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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verteilen von
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Strom mindestens zweier Generatoren, deren Kurzschlußstrom vermindert
werden muß.
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Derartige Verfahren müssen insbesondere bei räumlich begrenzten Niederspannungsanlagen,
insbesondere bei an Bord von Schiffen installierten Anlagen eingesetzt werden.
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Diese Verfahren werden mit Hilfe je eines Schutzschalters durchgeführt,
der zwischen dem speisenden Generator und der Sammelschiene der Stromverteilung
angeordnet ist.
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Von der Sammelschiene ausgehend werden die Verbraucherstromkreise
gespeist und durch Schutzschalter oder Schmelzsicherungen gegen überstrom geschützt.
Die Belastbarkeit einer Stromverteilung wird durch die thermische und dynamische
Festigkeit der Stromleiter und durch das Schaltvermögen der Schutzschalter und Schmelz
sicherungen bestimmt.
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Die oberste Grenze des Schaltvermögens serienmäßig gefertiter Niederspannungsschaltgeräte
liegt heute bei 100 kA für den Anfangskurzschlußwechselstrom und bei 220 kA für
den Stoßkurzschlußstrom.
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Wenn an Stromverteilungen zeitweise Generatoren mit höheren Leistungen
angeschlossen werden, als es der zulässigen Belastbarkeit der Stromverteilung durch
mögliche Kurzschlußströme entspricht, muß eine Teilung der Stromverteilung vorgenommen
werden mit der Möglichkeit, die durch die Teilung entstehenden Teilabschnitte für
den Betrieb mit geringer Belastung durch Kuppelschalter zu verbinden und für den
Betrieb mit großer Belastung entweder vollständig zu trennen oder über strombegrenzende
Geräte miteinander zu kuppeln. Als strombegrenzende Geräte kommen in Betracht: a)
Hochleistungs-Schnellschalter, b) Schmelzsicherungen, c) Stoßstrombegrenzer mit
Sprengkapseln für die Trennung der Strombahn und parallel geschaltete Schmelzsicherungen
für die Lichtbogenlöschung,
d) Stromtransformatorcn mit variabler
Bürde, e) einfache Drosselspulen.
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Die unter a) b) und c) genannten Geräte trennen die Teilabschnitte
der Stromverteilung im Kurzschlußfall auf. Die unter d) und e) genannten Geräte
vermindern den Ausgleichsstrom zwischen den Teilabschnitten der Stromverteilung
im Kurzschlußfall. Da in allen Fällen der bisher üblichen Systeme die Generatoren
über die Stromverteilung mit den Verbrauchern über eine Langskupplung verbunden
sind, müssen die Schaltgeräte der Stromkreise für die kleinsten angeschlossenen
Verbraucher über das größte Kurzschluß-Schaltvermögen verfügen. Im Kurzschlußfall
fließen die Fehlerstrom-Anteile aller angeschlossenen Generatoren und Motoren zur
Fehlerstelle. Nur der Anteil des vom Kurzschluß betroffenen Stromkreises muß nicht
abgeschaltet werden.
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Hochleistungsnetzte werden von Generatoren mit einer Leistung versorgt,
die größer ist als diejenige, die für die Deckung des normalen Bedarf n elektrischer
Energie benötigt wird.
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Diese Netze haben einet hohen Sicherheitsanspruch. Um die Funktionsfähigkeit
des zu versorgenden Betriebs auch bei Ausfall von einzelnen elektrischen Betriebsmitteln
aufrechterhalten zu können, sind wichtige Verbraucher gleicher Bestimmung mehrfach
vorhanden. Bei derartigen gekuppelten Netzen ist die möglichst gleichmäßige Verteilung
von Einspeisungen und Abgängen und die redundante Versorgung von Verbrauchern gleicher
Bestimmung angestrebt. Zur Erhöhung der Versorgungssicherheit bei Ausfall eines
Teilabschnittes werden Einspeisungen und Ausgänge möglichst symmetrisch an die Teilabschnitte
der Stromverteilung angeschlossen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der einleitend
genannten Art so zu verbessern, daß die im Kurzschlußfall auftretenden fehlerströme
vermindert werden und deshalb leichter abgeschaltet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strom jedes
Generators durch dem Generator zugeordnete, paarweise magnetisch gekoppelte, antiparallel
geschaltete Drosselspulen geleitet wird und anschließend den Drosselspulen nachgeschalteten
Stromverteilungs-Schalttafeln zufließt.
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Bei diesem Verfahren werden die Generatolen nicht wie bisher längs
sondern quer zum Stromverteilungssystem angekoppelt. Auf diese Weise ist es möglich,
jeden Generator über voneinander unabhängige Schutzschalterpaare an Stromverteilungen
anzuschließen, die voneinander unabhängig je einem Schutzschalter des Schutzschalterpaares
zugeordnet sind. Ein Kurzschluß in einem Teil des Verteilungssystems bleibt auf
den vom Kurzschluß betroffenen Teil beschränkt, während die übrigen Teile selbst
dann betriebsfähig bleiben, wenn eine Hälfte der gesamten Stromverteilung durch
den Kurzschluß zerstört werden würde. Außerdem wird der Kurzschlußstrom durch die
erfindungsgemäße Schaltung erheblich vermindert. Die thermische und dynamische Belastung
wird infolgedessen für alle angeschlossenen Stromkreise entsprechend reduziert.
Es können Stromschienen mit geringerem Querschnitt und Schaltgeräte mit geringerem
Schaltvermögen bei diesen quergekuppelten Systemen verwendet werden, als sie in
vergleichbaren längsgekuppelten Systemen Verwendung finden müßten bzw. ist es möglich,
bei Verwendung der bisher üblichen Schaltgeräte die Leistung der durch sie geschützten
Netze erheblich zu erhöhen.
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Die Wirkungen des Kurzschlußstromes sind proportional dem Quadrat
der Stromstärke und der Dauer der Einwirkung. Bei der erfindungsgemäßen Herabsetzung
des Kurzschlußstromes um 30 % wird die Kurzschlußarbeit und damit die zerstörenden
Wirkungen eines Kurzschlusses auf die Hälfte reduziert.
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Durch die günstige Stromverteilung und die Verminderung des Kurzschlußstromes
können erfindungsgemäß quergekoppelte
Systeme noch für Stromstärken
als sicher angesehen werden, die in längsgekuppelten System zu unzllässigen Überlastungen
führen würden. Schließlich sind die antiparallelen Drosselspulen für Generatoren
als ein preiswertes Sicherheitssystem anzusehen. Sie sind nicht teurer als Strombegrenzer
der längsgekuppelten Systeme. Ihre Zuverlässigkeit ist wegen ihres einfachen Aufbaus
und wegen des Wegfalls von Meß-, Regel- und Steuereinrichtungen um ein Vielfaches
größer.
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Die bewährte redundante Versorgung von wichtigen Verbrauchern gleicher
Bestimmung kann auf das quer gekuppelte Netz übertragen werden. Der Anschluß von
Generatoren mit nur einem Generatorschalter an Teile der quer gekuppelten Stromverteilung
ist ebenso möglich wie der Anschluß von einzelnen Verbrauchern an einen Zweig der
Stromverteilung. Dabei ist es möglich, dem Generatorschalter entweder eine Drosselspule
nachzuschalten oder ohne nachgeschaltete Drosselspule zu arbeiten. Für das erfindungsgemäße
Verfahren ist die symmetrische Belastung der Stromverteilungspaare erwünscht und
vorteilhaft. Sie ist aber keine Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Systems.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung, in der eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist. In der Zeichnung
ist ein Bordnetzt als Schaltskizze dargestellt.
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Ein Bordnetz besteht im wesentlichen aus Generatoren 1, 2, Drosselspulen
3, 4, Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 und Verbrauchern 9, 10, 11, 12, 13, 14,
15, 16, 17, 18. Die Generatoren 1 sind über eine gemeinsame Welle 21 mit dem Schiffsantrieb
22 verbunden, der über Hauptmaschinen 23 erfolgt.
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Die Generatoren 1 sind über Drosselspulen 20 mit den Stromverteilungs-Schalttafeln
5, 6 verbunden. Zu diesem Zwecke
ist zwischen den Stromverteilungs-Schalttafeln
5, 6 und den Generatoren 1 eine elektrische Leitung 24 vorgesehen, die über einen
Schalter 7 mit den Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 verbunden ist.
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Die Generatoren 2 werden von Maschinen 25 angetrieben. Sie sind über
die Drosselspulen 3, 4 einerseits an die Stromverteilungs-Schalttafel 5 und andererseits
an die Stromverteilungs-Schalttafel 6 angeschlossen.
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Die Drosselspulen 3, 4 sind über elektrische Leitungen 26, 27 mit
den Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 verbunden. Am Eingang in die Stromverteilungs-Schalttafeln
5, 6 sind Schutzschalter 8 angeordnet. Die Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 sind
so geschaltet, daß sie die Verbraucherstromkreise 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,
17, 18 versorgen, die etwa symmetrisch auf beide Stromverteilungs-Schalttafeln 5,
6 aufgeteilt sind.
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Besonders wichtige Verbraucher sind über Verbindungsleitungen 28,
29 mit beiden Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 verbindbar. Zu diesen Verbrauchern
zählen insbesondere ein Bugstrahlruder 30 sowie die Notschalttafel 31. Das Bugstrahlruder
30 besitzt einen Antrieb 32, der über einen Transformator 33 mit einer der Verbindungsleitungen
28 verbunden ist. Die Notschalttafel 31 kann durch einen Schalter 19 von der Verbindungsleitung
29 getrennt werden.
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Die Stromkreise 17, 18 werden durch die Schalter 34 oder 35 mit nur
einer der Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 verbunden.
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Die Drosselspulen 3, 4 sind paarweise magnetisch gekoppelt und antiparallel
geschaltet. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Drosselspulenpaar einen geringen
magnetischen Fluß erzeugt, solange die Drosselspulen 3, 4 von annähernd gleich großen
Strömen durchflossen werden. Die relative
Reaktanz der Drosselspulen
3, 4 ist im normalen Betrieb mit annähernd symmetrischer Stromverteilung gering.
Bei einem Kurzschluß im Bereich einer der Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 wird
nur eine der Drosselspulen 3, 4 von dem Kurzschlußstrom durchflossen und erzeugt
einen großen magnetischen Fluß und damit eine große relative Reaktanz in der Kurzschlußstrombahn.
Dabei wird der Kurzschlußstrom im gleichen Umfange durch die Drosselspulen 3, 4
vermindert, wie diese bezüglich ihrer Größe und Wicklungsfaktoren bemessen ist und
mit der ihr antiparallel gekoppelten Drosselspule induktiv verbunden ist.
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Der Kurzschlußstrom kann so bemessen werden, daß sowohl die thermische
als auch die dynamische Belastbarkeit der Stromverteilung 5, 6 nicht überschritten
wird. Dabei wird die Dämpfung des Kurzschlußstromes so bemessen, daß das Schaltvermögen
von Schaltgeräten 34, 35 ausreichend bleibt zur Abschaltung der Verbraucher 9, 10,
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 von den Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 Andererseits
werden die Kurzschlußströme so bemessen, daß die von den Drosselspulen 3, 4 durchgelassene
Stromstärke ausreicht, un die für die selektive Abschaltung eines Kurzschlusses
erforderliche Stromstärke durchzulassen.
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Durch den Kurzschluß entsteht ein Spannungsabfall an den Generatoren
1, 2. Andererseits wirkt der Kurzschlußstrom im Sinne einer Spannungserhöhung an
den vom Kurzschlußstrom nicht durchflossenen Drosselspulen 3 oder 4. Der Spannungsabfall
einerseits und die Spannungserhöhung andererseits kompensieren sich teilweise, so
daß die Betriebsspannung in der vom Kurzschluß nicht betroffenen Stromverteilungs-Schalttafel
5 oder 6 innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
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Darüber hinaus werden die Drosselspulen 3, 4 so ausgelegt, daß bei
Einschaltung des größten Verbrauchers die Netzspannung an den Sammelschienen nicht
unzulässig absinkt.
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Ein weiteres Auslegungskriterium für die Drosselspulen 3, 4 besteht
darin, daß der positive oder negative Spannungsabfall an der Drosselspule 3 bei
einem Kurzschluß in der Stromverteilungs-Schalttafel 6 keine unzulässige Erhöhung
oder Absenkung der Betriebsspannung an der Sammelschiene der anderen Stromverteilungs-Schalttafel
5 bewirkt. In entsprechender Weise wird auch die Betriebsspannung an der Sammelschiene
der Stromverteilungs-Schalttafel 6 nicht unzulässig erhöht oder abgesenkt dadurch,
daß an der Drosselspule 4 bei einem Kurzschluß in der Stromverteilungs-Schalttafel'5
ein positiver oder negativer Spannungsabfall an der Drosselspule 4 entsteht.
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Zur Bemessung des Stromverteilungssystems ist davon auszugehen, daß
jede der beiden Hälften die Versorgung mit mindestens dem halben Nennstrom des angeschlossenen
Generators 1, 2 aufrechterhalten kann. Zu diesem Zwecke sind sowohl die Drosselspulen
3, 4 als auch die Generatorschalter 8 und die Zuleitungen 26, 27 zu den Schalttafeln
5, 6 für mindestens den halben Nennstrom des angeschlossenen Generators 2 auszulegen.
Dabei ist davon auszugehen, daß der gesamte Nennstrom ausschließlich durch beide
Drosselspulen 3, 4, beide Generatorschalter 8 und beide Zuleitungen 26, 27 fließt.
Auf diese Weise können auch bei hoh en zu übertragenden Leistungen die einzelnen
Betriebsmittel 3,4,26,27 und 8 für eine wesentlich kleinere Leistung ausgelegt und
damit billig und preiswert gehalten werden.
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Das Stromverteilungssystem ist dadurch flexibel, daß die beiden voneinander
unabhängigen Stromverteilungs-Schalttafeln 5, 6 mit einem beliebigen der Generatoren
2 versorgt werden kann. Es ist auch möglich, mehrere beliebig auswählbare Generatoren
2 parallel zu betreiben.
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Bei einem länge anhaltenden Kurzschluß in einer der Stromverteilungs-Schalttafeln
5 kann diese durch den Schutzschalter 8 selbsttätig abgeschaltet werden. Die andere
Stromverteilungs-Schalttafel 6 wird von dieser Abschaltung nicht betroffen und versorgt
weiterhin das Netz. Dabei ist die Einsatzbereitschaft dieser Stromverteilungs-Schalttafel
6 unabhängig von der Zahl der die Stromverteilung speisenden Generatoren und unabhängig
davon, welcher der Generatoren 2 eingeschaltet ist. Um auf diese Weise den wichtigsten
Betrieb aufrechterhalten zu können, werden die wichtigen Stromkreise gleicher Funktion
9, 10, 11, 12, 13, 14 zu gleichen Teilen an die Stromverteilungs-Schalttafeln 5,
6 angeschlossen. Auf diese Weise ist es denkbar, die wichtigsten Verbraucher - wenn
auch mit eingeschränkter Leistung - eingeschaltet zu lassen, selbst wenn für längere
Zeit, die für die Behebung eines Kurzschlusses im anderen Zweig des Systems notwendig
ist,eine Hälfte des Versorgungssystems abgeschaltet wird.
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In entsprechender Weise kann das Sicherheitssystem noch dadurch erweitert
werden, daß weitere Drosselspulenpaare parallel zu den Drosselspulenpaaren 3, 4
geschaltet werden.
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Entscheidend kommt es dabei immer darauf an, daß sowohl die Versorgungsleitungen
als auch die Schalter symmetrisch angeordnet werden, um zu gewährleisten, daß das
Auftreten eines Kurzschlusses in einem der unterteilten Zweige dazu führt, daß der
andere Zweig vom Kurzschluß frei und betriebsfähig erhalten wird.
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