DE2530910A1

DE2530910A1 - Schutzvorrichtung fuer einen reihenkondensator

Info

Publication number: DE2530910A1
Application number: DE19752530910
Authority: DE
Inventors: Yotsuo Ishida; Hiroshi Kuwahara
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1976-02-26
Also published as: DE2530910C3; DE2530910B2; SE410543B; JPS518543A; SE7507869L; CA1058281A; US4012667A; JPS5942536B2

Description

PATLNrANWAI TE

HENKEL, KERN, FEILER & HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

TELEX: 05 29 802 HNKL D F DI Γ Δ R D-SC H M T H-STR A SS F ^ WECHSELBANKMÜNCHENNr.318-85111

TFLEFON- (089) 66 3197 66 30 91 9- fcUUAKU OCHMiU MKAäbt ~ DRESDNER BANK MÜNCHEN 3 914

TtLEFON. (089) 663197, 66 30 91 9. D-8000 MÜNCHEN 90 POSTSCHECK: MÜNCHEN 162147 - m

TELEGRAMME₁ELLIPSOIDMuNCHEN ^ ινιυιχι,ω,ιι

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha und The Tokyo Electric Power Co., Inc.,

¹ ° ^k ¹ ° ' ^Japan 10. JuIi 1375

Schutzvorrichtung für einen Reihenkondensator

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Schutzvorrichtung zum Schütze eines Reihenkondensators vor einer Überspannung.

Bei den bekannten Schutzvorrichtungen für Reihenkondensatoren liegen alle Bauteile am selben Potential wie zugeordnete elektrische Netzsysterae, woraus sich der Nachteil ergibt, daß Wartungsarbeiten unmöglich durchzuführen sind. Außerdem ist dabei für jeden Reihenkondensator eine Überspannungsfühlereinheit vorgesehen. Das Auftreten einer elektrischen oder mechanischen Störung in einem der die Schut_vorrichtung bildenden Bauteile führt daher zu einer Zerstörung des zugeordneten Kondensators,

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine zweckmäßige und verbesserte Schutzvorrichtung für einen Reihenkondensator zu schaffen, die einen Stromwandler zur elektrischen Isolierung oder Trennung eines Massepotentialabschnitts von einem Hochpotentialabschnitt aufweist, wobei der Massepotentialabschnitt mit den eine Wartung erfordernden Bauteilen besetzt ist, während im Hochpotentialabschnitt nur eine Mindestzahl von Bauteilen mit hoher Zuverlässigkeit vorgesehen ist, so daß die Bauteile mit geringer Stromstoßbeständigkeit vor Zerstörung geschützt sind, während gleichzeitig ihre Wartung vereinfacht wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Schutzvorrichtung für einen Reihenkondensator erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie einen Reihenkondensator, ein über diesen geschaltetes elektrisches Ventil mit einer Triggerelektrode, einen ersten Stromwandler zum Feststellen bzw. Abgreifen eines Stromflusses über den Reihenkondensator, eine Überspannungsmaßschaltung, die auf ein eine vorbestimmte Größe übersteigendes Ausgangssignal vom ersten Stromwandler anspricht und ein Signal abgibt, und einen zweiten Stromwandler aufweist, dessen Sekundär(wicklungs)seite mit der Triggerelektrode des elektrischen Ventils verbunden ist, und daß der zweite Stromwandler in Abhängigkeit von einem Signal von der Überspannungsmeßschaltung erregbar ist und einen die Überspannungsmeßschaltung einschließenden Abschnitt niedrigen Potentials elektrisch von einem den Reihenkondensator und das elektrische Ventil enthaltenden Hochpotentialabschnitt isoliert.

Ein spezielles Merkmal der Erfindung besteht dabei darin, daß das elektrische Ventil aus einer elektrischen Funkenstreckeneinrichtung besteht und daß der normalerweise offene Schutzschalter über die elektrische Funkenstreckeneinrichtung geschaltet und eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Entladen der Funkenstreckeneinrichtung schließbar ist.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bisher verwendeten Schutzvorrichtung für einen Reihenkondensator und

Fig. 2 ein kombiniertes Schaltbild und Blockschaltbild einer Schutzvorrichtung für Reihenkondensatoren mit Merkmalen nach der Erfindung,

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Die in Fig. 1 dargestellte bekannte Anordnung weist einen in eine Leitung eines elektrischen Kraftstrom- oder Netzsystems eingeschalteten, geschützten Kondensator 10 sowie ein elektrisches Ventil auf, das als Ignitron 12 dargestellt und über einen Stabilisierwiderstand 14 an den geschützten Kondensator 10 geschaltet ist. Der Widerstand 14 ist am einen Ende an die Anode des Ignitrons 12 und am anderen Ende an die eine Seite, d.h. gemäß Fig. 1 an die Oberseite des Kondensators 10 angeschlossen. Die aus einer Quecksilberlache bestehende Kathode des Ignitrons 12 ist mit der anderen bzw. unteren Seite des Kondensators 10 verbunden, und ein Stromwandler 16 ist nahe der Unterseite des Kondensators 10 elektrisch an die Netzleitung angekoppelt, um einen durch den geschützten Kondensator 10 fließenden Strom abzugreifen. Über den Stromwandler 16, dessen Sekundär(wicklungs)seite am einen Ende mit einer zur Kathode des Ignitrons 12 führenden elektrischen Leitung verbunden ist, ist eine Reihenkombination aus einem Kondensator 18 und einem Widerstand 20 geschaltet, welche eine Sekundärlast für den Stromwandler bildet. Der Kondensator 18 ist mit dem Ignitron 12 an dessen Anlaß-Zündstift über eine sättigbare Drossel 22 und eine Halbleiterdiode 24 zum Sperren eines Gegenstroms verbunden.

Alle vorstehend beschriebenen, gemäß Fig. 1 rechts vom geschützten Kondensator 10 angeordneten Teile bilden einen Schutzabschnitt für die vorwärts gerichtete Polarität der Netzspannung.

In Fig. 1 sind außerdem den vorstehend beschriebenen Teilen entsprechende, auf ähnliche Weise an der linken Seite des Kondensators 10 angeschlossene Teile dargestellt, die einen Schutzabschnitt für die rückwärts gerichtete Polarität der Netzspannung bilden. Diese Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern wie die Teile des ersten Schutzabschnitts, jedoch mit einem angehängten Indexstrich bezeichnet.

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Bei einem auf eine Störung im Netz zurückzuführenden Stromfluß über den Kondensator 10 steigt die an ihm anliegende Spannung auf einen anomalen Wert an. Dieser Spannungsanstieg verursacht einen Anstieg des Sekundärstromflusses im Stromwandler 16 und erzeugt somit eine Spannung über die Reihenkombination aus dem Kondensator 18 und dem Widerstand 20.

Wenn die Spannung an der Reihenkombination aus dem Kondensator 18 und dem Widerstand 20 beispielsweise in bezug auf die zugeordnete Diode 24 eine vorwärts gerichtete Polarität besitzt, wird die volle Spannung über diese Reihenkombination an die sättigbare Drossel 22 angelegt. Wenn das Spannung-Zeit-Produkt dieser vollen Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt, d.h. wenn der Kondensator einen Höchstwert der angelegten Spannung erreicht, wird die Drossel 22 gesättigt. Hierdurch erreicht ein Sekundärstrom des Stromwandlers eine ausreichende Größe, um das Ignitron 12 zu zünden, so daß der Strom über die Diode 24 zum Zündstift des Ignitrons 12 fließt. Infolgedessen wird das Ignitron 12 gezündet, so daß sich die Ladung des geschützten Kondensators 10 über den stabilisierenden Widerstand 14 entlädt, während gleichzeitig der Störungsstrom im Netz vom Kondensator 10 abgeleitet wird, wodurch letzterer vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt wird,

Wenn die Spannung über die Reihenkombination aus dem Kondensator 18 und dem Widerstand 20 in bezug auf die zugeordnete Diode 24 die rückwärts gerichtete Polarität besitzt, werden die in Fig. 1 an der linken Seite des geschützten Kondensators 10 vorgesehenen Teile auf ähnliche Weise betätigt, so daß der Kondensator 10 vor der Überspannung geschützt wird.

Die bisher angewandten Schutzvorrichtungen für Reihenkondensatoren der Art gemäß Fig. 1 sind in folgender Beziehung nachteilig:

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1. Da alle die Schutzvorrichtung bildenden Bauteile, z.B. die Teile 12 bis 24 gemäß Fig. 1, an einem dem Potential des zugeordneten elektrischen Netzes entsprechenden hohen Potential liegen, ist die Durchführung von Wartungsarbeiten unmöglich. Dies stellt einen ernstlichen Nachteil bei elektrischen Kraftstrom- oder Netzsystemen dar, die eine hohe Zuverlässigkeit besitzen müssen.

Insbesondere wegen der Verwendung von Festkörper-Schaltungselementen, wie der Halbleiterelemente, im Hochpotentialteil der Schutzvorrichtung ist es sehr schwierig, diese Elemente vor einem Durchschlag zu schützen, weil die Spannungs- und Stromstoßbeständigkeit dieser Elemente niedrig ist.

2. Da für jeden zu schützenden Kondensator eine Einrichtung zum Messen oder Abgreifen (sensing) einer Überspannung vorgesehen sein muß, führt ein elektrischer oder mechanischer Fehler in einem dieser Elemente, welche die Überspannungsfühlereinrichtung bilden, zur Zerstörung des zugeordneten Reihenkondensators.

Die Erfindung bezweckt nun die Ausschaltung der den bisher verwendeten Schutzvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art anhaftenden Nachteile durch Schaffung einer Schutzvorrichtung für Reihenkondensatoren, die stabil im Betrieb ist und eine hohe Zuverlässigkeit besitzt.

In Fig. 2 ist eine verbesserte, erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für Reihenkondensatoren dargestellt.

Wenn das elektrische Netzsystem, in welchem der Reihenkondensator angeordnet werden soll, eine hohe Leistung besitzt, ist es üblich, den Reihenkondensator durch eine Anzahl von Kondensatoreinheiten zu bilden, die in Reihenparallelschaltung

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miteinander verbunden sind. Somit besitzt eine elektrische Versorgungsstation, in welcher ein Reihenkondensator angeordnet werden soll, eine vorgegebene Zahl von (Kondensator-)Gruppen, in welche die erforderliche Zahl von Kondensatoreinheiten unterteilt ist, sowie je eine Schutzvorrichtung für jede Gruppe der Kondensatoreinheiten.

In Fig. 2 sind N Gruppen von geschützten Kondensatoren 1OA bis 10N in Reihe miteinander geschaltet und betrieblich an die jeweils zugeordneten Schutzvorrichtungen angeschlossen, die jeweils den gleichen Aufbau besitzen. Die an die Bezugsziffern angehängten Buchstaben A bis N dienen zur Kennzeichnung der einzelnen Gruppen der geschützten Kondensatoren. Beispielsweise bezeichnen die mit dem angehängten Buchstaben A versehenen Bezugsziffern die betrieblich mit der Kondensatorgruppe 10A verbundenen Bauteile, Wie erwähnt, besitzen die einzelnen Schutzvorrichtungen für die Kondensatorgruppen 1OA ... 10N jeweils denselben Aufbau, weshalb im folgenden nur eine Schutzvorrichtung für die Kondensatorgruppe 10A ohne Benutzung des angehängten Buchstaben A, soweit es für die Beschreibung entbehrlich ist, näher erläutert ist.

Gemäß Fig. 2 ist ein Stromwandler 16A betrieblich mit einer elektrischen Leitung verbunden, auf welcher N Kondensatorgruppen 10A ... 10N in Reihe geschaltet sind. Der zum Abgreifen des Kondensatorstroms dienende Stromwandler ist mit seiner Sekundärwicklung über eine Reihenkombination aus einem Widerstand 20 und einem Kondensator 18 geschaltet, die eine Sekundärlast für den Stromwandler 16 bilden. Tatsächlich sind der Widerstand 20 und der Kondensator 18 in Fig. 2 als mittels einer einzigen Leitung an die Sekundärwicklung des Stromwandlers 16 angeschlossen dargestellt. Ein elektrisches Ventil mit einer Triggerelektrode, z.B. einer Entladungs- oder Funkenstrecke, und eine Drossel 30 sind in Reihe über die Reihenkondensatorgruppe 10 geschaltet.

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Weiterhin ist über das elektrische Ventil ein normalerweise offener Stromkreisunterbrecher bzw. Schutzschalter 31 geschaltet. Ein Triggerstromwandler 32 weist eine Sekundärwicklung, die über die Triggerelektrode und eine der Hauptelektroden des elektrischen Ventils 12 geschaltet ist, sowie eine Primärwicklung auf, die eine über eine Stromentladungsschaltung 34 geschaltete elektrische Leitung bildet. Die Schaltung 34 ist dabei an eine Schließspule 36 des Schutzschalters 30 angeschlossen. Die Verzweigung zwischen dem Widerstand 20 und dem Kondensator 18 ist an einen Überspannungsmeß- oder -fühlkreis 38 angeschlossen, der seinerseits mit einer einzigen zentralen Steuervorrichtung 40 verbunden ist, die wiederum an alle Stromentladungsschaltungen 34A ... 34N angeschlossen ist.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben. Zunächst sei das Abgreifen (sensing) einer Überspannung am Kondensator betrachtet. Dieser Vorgang ist insofern vorteilhaft, als dabei eine Spannung mit hoher Genauigkeit gemessen bzw. bestimmt und die Wartung des Spannungsmeßteils in einfacher Weise ermöglicht werden kann, weil dieser Spannungsmeßteil an Massepotential liegt, während er über den Stromwandler 32 vollständig gegenüber dem höheren Potential isoliert ist. Da zudem jede Kondensatorgruppe entsprechend einer von der zentralen Steuervorrichtung 40 gelieferten Information bezüglich einer Überspannung oder Überspannungen an einer oder mehreren Kondensatorgruppen geschützt werden kann, ist die Überspannungsmeßschaltung für jede Kondensatorgruppe höchst störungs- oder ausfallsicher, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung weiter erhöht wird.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 sei angenommen, daß der Kondensator 10 eine Kapazität C₁ und einen Stromfluß I_p besitzt, wobei eine Spannung V_cp an ihm anliegt. Der Stromwandler 16

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besitzt beispielsweise ein Wicklungsverhältnis von K und einen Sekundäretromfluß i über seine Sekundärwicklung, während der Last-Widerstand 18 eine Kapazität Cg₁ besitzt und an einer Spannung V_cs liegt. Unter den angenommenen Bedingungen lassen sich V^p und Vqq wie folgt ausdrücken:

[ Ipdt (1)

Da hierbei gilt I_p = Ki₅, kann Gleichung (1) abgeleitet werden zu

Γ ^KC

^Vct) ⁼ "C" ^{K 1}S ^dt - "TT* ^Vcs <^{in V) (3)}

Cp O_-I J S Uj CS

Aus Gleichung (3) ist ersichtlich, daß die Spannung V_cp am Kondensator 10 ohne weiteres durch Messen der Spannung V_cs am Lastkondensator 18 gemessen werden kann.

Unter diesen Bedingungen kann die Spannung V_csam Kondensator 18 durch die Uberspannungsmeßschaltung 38 mit einer vorbestimmten Bezugsspannung V - verglichen werden. Wenn die Spannung Vq^ nach Bestimmung durch die Meßschaltung 38 höher ist als die Spannung V-, liefert diese Schaltung augenblicklich einen Impuls mit einer vorbestimmten festen Dauer zur zentralen Steuervorrichtung 40.

Der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt sich bei ^eder Uberspannungsmeßschaltung der Gruppen A ... N. Die zentrale Steuervorrichtung 40 führt bezüglich der ihr von den einzelnen Meßschaltungen 38A ... 38N gelieferten Impulse eine ODER-

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Operation durch und liefert dann ein Ausgangssignal zu allen Stromentladungsschaltungen 34A ... 34N. Letztere sprechen somit auf das Ausgangssignal von der zentralen Steuervorrichtung 40 an.

Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß die Feststellung bzw. das Abgreifen einer Überspannung an einer der Kondensatorgruppen die Übertragung eines Befehlssignals für den Schutz des Kondensators zu allen Stromentladungsschaltungen 34A ... 34N zur Folge hat. Mit anderen Worten: Jede der zu schützenden Kondensatorgruppen wird durch ~lle N Überspannungsmeßschaltungen geschützt und überwacht.

Bei Empfang des Schutz-Befehlssignals für den Kondensator von der zentralen Steuervorrichtung 40 liefert jede Schaltung 34A ... 34N einen hohen Strom hoher Frequenz zum Primär(wicklungs)kreis des zugeordneten Triggerstromwandlers 32. Da der Stromwandler 32 auf beschriebene Weise mit seinem Sekundärkreis an die Triggerelektrode des elektrischen Ventils 12 angeschlossen ist und eine normalerweise unendlich hohe Impedanz besitzt, dient der gesamte, dem Primärkreis des Stromwandlers 32 zugeführte Hochfrequenzstrom als Erregerstrom für den Stromwandler 32, wodurch über dessen Sekundär(wicklungs)kreis eine sehr hohe Spannung induziert wird, deren Größe normalerweise bei einem Mehrfachen von 10 kV liegt.

Diese hohe Spannung wird an die Triggerelektrode des elektrischen Ventils 12 angelegt, um eine elektrische Entladung über deren beide Hauptelektroden, über die die zugeordneten Kondensatorgruppen 10 geschaltet sind, auszulösen. Diese Entladung über das elektrische Ventil 12 führt zu einer Entladung der elektrischen Ladung an der Kondensatorgruppe 10 über das Ventil 12 sowie über die Drossel 30, wobei der Entladungsstrom durch die Drossel 30 begrenzt wird. Gleichzeitig wird der be-

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- ίο -

treffende Störungsstrom von der Kondensatorgruppe 10 abgeleitet, wodurch ein Schutz dieser Kondensatorgruppe 10 vor Zerstörung durch die Überspannung gewährleistet wird.

Gleichzeitig mit der Stromzufuhr zum Primär(wicklungs)kreis des Triggerstromwandlers 32 erregt die Entladungsschaltung die Schließspule 36 des Schutzschalters 30. Letzterer wird hierdurch innerhalb einiger Zehntel Millisekunden nach der Entladung über das Ventil 12 geschlossen.

Das elektrische Ventil 12 wird mithin durch den nunmehr geschlossenen Schutzschalter 30 umgangen bzw. überbrückt, so daß der Schutzschalter den Störungsstromfluß aufnimmt.

Nach Beendigung des Störungszustands kehrt der Schutzschalter wieder in seine Offenstellung zurück, so daß die Anordnung gemäß Fig. 2 wieder in den Bereitschafts zustand für eine evtl. folgende Störung versetzt wird.

Mit der Erfindung werden verschiedene Vorteile geboten. Da beispielsweise alle Steuerfunktionen durchgeführt werden, wobei die Schutzvorrichtung durch den Triggerstromwandler 32 elektrisch vom Hochpotentialteil isoliert auf Massepotential liegt, sind Inspektions- und Wartungsarbeiten am Massepotentialteil möglich, woraus sich eine hohe Zuverlässigkeit der Vorrichtung ergibt. Infolge des Vorhandenseins der an Massepotential liegenden Steuereinheit kann eine hochleistungsfähige Steuerschaltung verwendet werden, wodurch ein stabiler Schutz bei hoher Genauigkeit gewährleistet wird. Zudem ist dabei kaum Wartung erforderlich, weil der Hochpotentialteil aus stabilen, bereits erprobten Bauteilen aufgebaut ist.

Obgleich vorstehend nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung offenbart ist, sind dem Fachmann selbstverständlich

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verschiedene Änderungen -und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Schutzvorrichtung für Reihenkondensatoren geschaffen, bei welcher eine Überspannung an jedem einer Reihe von N Kondensatoren durch einen getrennten Überspannungsfühler über einen zugeordneten Stromwandler festgestellt bzw. abgegriffen und an eine zentrale Steuervorrichtung angelegt wird. Jeder Kondensator ist über ein elektrisches Ventil mit einer Triggerelektrode sowie über einen normalerweise offenen Schutzschalter geschaltet. Ein weiterer Stromwandler weist eine an die Triggerelektrode des Ventils angeschlossene Sekundärwicklung und eine über eine Entladungsvorrichtung, die durch die zentrale Steuervorrichtung gesteuert wird, geschaltete Primärwicklung auf. Bei einer an einem der Kondensatoren entstehenden Überspannung entlädt die Entladungsschaltung das elektrische Ventil, um dann den Schutzschalter zu schließen.

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Claims

Patentansprüche

daß sie einen Reihenkondensator (10), ein über diesen geschaltetes elektrisches Ventil (12) mit einer Triggerelektrode, einen ersten Stromwandler (16) zum Feststellen bzw. Abgreifen eines Stromflusses über den Reihenkondensator, eine Überspannungsmeßschaltung (38), die auf ein eine vorbestimmte Größe übersteigendes Ausgangssignal vom ersten Stromwandler anspricht und ein Signal abgibt, und einen zweiten Stromwandler (32) aufweist, dessen Sekundär(wicklungs)seite mit der Triggerelektrode des elektrischen Ventils (12) verbunden ist, und daß der zweite Stromwandler in Abhängigkeit von einem Signal von der Überspannungsmeßschaltung erregbar ist und einen die Überspannungsmeßschaltung einschließenden Abschnitt niedrigen Potentials elektrisch von einem den Reihenkondensator und das elektrische Ventil enthaltenden Hochpotentialabschnitt isoliert.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Ventil aus einer elektrischen Funkenstrekkeneinrichtung besteht und daß der normalerweise offene Schutzschalter über die elektrische Funkenstreckeneinrichtung geschaltet und eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem-Entladen der Funkenstreckeneinrichtung schließbar ist.

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