Überstrombedingungen in
einen Sättigungszustand gebracht wird, in dem sie einen Strom von erheblicher Stärkedurch
diesen Überbrückungszweig fließen läßt. Beim Auftreten von Überstrombedingungen
wird somit der effektive Wert der kapazität und des zugehörigen Überbrückungsstromkreises
geändert, und infolgeaessen wird die durch die Induktivität und die Kapazität gebildete
Reihenschaltung verstimmt, so daß sich ihr widerstand bei der Frequenz des Hochspannungsnetzes
vergrößert.
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Ferner ist es z.B. aus den britischen Patenten 1 108 608 und 1 146
676 bekannt, in dn Überbrückungszweig einen Widerstand einzuschalten, der die doppelte
rufgabe zu erfüllen hat, sich schnell abspielende Xeränderungen in der Schaltung
zu dämpfen und dazu beizutragen, daß die sättigungsfähige Drossel nach der Beseitigung
der Überstrombedingungen innerhalb einer kurzen Zeit wieder in ihren ungesättigten
Zustand zurückgeführt wird. ijer Widerstand oder ein Teil dieses Widerstandes kann
seinerseits durch eine sättigungsfähige Drossel oder ein Aufnahmefilter überbrückt
sein, z.B. einen in Reihenresonanz befindlichen Schaltkreis, der auf die Netzfrequenz
abgestimmt ist.
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Gemäß einem merkmal der Erfindung wird nunmehr eine Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung
vorgesehen, die
erste Kapazitätsmittel und erste Induktivitätsmittel
umfaßt, welche zusammen einen Schaltkreis bilden, der sich bei der Frequenz des
dem Netz zugeführten Stroms in Xeihenresonanz befindet, sowie bohaltungsmittel,
die mindestens einen Teil der hapazitätsmittel überbrücken und dazu dienen, den
in .eihenresonanz befindlichen Schaltkreis beim Auftreten von Oberstrombedingungen
zu verstommen; hierbei umfassen diese Schaltungsmittel zwei parallele Zweige, wobei
der erste Zweig praktisch erste sättigungsfähige Drosselmittel, erste Widerstandsmittel
zum Dämpfen der ersten Drosselmittel sowie zweite sättigungsfähige Drosselmittel
zum Regeln der Wirsamkeit der ersten Widerstandsmittel umfaßt, während der zweite
Zweig praktisch Sperrfiltermittel umfaßt, die mit zweiten Viiderstandsmitteln in
Reihe geschaltet sind.
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enn die zweiten sättigungsfähigen Drosselmittel so ausgebildet werden,
daß sie bei etwas höheren Stromstärkewerten in den ungesättigten Zustand übergehen
als die ersten sättigungsfähigen Drosselmittel, dienen die ersten Widerstandsmittel
dazu, einen Beitrag dazu zu leisten, daß sich die ersten sättigungsfähigen Drosselmittel
wieder erholen. Wenn das Sperrfilter auf die erwähnte frequenz abgestimmt ist, dienen
die zweiten Widerstandsmittel dazu, die in den Schaltungsmitteln erscheinenden harmonischen
und subharmonischen Schwingungen zu dämpfen. mine solche Dämpfung der subharmonischen
Schwingungen ist von größter bedeutung, da bei an das Netz angeschlossenen rotierenden
elektrischen Maschinen anderenfalls die gefahr besteht, daß sie ständig selbst subharmonische
Schwingungen erzeugen.
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Die Trennung der beiden Dämpfungsfunktionen durch die beschriebene
Anwendung einer Dämpfung durch Drosselmittel und einer Dämpfung durch Kapazitätsmittel
bietet die Möglichkeit, die Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung mit geringeren
Kosten und/oder auf technisch vorteilhaftere Weise, insbesondere bezüglich ihrer
Utabilität, auszubilden. Gemäß
der Erfindung können jedoch manche
Schaltungselemente der beiden wirksamen Zweige miteinander kombiniert werden, wobei
sich jeweils bestimmte Vorteile ergeben0 Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten
der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 bis 10 zeigen in schematischen Schaltbildern verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung.
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Jede der Figuren 1 bis 10 zeigt die Schaltung einer erfindungsgemäßen
Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung, die zwischen zwei Klemmen 1 und 2 eine
Bauptinduktivität 3 mit dem Blindwiderstand X1 und eine Hauptkapazität 4 mit dem
kapazitiven Blindwiderstand Xc umfaßt; diese beiden Schaltungselemente bilden einen
in Reihenresonanz stehenden Stromkreis, der auf die normale Frequenz von z.B. 50
oder 60 IIz des Hochspannungsnetzes abgestimmt ist, bei dem die Kopplungsschaltung
dazu dient, zwei Teile des Netzes miteinander zu verbinden; die Kapazität 4 kann
natürlich auch durch mehrere Kondensatoren ersetzt sein. Miteinem Teil der kapazität
4 oder, wie in Fig. 1 bis 10 dargestellt, vorzugsweise mit der gesamten Eapazität
4 ist ein Überbrückungskreis B parallelgeschaltet, für den dieFiguren jeweils verschiedene
Ausführungsformen zeigen.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Eurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung
umfaßt der Überbrückungskreis B zwei parallele Zweige BI und B2. Der Zweig B1 umfaßt
eine erste sättigungsfähige Drossel 5 mit dem Blindwiderstand X2u im ungesättigten
Zustand, die in Reihe mit einem ersten Widerstand 6 mit dem ohmschen Widerstand
R3 geschaltet ist, welcher durch eine zweite sättigungsfähige Drossel 7 überbrückt
ist, die im ungesättigten Zustand den Blindwiderstand X4u aufweist. ber Zweig B?
umfaßt einen zweiten Widerstand 8 mit dem ohmschen Widerstandswert Rd, der in Reihe
mit einem Sperrfilter
geschaltet ist, das seinerseits als resonanzfähige
Parallelschaltungausgebildet ist und eine Induktivität 9 mit dem Llindwiderstand
Xld und eine kapazität 10 mit dem kapazitiven Blindwiderstand Xcd umfaßt.
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Die Werte von Xld und Xcd sind so gewählt, daß das Filter F auf die
normale frequenz des netzes abgestimmt ist.
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Daher übt der Zweig B2 unter normalen bedingungen nur eine vernachlässigbar
geringe Wirkungauf die Arbeitsweise der Kopplungsschaltungaus. Jedoch setzt das
Filter F sich schnell ab spielenden Veränderungen in dem Stromkreis einen geringen
Widerstand entgegen, so daß es den zweiten Widerstand 8 zur Wirkungbringt, um die
sich schnell abspielenden Übergangsvorgänge zu dämpfen, die sich an dem lIsuptkondensator
4 bemerkbar machen, und zwar einschließlich derjenigen Vorgänge, die auf den ersten
Zweig B1 zurückzuführen sind. Der Wert von Rd ist so gewählt, daß eine solche kapazitive
Dämpfung auf optimale Weise erzielt wird.
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Die erste sättigungsfähige Drossel 5 ist so ausgebildet, daß ihr
blindwiderstand X2u bei normalen Betriebsbedingungen des Netzes nur einen sehr schwachen
Strom durch den Zweig B1 fließen läßt, sowie derart daß die Drossel in den Sättigungszustand
übergeht, wenn die Stärke des durch die Kopplungsschaltung fließenden Stroms ebenso
wie die an der Hauptkapazität 4 erscheinende Spannung einen vorbestimmten wert überschreitet.
Somit kommt die Drossel 5 als magnetischer Schalter zur Wirkung. Die zweite sättigungsfähige
Drossel 7 ist so ausgebildet, daß sie im Vergleich zu der ersten Drossel 5 gesättigt
wird, wenn ein etwas stärkerer Strom durch die Kopplungsschaltung fließt, jedoch
außerdem derart, daß sie bei der Verringerung der Stärke des durch den Zweig 31
fließenden Strom während der Erholung des netzes bei einer etwas höheren Stromstärke
in den ungesättigten Zustand übergeht als die erste Drossel. Der Widerstand 6 wird
zur Wirkung gebracht, um zur erholung der ersten sättigungsfähigen Drossel 5
beizutragen.
Der Wert von li3 ist so gewählt, daß-diese Dämpfungswirkung durch die Drosseln auf
optimale Weise erzielt wird.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Kurzschlußbegrenzungsopplungsschaltung
ist die Anordnung nach Fig. 1 insofern abgeändert, als der Drosseldämpfungswiderstand
6 durch einen Widerstand 20 mit einem ohmschen widerstandswert R3d ersetzt ist,
der geeignet ist, beide Dämpfungswirkungen auszuüben.
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Somit ist der gesonderte Dämpfungswiderstand 8 fortgelassen, und das
Sperrfilter F überbrückt die erste sättigungsfähige Drossel 5. Da die optimalen
Werte von Rd und R3 bei der Schaltung nach Fig. 1 verschieden sind, wobei Rd gewöhnlich
größer ist als R3, sind bei der Schaltung nach Fig. 2 die Werte von Xld und Xcd
niedriger, um eine ähnliche Wirkung bezüglich der subharmonischen Schwingungen zu
erzielen. Bei einem solchen kleineren Wert von Xcd muß die Filterkapazität 10 durch
eine größere Zahl von parallelgeschalteten einzelnen Kondensatoren ersetzt werden,
doch wird dieser Nachteil dadurch ausgeglichen, daß der gesonderte Widerstand 8
eingespart werden kann. Ferner ist es jetzt möglich, das ganze filter F oder einen
Teil dieses Filters aus Gründen der Zweckmäßigkeit und irtschaftlichkeit in dem
behälter anzuordnen, der die erste sättigungsfähige Drossel 5 in einem Ölbad enthält.
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Zwar sind bei der Schaltung nach Fig. 2 die beiden Widerstände zu
einem einzigen Widerstand vereinigt, doch ist zu bemerken, daß man den Überbrückungskreis
13 bezüglich seiner Wirkungsweise im noch so betrachten kann, als ob er zwei parallele
Zweige umfaßte, wobei der Zweig B1 die erste Drossel 5 umfaßt, die mit dem Widerstand
20 in Reihe geschaltet ist,-welcher durch die zweite Drossel 7 überbrückt ist, und'wobei
der Zweig B2 das mit dem Widerstand 20 in Reihe geschaltete Filter F umfaßt.
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Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist die Anordnung nach Fig.
1 insofern abgeändert, als die zweite sättigungsfähige
Drossel
7 mit einer sekundären Wicklung30 versehen und der Drosseldämpfungswiderstand 6
mit dieser Wicklung parallelgeschaltet ist0 Jedoch ist dieser Widerstand praktisch
immer noch in Reihe mit der ersten sättigungsfähigen Drossel 5 geschaltet und durch
die zweite Drossel 7 überbrückt, Bei dieser Schaltung kann der Pegel, der an dem
widerstand erscheinenden Spannung so gewählt sein, daß es möglich ist, einen iderstand
zu verwenden, dessen ohmscher Widerstandswert niedriger ist, als es erforderlich
sein würde, wenn der Widerstand direktangeschlossen wäre; somit ist es bei der Schaltung
nach Fig. 3 z.B. möglich, einen Widerstand aus Stahl anstelle eines weniger zuverlässigen
Widerstandes aus Kohlenstoff zu verwenden. Ferner erweist sich die Verwendung einer
Niederspannungswicklung, deren eines bunde, wie in Fig. 3 gezeigt, geerdet ist,
bei Kopplungsschaltungen für höhere lietzspannungen von z.B. 132 kV oder 275 kV
als besonders zweckmäßig.
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D'ig. 4 zeigt eine Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung, bei
der die Anordnung nach Fig. 1 die beiden in lig. 2 und 3 dargestellten Abänderung
aufweist; mit anderen Worten, ein gemeinsamer Dämpfungswiderstand 20 mit dem ohmschen
Widerstandswert R3d überbrückt eine sekundäre Wicklung 30 der zweiten sättigungsfähigen
Drossel, und das Filter F überbrückt die erste sättigungsfähige Drossel 5. Wie in
Fig. 4 bei 40 und 42 durch gestrichelte Linien angedeutet, kann das Filter F physikalisch
mit dem Widerstand 20 in Reihe geschaltet sein, wobei die mit den Vollinien-41 und
44 wiedergegebenen Verbindungen fortgelassen sind; wie durch die gestrichelte Linie
42 angedeutet, wird dann der Widerstand 20, der direkt als Kondensatordämpfungswiderstand
mit dem Widerstandswert Rd zur Wirkung kommt, "reflektiert", um als Drosseldämpfungswiderstand
mit dem Widerstandswert l) zu wirken. Bei dieser slternativen Anordnung ist es möglich,
Schaltungselemente zu verwenden, welche die gleichen elektrischen Werte d, Xcd und
Rd aufweisen wie die Schaltungselemente der Anordnung nach @@@@ 1. Bei einer weiteren
alternativen Anordnung wi
die Verbindungen 40 und 44 vorhanden sein,
während die Verbindungen 41 und 43 entfallen; hierbei müßte man andere Werte für
Xld und Xcd wählen.
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Weitere Abänderungen der Schaltung nach liligo 4 sind in Fig. 4A
und 4B dargestellt. Bei der Anordnung nach Fig. 4A überbrückt der gemeinsame Dämpfungswiderstand20
diePrimärwicklung der zweiten Drossel 7, während die Sekundärwicklung 30 mit dem
Filter F in Reihe geschaltet ist. Bei der in Fig. 4B gezeigten Schaltung ist die
zweite Drossel 7 mit einer dritten Wicklung 45 versehen die mit dem Filter F in
Reihe geschaltet ist.
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Fig. 5 zeigt eine Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltung, bei der
die Anordnung nach Fig. 4 so abgeändert ist, daß das Filter F eine Sekundärwicklung
50 der Hauptdrossel 5 überbrückt. Da sich die durch diese Wicklung erzeugte Spannung
auf geeignete Wise wählen läßt und man ein Ende der Wicklung in der dargestellten
Weise erden kann, ist es leichter, eine wirtschaftliche Konstruktion für das Filter
vorzusehen.
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Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Kopplungsschaltung die derjenigen
nach i<ig. 5 ähnelt, abgesehen davon, daß nur die- Filterdrossel 9 die Sekundärwicklung
50 überbrückt, während die Filterkapazität 10 die Primärwicklung5 der Hauptdrossel
überbrückt. Die Filterkapazität kann daher durch von densatoren gebildet werden,
die von der gleichen Konstruktion sind wie die Hauptgruppe von eondensatoren, welche
die hauptkapazität 4 bildet.
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Die in Fig. 7 bis 10 gezeigten Kopplungsschaltungen weisen ein gemeinsames
Merkmal auf, durch das sie sich von den Schaltungen nach E'ig. 1 bis 6 unterscheiden;
dieses Merkmal besteht darin, daß die Überbrückungsschaltung B einen äquivalenten
Zweig B1h umfaßt. Die zweite sättigungsfähige Drossel 7 überbrückt sowohl die erste
sättigungsfähige Drossel 5 als
auch den mit letzterer in Reihe
geschalteten vviderstand 60 Hierbei wird jedoch die gleiche Wirkung erzielt, wie
wenn die Drossel 7 nur den Widerstand 6 überbrücken würde. Natürlich wird es jetzt
wichtig, dafür zu sorgen, daß sich die zweite Drossel 7 im Vergleich zu der ersten
Drossel 5 bei einem höheren inert der Stromstärke des durch die kopplungsschaltung
fließenden Stroms sättigt, und daß sie im Vergleich zu der ersten Drossel auch bei
einer höheren Stromstärke wieder in den ungesättigten Zustand zurückgeführt wird.
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Be-i den in Fig. 7 und 8 gezeigten Kopplungsschaltungen umfaßt die
zweite Drossel 7 nur eine Wicklung. mei den Schaltungen nach Fig. 9 und 10 umfaßt
die zweite Drossel 7 eine Sekundärwicklung 90, die zu der Reihenschaltung parallele
schaltet ist, welche durch die erste Drossel 5 und den Widerstand 6 gebildet ist;
mit anderen Worten, die zweite Drossel wird durch einen sättigungsfähigen Transformator
gebildet, der mit der gleichen "Eniespannung" arbeitet wie die Drossel 7-bei den
Schaltungen nach i'igo 7 und 8. Diese Anordnungen sind funktionell oder wirkungsmäßig
gleichwertig, doch ermöglicht es die Verwendung der Sekundärwicklung 90, die an
ihr erscheinende Spannung so zu wählen, daß es leichter ist, eine wirtschaftliche
Konstruktion für die mit ihr verbundenen Schaltungselementevorzusehen; wenn ein
runde der Sekundärwicklung 90 geerdet ist, eigent sich die Kopplungsschaltung nach
Fig. 10 insbesondere für Hochspannungsnetze, die z.B. mit Spannungen von 132 KV
oder 275 kV oder mit noch höheren Spannungen arbeiten.
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Jed der in Fig. 7 bis 10 gezeigten Kurzschlußbegrenzungs-Kopplungsschaltungen
umfaßt mindestens der Wirkung nach ebenso wie die Schaltungen nach Fig. 1 bis 6
einen NOndensatordämpfungszweig, der sich aus einem Sperrfilter F und einem damit
in Reihe geschalteten Widerstand zusammensetzt. Bei den Schaltungen nach Fig. 7
und 9 ist dieser Widerstand 8 mit dem ohmschen Widerstandswert Rd von dem Drosseldämpfungswiaerstand
6
mit dem ohmschen Widerstandswert S3 getrennt.
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Bei den in Fig. 8 und 10 gezeigten Schaltungen ist wie in Fig. 2 ein
gemeinsamer Widerstand 20 mit dem ohmschen Widerstandswert R3d vorgesehen, und die
Werte von lid und Xcd unterscheiden sich von den für die Schaltung nach Fig. 7 geltenden
Werten; der gleiche Unterschied ist zwischen den Schaltungen nach Fig 2 und Fig.
1 vorhanden.
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Abschließend sei bemerkt, daß sich verschiedene weitere Möglichkeiten
ergeben, noch andere Kombinationen auf der Basis der dargestellten Grundgedanken
zu schaffen.
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