DE3333768C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung
von Wechselströmen, mit einem ersten Zweig, bestehend aus
einer Reihenschaltung eines Kondensators und einer Wicklungseinrichtung,
der zwischen zwei verschiedenen Energiesystemen liegt,
und mit einem zweiten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung
eines ersten Widerstandes und einer Schließeinrichtung (JP-OS
56-810 45).
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung
zur Begrenzung von vorübergehenden Überströmen,
die aufgrund eines Fehlers auftreten, beispielsweise eines Erdungsfehlers
oder eines Leitungskurzschlusses innerhalb eines Energiesystems
oder zwischen verschiedenen Energiesystemen, wie z. B.
Wechselstrom-Energieverteilungsleitungen oder Wechselstrom-
Energieübertragungsleitungen. Insbesondere soll
mit der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung
von Wechselströmen, im folgenden kurz Strombegrenzer genannt,
geschaffen werden, die beim Auftreten der erwähnten
Fehler die Beschleunigung eines Generators unterbindet,
um die Stabilität gegenüber transienten Schwankungen
zu verbessern und um Einrichtungen eines Energiesystems
zu schützen, bzw. bei dem die benötigte Unterbrecher-Kapazität
eines Schaltkreisunterbrechers und
damit die Wirkung einer Energie-Übertragungs- oder
-Verteilungs-Einrichtung verringert wird, indem der
zu unterbrechende Strom begrenzt wird.
Abgestimmte Stromunterbrecher sind bekannt, bei denen
Schaltungsanordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 verwendet
werden. Zur klareren Darstellung ist dort lediglich
eine Phase eines Strombegrenzers dargestellt,
der generell mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist
und der zwischen Verbindungsanschlüssen a und b von
zwei unterschiedlichen Energiesystemen S 1 und S 2 geschaltet
ist (JP-OS 56-81 045).
In Fig. 1 besteht der Strombegrenzer 10 aus einer
Drosselspule 12 mit Luftkern oder Eisenkern, einem
in Reihe mit der Drosselspule 12 geschalteten Kondensator
14, einer Schließeinrichtung 16, die parallel
zu dem Kondensator 14 liegt, und einem Widerstand 18,
der in Reihe zu der Schließeinrichtung 16 parallel zum
Kondensator 14 liegt, wobei die Schließeinrichtung
16 einen (Luft-)Spalt, eine mechanische oder Halbleitereinrichtung
oder ein nicht-lineares Widerstandselement
enthält.
Beim Betrieb des Schaltkreises der Fig. 1 sind die
Systeme S 1 und S 2 normalerweise im wesentlichen auf
dem gleichen Potential, so daß die Klemmenspannung
an dem Kondensator 14 auf extrem niedrigem Wert liegt.
Folglich befindet sich die Schließeinrichtung 16 in
einem Zustand, bei dem ein Serienresonanzschaltkreis
aus der Drosselspule 12 und dem Kondensator 14 gebildet
wird. Dieser Serienresonanzkreis ist auf die Netzfrequenz
der Systeme S 1 und S 2 abgestimmt. In diesem
Zustand sind die Systeme S 1 und S 2 mit einer Impedanz
von "Null" über den Strombegrenzer 10 miteinander
verbunden. Tritt jedoch ein Fehler auf, fließt beispielsweise
ein transienter Überstrom zwischen den Systemen
S 1 und S 2, so vergrößert sich die Klemmenspannung
an dem Kondensator 14 sehr schnell; zu diesem Zeitpunkt
wird der Kondensator 14 automatisch entladen, wenn
die Schließeinrichtung 16 ein Luftspalt ist; ist die
Schließeinrichtung 16 ein mechanischer Schalter oder
ein Halbleiterschalter, so erfolgt dies durch eine externe
Steuerung; ist die Schließeinrichtung 16 ein nichtlineares
Widerstandselement, so geschieht dies durch
einen elektrischen Weg, der durch die automatische Reduzierung
der Impedanz auf Null gebildet wird. Diese
Schließwirkung der Schließeinrichtung 16 verbindet
die Systeme S 1 und S 2 über die Drosselspule 12 und den
Widerstand 18 elektrisch miteinander, so daß der durch
die Systeme S 1 und S 2 fließende Überstrom begrenzt
bzw. unterdrückt wird, sofern die Impedanz der Drosselspule
12 vorher groß genug gewählt wurde.
Fig. 2 zeigt einen anderen bekannten Strombegrenzer,
der allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10′ bezeichnet ist.
Dieser besteht aus einer Brückenschaltung, die
zwei Drosselspulen 12 und 12 A sowie Kondensatoren 14
und 14 A aufweist, die parallel zu den Brückenklemmen c und
d geschaltet sind, wobei zwischen diese Brückenklemmen
eine Reihenschaltung aus einer Schließeinrichtung 16
und einem Widerstand 18 geschaltet ist; im Gegensatz
zur Schaltung der Fig. 1, wo nur ein Satz, bestehend
aus Drosselspule 12 und Kondensator 14, verwendet wird.
Beim Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 2 sind die Systeme
S 1 und S 2 normalerweise auf einem im wesentlichen gleichen
Potential, so daß die Potentialdifferenz zwischen
den Brückenklemmen c und d gering ist. Folglich ist
die Schließeinrichtung 16 geöffnet, so daß zwei Serienresonanzkreise
gebildet werden, die aus der Drosselspule
12 und dem Kondensator 14 bzw. der Drosselspule
12 A und dem Kondensator 14 A gebildet werden, wobei jeder
Serienresonanzkreis auf die Netzfrequenz der Systeme
S 1 und S 2 abgestimmt ist. In diesem Falle haben beide
Serienresonanzkreise angenähert eine Impedanz von Null
zur direkten Verbindung der Systeme S 1 und S 2. Tritt
nun ein Fehler auf, fließt beispielsweise ein transienter
Überstrom durch die Systeme S 1 und S 2, so wird die Potentialfrequenz
zwischen den Brückenklemmen c und
d sehr schnell vergrößert, was eine Betätigung der
Schließeinrichtung 16 zur Folge hat; hierdurch werden
die Brückenklemmen c und d überbrückt, so daß zwei
parallele Resonanzkreise gebildet werden, die aus der
Drosselspule 12 und dem Kondensator 14 A bzw. der Drosselspule
12 A und dem Kondensator 14 gebildet werden, wodurch
die Systeme S 1 und S 2 durch eine hohe Impedanz
miteinander verbunden sind (der Impedanzwert geht gegen
Unendlich, wenn der kombinierte Widerstand der Schließeinrichtung
16 und des Widerstandes 18 Null ist). Somit
wird ein zwischen den Systemen S 1 und S 2 fließender
Überstrom unterbunden.
Obwohl der bekannte Schaltkreis der Fig. 1 mit dem
Serienresonanzschaltkreis sehr einfach aufgebaut ist
und billig hergestellt werden kann, hat er folgende
Nachteile: Als erstes ist auf folgendes hinzuweisen:
Da der begrenzte Strom induktiv ist, d. h. in seiner
Phase der Spannung nacheilt, wird die Nach-Zündspannung
aufgrund der Schaltkreisunterbrechung groß, so daß eine
zusätzliche Nachzündspannungs-Unterdrückungseinrichtung
oder ein Schaltkreisunterbrecher mit guter Nachzündspannungs-
Standfestigkeit benötigt wird. Als nächstes ist
zu erwähnen, daß die bisher für die Drosselspule 12
verwendete hohe Induktivität zur Vergrößerung des Strombegrenzungseffektes
ein Ansteigen der Klemmenspannung
an der Drosselspule 12 bei normalen oder fehlerhaften
Zuständen bewirkt, so daß die Durchschlagfestigkeit
der Drosselspule 12 sehr groß sein müßte. Auch aus diesem
Grund war das Hinzufügen einer Nachzündspannungs-Unterdrückungseinrichtung
oder eines Schaltkreisunterbrechers
mit deutlich verbesserter Nachzündspannungs-
Festigkeit erforderlich. Drittens ist zu erwähnen, daß
bei Schließeinrichtungen 16 mit nicht-linearem Widerstandselement
ein Entladekondensator oder eine Entladedrossel
oder ähnliches vorhanden sein müßte, da der
Kondensator 14 ansonsten geladen bliebe.
Da der Serien-Parallel-Schaltkreis der Fig. 2 zu dem
oben erwähnten Serien-Resonanz-Schaltkreis (der Fig. 1)
ein gegensätzliches Merkmal aufweist und der begrenzte
Strom im wesentlichen in Phase mit der Spannung liegt,
weist er den Vorteil auf, daß die transiente Stabilität
des Systems verbessert ist und die Anforderungen
an den Schaltkreisunterbrecher geringer sind, da eine
niedrige Nachzündspannung nach einer Schaltkreisunterbrechung
auftritt. Allerdings ist die Schaltungsanordnung
komplizierter und damit teurer im Vergleich
zu dem Serien-Resonanz-Schaltkreis der Fig. 1. Obwohl keine
Probleme auftreten, wenn die Induktivitätswerte der
Drosselspulen 12 und 12 A identisch sind und ebenfalls
die Kapazitätswerte der Kondensatoren 14 und 14 A identisch
sind, werden bei Toleranzabweichungen, sofern
diese beträchtlich sind, hohe Kreisströme auftreten,
die durch den Strombegrenzer fließen, wodurch die Resonanzbedingungen
gestört werden. Besteht die Schließeinrichtung
16 aus einem nicht-linearen Widerstandselement,
so bleiben schließlich die Kondensatoren 14 und
14 A stets geladen, so daß ein Entladewiderstand oder
eine Entladedrossel oder ähnliches vorhanden sein müssen,
was nachteilig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, die
verbesserte Strombegrenzungseigenschaften aufweist, ohne
einen komplizierten Schaltungsaufbau erforderlich zu
machen.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art so auszubilden,
daß der zweite Zweig parallel zu den Ausgangsanschlüssen
der Wicklungseinrichtung liegt und daß ein dritter Zweig
vorgesehen ist, der aus einer Reihenschaltung einer
Drosselspule und eines zweiten Widerstandes besteht, wobei
der dritte Zweig parallel zu dem ersten Zweig liegt.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die
Schließeinrichtung des zweiten Zweiges normalerweise
geöffnet gehalten, so daß ein Serienresonanzkreis aus
der Wicklungseinrichtung und dem Kondensator gebildet
ist, der die Energiesysteme mit einer resultierenden
Impedanz des ersten Zweiges von Null verbindet. Bei einem
Systemfehler wird die Schließeinrichtung des zweiten
Zweiges geschlossen, so daß die Impedanz, gesehen von
den Eingangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung, auf
einen vorgegebenen kleinen Impedanzwert umgeschaltet
wird, um den Resonanzpunkt des Serienresonanzkreises
zu verstimmen, wodurch ein Parallel-Resonanzkreis zwischen
der Reihenschaltung der kleinen Impedanz und dem
Kondensator und dem dritten Zweig gebildet wird, so daß
der Gesamtimpedanzwert zwischen den beiden Systemen vergrößert
und dadurch ein Überstrom zwischen diesen unterdrückt
bzw. begrenzt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dementsprechend enthält die Wicklungseinrichtung vorzugsweise
einen Transformator, einen Autotransformator
oder eine zweite Drosselspule, deren Ausgangsanschlüsse
parallel mit dem zweiten Zweig, bestehend aus dem ersten
Widerstand und der Schließeinrichtung, verbunden sind.
Jede Komponente des Strombegrenzers bzw. der Schaltungsanordnung
hat vorzugsweise einen geeigneten Wert entsprechend
vorgegebenen theoretischen Beziehungen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter
Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung
ausführlicher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Wechselstrombegrenzers
in Serienresonanzschaltung;
Fig. 2 ein Schaltbild eines weiteren bekannten Wechselstrombegrenzers
in Serien-Parallel-Resonanzschaltung;
Fig. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines
Wechselstrombegrenzers nach der Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles
eines Wechselstrombegrenzers nach der Erfindung;
Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeipieles
eines Wechselstrombegrenzers nach der
Erfindung;
Fig. 6 ein Prinzipschaltbild, bei dem der Wechselstrombegrenzer
nach der Erfindung eingebaut ist; und
Fig. 7 und 8 charakteristische Signal-Verläufe des Prinzipschaltbilds
der Fig. 6.
Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen
gleiche Teile.
Zunächst sei auf Fig. 3 Bezug genommen. Dort ist ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Strombegrenzers nach
der Erfindung dargestellt, der allgemein mit dem Bezugszeichen
20 bezeichnet ist.Der Strombegrenzer 20 der Fig. 20
ist zwischen zwei Energiesystemen S 1 und S 2 verschaltet
und besteht aus einem ersten, einem zweiten und
einem dritten Zweig. Der erste Zweig besteht aus einem
Transformator 22 (als Wicklungseinrichtung) und einem
Kondensator 14, der in Reihe mit der Primärwicklung N 1
des Transformators 22 verbunden ist. Der zweite Zweig besteht
aus einer Reihenschaltung einer Schließeinrichtung
16 und eines Widerstandes 18, die parallel zu der Sekundärwicklung
N 2 des Transformators 22 geschaltet sind. Der
dritte Zweig besteht aus einer Drosselspule 12 A und einem
Widerstand 24, der in Reihe zu der Drosselspule 12 A liegt.
Der erste Zweig liegt parallel zu dem dritten Zweig zwischen
den Systemen S 1 und S 2. Wie oben im Zusammenhang
mit dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 und 2 erläutert,
kann die Schließeinrichtung 16 ein Luftspalt, eine Halbleitereinrichtung
oder ein nicht-lineares Widerstandselement
sein.
Im folgenden sei die Arbeitsweise des Strombegrenzers gemäß
Fig. 3 erläutert. Da die Potentiale der beiden Systeme
S 1 und S 2 normalerweise gleich sind, ist die Klemmenspannung
an der Sekundärwicklung N 2 des Transformators
22 so klein, daß die Schließeinrichtung nicht betätigt bzw.
geschlossen ist. Folglich ist die Schließeinrichtung 16
in ihrem geöffneten Zustand, wodurch ein Serienresonanzkreis
gebildet wird, der aus der Primärwicklung N 1 des
Transformators 22 und dem Kondensator 14 besteht. Dieser
Serienresonanzkreis ist auf die Leitungs- bzw. Netzfrequenz
der beiden Systeme S 1 und S 2 abgestimmt. Somit ist
die gesamte Impedanz des Strombegrenzers 20 im wesentlichen
Null, so daß die Systeme S 1 und S 2 direkt miteinander
verbunden sind. Fließt nun beim Auftreten eines Fehlers
ein transienter Überstrom durch die Systeme S 1 und
S 2, so steigt die Klemmenspannung an der Sekundärwicklung
N 2 des Transformators 22 sehr schnell an. Hierauf wird die
Schließeinrichtung 16 betätigt, so daß sie, sofern sie
einen Luftspalt enthält, durch eine automatische Entladung
hierüber geschlossen wird bzw., wenn sie einen mechanischen
Schalter oder einen Halbleiterschalter enthält, durch
externe Steuereinrichtungen geschlossen wird, wie in der
oben erwähnten japanischen Patentschrift 9 87 109 erwähnt;
enthält sie ein nicht-lineares Widerstandselement, so wird
die Impedanz automatisch auf Null reduziert. Dieser Impedanzabfall
auf Null, gesehen von der Primärseite des Transformators
22, verstimmt den Resonanzpunkt des Serienresonanzkreises,
der aus dem Transformator 22 und dem Kondensator
14 besteht. Folglich wird jetzt ein Parallel-
Resonanz-Kreis gebildet, und zwar zwischen der Reihenschaltung
aus dem relativ kleinen Widerstand des Widerstandes
18 (gesehen von der Primärseite des Transformators) mit
der Kapazität des Kondensators 14 des ersten Zweiges und
der Serienschaltung der Drosselspule 12 A und des Widerstandes
24 des dritten Zweiges. Wenn die Widerstandswerte
der Widerstände 18 und 24 im wesentlichen Null sind, so
ist in diesem Falle der gesamte Impedanzwert des Strombegrenzers
20 unendlich; sind dagegen diese Widerstandswerte
nicht im wesentlichen Null, so wird der gesamte
Impedanzwert nicht unendlich, jedoch sehr groß, wodurch
in beiden Fällen ein durch die Systeme S 1 und S 2 fließender
Überstrom unterdrückt bzw. begrenzt wird.
Im folgenden wird nun die theoretische Arbeitsweise des
oben beschriebenen Schaltkreises detaillierter erläutert.
Es sei angenommen, daß die Streuimpedanz durch Streuflüsse
und der ohmsche Widerstand in den Primär- und Sekundärwicklungen
S 1 und S 2 des Transformators 22 vernachlässigbar
sind und daß der magnetische Widerstand des Eisenkerns
des Transformators 22 als linear angesehen werden
kann. Unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die
Sekundärseite des Transformators 22 offen ist, werden
die Impedanz T (gesehen von der Primärwicklung N 1
des Transformators 22) und die Impedanz ab des Strombegrenzers
20 durch folgende Beziehung beschrieben:
wobei:
ωdie Leitungskreisfrequenzn₁die Wicklungszahl der Primärwicklung N 1 des
Transformators 22 und r mag der magnetische Widerstand des Eisenkernes
des Transformators 22 sind. wobei:
Transformators 22 und r mag der magnetische Widerstand des Eisenkernes
des Transformators 22 sind. wobei:
cder Kapazitätswert des Kondensators 14 r₃der Widerstandswert des Widerstandes 24 und
L₃der Induktivitätswert der Drosselspule 12 A
sind.
sind.
Sofern
ist, d. h. wenn der Transformator 22 und der Kondensator
14 des ersten Kreises einen Serienresonanzkreis bilden,
so gilt:
ab =0, (4)
so daß die Gesamtimpedanz zwischen den Anschlußklemmen
a und b des Strombegrenzers 20 den Wert "Null" hat, so
daß die Systeme S 1 und S 2 direkt miteinander verbunden
sind.
Wenn ein Überstrom durch die Systeme S 1 und S 2 beim Auftreten
eines Fehlers fließt, so wächst die Klemmenspannung
an der Sekundärwicklung N 2 des Transformators 22 sehr
schnell an und die Schließeinrichtung 16 wird betätigt.
Der zweite Zweig ist dann geschlossen und die Impedanz
T (gesehen von der Primärwicklung N 1 des Transformators
22) und die Impedanz ′ ab zwischen den Anschlußklemmen a
und b des Strombegrenzers 20 gehorchen folgenden Bedingungen:
wobei:
n₂die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung
N 2 des Transformators 22 und r₂der Widerstandswert des Widerstandes 18 sind.
N 2 des Transformators 22 und r₂der Widerstandswert des Widerstandes 18 sind.
Folglich gilt:
wobei:
Aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt sich
wenn die Bedingung
ω · L₃»r₃ (8)
erfüllt ist, kann Gleichung (7) umgeschrieben werden als:
ω² · L₃ · c≃1, (9)
so daß der Kondensator 14 und die Drosselspule 12 A, die den
dritten Kreis bilden, einen Parallelresonanzschaltkreis
bilden. Aus den Gleichungen (3), (6) und (9) ergibt sich
Der Nenner dieses Ausdrucks entspricht folgendem Widerstandswert:
Wenn r₂≃r₃≃0, ′ ab =∞, so ist die Gesamtimpedanz des
Strombegrenzers 20 unendlich; ist die Gleichung (8) erfüllt und
r₂ · c/n₂²≃0,
′ab0, (12)
so bedeutet dies, daß die Verbindung zwischen den beiden
Systemen S 1 und S 2 durch eine große Impedanz hergestellt
ist. Hieraus kann man sehen, daß ein durch die Systeme
S 1 und S 2 fließender Überstrom unterdrückt wird. Es sei
angenommen, daß die Potentialdifferenz zwischen den
Systemen S 1 und S 2 gleich ab ist; der unterdrückte bzw.
begrenzte Strom ′ ab ergibt sich aus Gleichung (10) zu
Dieser begrenzte Strom ′ ab ist ein ohm'scher Strom, der
in Phase mit der Potentialdifferenz ab liegt, wie aus
Gleichung 13 erkennbar. Dieser ohm'sche Strom sorgt für
eine befriedigende transiente Stabilität für die Systeme
S 1 und S 2 und erleichtert in vorteilhafter Weise die
Unterbrechungsanforderungen an den Schaltkreisunterbrecher
aufgrund der geringen Nachzündspannung aufgrund einer
Schaltkreisunterbrechung.
Im folgenden wird der Einfluß der zweiten bzw. ersten Widerstände
18 bzw. 24 beschrieben, die in die zweiten und
dritten Zweige eingeschaltet sind. Wie oben beschrieben,
ist die gesamte Impedanz ′ ab des Strombegrenzers 20 unendlich,
wenn r₂≃0 und r₃≃0 ist, und folglich der begrenzte
Strom ′ ab ≃0 ist, wie aus Gleichung 13 erkennbar.
Dies ergibt sich aus der Lösung im stationären Zustand
im Gegensatz zu einem transienten Zustand. Wenn r₂≃0 und
r₃≃0 durch eine Computersimulierung oder eine transiente
Lösung festgelegt werden, so treten folgende Nachteile
auf. Nach dem Auftreten eines Fehlers wird übermäßige
Energie wechselseitig eingespeist, und zwar zwischen dem
ersten Zweig (gebildet durch den Transformator 22 und den
Kondensator 14), dem zweiten Zweig (Widerstand 18 und
Schließeinrichtung 16), und dem dritten Zweig (gebildet
aus dem Widerstand 24 und der Drosselspule 12 A), wobei
in dem Transformator 22 und der Drosselspule 12 A induktive
Energie und in dem Kondensator 14 kapazitive Energie
gespeichert werden, so daß ein pulsierender Strom mit einer
Wechselstromkomponente, deren Frequenz den Induktivitäts-
und Kapazitätswerten des Strombegrenzers 20 entspricht,
fließt. Haben die Widerstände 18 und 24 kleine Widerstandswerte,
so wird eine beträchtliche Zeit verstreichen, bis
die eingespeiste Energie thermisch abgebaut ist und der
pulsierende Strom gedämpft ist. Ist die erwähnte Frequenz
hoch, so kann ein in die Systeme S 1 und S 2 eingebautes
Schutzrelais für eine Fehlererkennung fehlerhaft arbeiten.
Weiterhin dauert es eine lange Zeit, bis der begrenzte
Strom einen Null-Durchgang für die Auftrennung der Systeme
S 1 und S 2 erreicht hat, wenn die Gleichstromkomponente
groß und die Dämpfungszeit lang ist, was zu einer langen
Wartezeit für eine Null-Durchgangsunterbrechung führt.
Selbst nach einer Schaltkreisauftrennung der Systeme S 1
und S 2 fließt der Strom weiter durch den geschlossenen
Schaltkreis des Strombegrenzers 20. Ist der Widerstandswert
des Widerstandes 18 klein, so fließt dort nach Betätigung
der Schließeinrichtung 16 ein starker Strom,
der die elektrische Leitfähigkeit der Schließeinrichtung
16 elektrisch und mechanisch hoch belastet. Weiterhin wird,
wenn die Systeme elektrisch miteinander verbunden sind,
elektrische Energie in den geschlossenen Schaltkreisen des
ersten Zweiges (gebildet durch den Transformator 22 und
den Kondensator 14) und des dritten Zweiges (gebildet durch
die Drosselspule 12 A und dem Widerstand 24) fließen, was
dazu führt, daß dort ein pulsierender Strom fließt, der
eine Gleichstromkomponente besitzt und eine Frequenz, die
durch die Induktivitäts- und Kapazitätswerte des Strombegrenzers
20 bestimmt ist, wie oben beschrieben. Folglich
wird es eine lange Zeit dauern, bis die eingespeiste Energie
thermisch abgebaut ist, sofern der Widerstandswert
des Widerstandes 24 klein ist, und bis daraufhin der pulsierende
Strom gedämpft ist, was zu dem nachteiligen Ergebnis
führt, daß eine schädliche Spannung für längere
Zeitdauer an den Klemmen a und b des Strombegrenzers 20
anliegt. Um diese Nachteile zu vermeiden, werden die Widerstände
18 und 24 mit geeigneten Widerstandswerten versehen,
sehen, obwohl hierdurch der Strombegrenzungseffekt etwas
reduziert ist.
Fig. 4 zeigt einen zweiten Strombegrenzer nach
der Erfindung, der generell mit dem Bezugszeichen 20′
versehen ist. Hier ist der Transformator 22 der Fig. 3
lediglich durch einen Autotransformator 26 als Wicklungseinrichtung
ersetzt. In diesem Ausführungsbeispiel
bildet die Primärwicklung N 1 (Reihe und Shunt)
des Autotransformators 26 einen ersten Zweig zusammen
mit dem Kondensator 14, während die Sekundärwicklung
N 2 (Shunt) einen zweiten Zweig mit der Reihenschaltung
aus der Schließeinrichtung 16 und dem Widerstand 18
bildet.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines
Strombegrenzers nach der Erfindung, der generell mit
dem Bezugszeichen 20′′ bezeichnet ist. Hier wird lediglich
der Transformator 22 der Fig. 3 durch eine Drosselspule
12 als Wicklungseinrichtung ersetzt,
wie bei den Fig. 1 und 2. In diesem Ausführungsbeispiel
werden Primär- und Sekundärwicklungen gemeinsam
für eine Wicklungseinrichtung benutzt.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß auch mit den
Schaltkreisen der Fig. 4 und 5 ähnliche Betriebsweisen
und Effekte erreicht werden wie mit dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 3 entsprechend den Gleichungen (1) bis
(13).
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Schaltung, die den
Strombegrenzer 20 nach der vorliegenden Erfindung enthält.
Dort ist ein Schaltkreisunterbrecher CB, der Strombegrenzer
20, ein Leitungswiderstand R₀, eine Leitungsinduktivität
L₀ und eine Last ZL in Reihe miteinander
verbunden und liegen parallel zu einer Wechselstromquelle
S ac .
Fig. 7 bzw. 8 zeigen den zeitlichen Verlauf von auf
einem Computer simulierten Wellenformen an verschiedenen
Punkten des Schaltkreises der Fig. 6. Bei Figur
7 wird eine Schließeinrichtung 16 in Form eines Luftspaltes
verwendet, während Fig. 8 diese in Form eines
nicht-linearen Widerstandselementes benutzt.
In den Fig. 7 und 8 stellen Vs, Vc, V 3, VT 1 und VT 2
im oberen Graphen die simulierten Spannungsverläufe
der Energiequelle Sac dar, und zwar an den Anschlüssen
des Kondensators 14 des Strombegrenzers 20, an den
Anschlüssen des dritten Zweiges, der durch die Drosselspule
12 A und dem Widerstand 24 gebildet ist bzw. an
den Anschlüssen den Primär- und Sekundärwicklungen des
Transformators 22. Im zweiten Graphen von oben stellen
Φ T und VCB die simulierten Wellenformen des magnetischen
Flusses in dem Eisenkern des Transformators 22 und
die Spannung an den Elektroden des Schaltkreisunterbrechers
CB dar.
Im zweiten Graphen von unten stellen I₀, I S und I T die
Wellenformen der simulierten Ströme bei normalem Zustand
des Schaltkreises der Fig. 6, einen Kurzschluß
zwischen den Kurzschlußfehlerpunkten F 1 und F 2 für einen
Fall, bei dem kein Strombegrenzer verwendet wird, bzw.
den begrenzten Strom bei Fig. 6 dar. Es sei darauf
hingewiesen, daß SA, SB und SC in demselben Graphen
die Anfangspunkte der elektrischen Leitfähigkeit, den
Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschlusses bzw. den
Zeitpunkt der vollständigen Unterbrechung darstellen.
In dem untersten Graphen stellen I 1, I 2 bzw. I 3 die
simulierten Ströme der ersten, zweiten bzw. dritten
Zweige des Strombegrenzers 20 der Fig. 6 dar.
Weiterhin sind in Fig. 7 V′CB und I′ T durch gepunktete
bzw. gestrichelte Linien dargestellt, wobei diese die
simulierte Wellenform der Spannung an den Elektroden
des Schaltkreisunterbrechers CB und die simulierte Stromwellenform
des begrenzten Stromes der Fig. 6 darstellen,
wenn eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik der
Fig. 1 für den Schaltkreis der Fig. 6 verwendet wird.
Es ist festzustellen, daß der bekannte Schaltkreis einen
steilen Spannungsverlauf V′CB zum Zeitpunkt SC, bei dem
die Unterbrechung vollendet ist, aufweist, im Vergleich zu
dem der vorliegenden Erfindung, was dazu führt, daß der
Strom I′ T in Phase mit dem Kurzschlußstrom I S ist, der
ein vollständig induktiver Strom ist.
Wie aus obigem hervorgeht, wird mit dem Gegenstand der
vorliegenden Erfindung eine hervorragende Stabilität gegen
transiente Störungen für Energiesysteme geschaffen,
und zwar aufgrund des begrenzten ohm′schen Stromes, während
gleichzeitig die Unterbrechungsanforderungen für den
Schaltkreisunterbrecher erleichtert sind, aufgrund der
geringen Nachzündspannung bei einer Schaltkreisunterbrechung.
Da die Kreisströme in dem Strombegrenzer nach
der vorliegenden Erfindung nach einer Schaltkreisunterbrechung
in kurzer Zeit gedämpt sind - wie oben im Zusammenhang
mit der Wirkung der Widerstände 18 und 24 beschrieben
- ist es vorteilhaft, daß kein zusätzlicher Entladewiderstand
oder eine zusätzliche Entladedrossel für den
Kondensator benötigt wird. Auch ist es vorteilhaft, daß
die Sekundärseite des als Wicklungseinrichtung verwendeten
Transformators als Niederspannungsschaltkreis verwendet
werden kann, so daß die Schließeinrichtung mit Niederspannung
gesteuert werden kann, sofern die Schließeinrichtung
ein mechanischer oder Halbleiterschalter ist. Weiterhin
ist, verglichen mit dem herkömmlichen Serien-Parallel-
Resonanzkreis der Fig. 2, von Vorteil, daß der
Kondensator 14 A fortgelassen werden kann, so daß ein billigeres
Gerät hergestellt werden kann (bei einem L-C-Resonanz-
Strombegrenzer werden die Gesamtkosten durch den
Kondensator bestimmt).
Insbesondere im Hinblick auf das zweite Ausführungsbeispiel
der Fig. 4 kann es vorteilhaft sein, die Menge des
Kupfers und des Eisens für die Wicklungseinrichtung einzusparen,
im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der
Fig. 3. Weiterhin können in dem dritten Ausführungsbeispiel
der Fig. 5 die Anforderungen an die Drosselspule
12 die gleichen sein wie bei der Drosselspule 12 A des
dritten Zweiges, so daß die Herstellkosten in vorteilhafter
Weise verringert werden können.
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Wechselströmen,
mit einem ersten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung
eines Kondensators (14) und einer Wicklungseinrichtung (12,
22, 26), der zwischen zwei verschiedenen Energiesystemen
(S 1, S 2) liegt,
und mit einem zweiten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (18) und einer Schließeinrichtung (16),
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Zweig parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung (12, 22, 26) liegt
und daß ein dritter Zweig vorgesehen ist, der aus einer Reihenschaltung einer Drosselspule (12 A) und eines zweiten Widerstandes (24) besteht, wobei der dritte Zweig parallel zu dem ersten Zweig liegt.
und mit einem zweiten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (18) und einer Schließeinrichtung (16),
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Zweig parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung (12, 22, 26) liegt
und daß ein dritter Zweig vorgesehen ist, der aus einer Reihenschaltung einer Drosselspule (12 A) und eines zweiten Widerstandes (24) besteht, wobei der dritte Zweig parallel zu dem ersten Zweig liegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungseinrichtung (22) einen Transformator
aufweist, dessen Primärwicklung (N 1) in Reihe mit dem
Kondensator (14) liegt, und daß der erste Widerstand
(18) und die Schließeinrichtung (16) des zweiten
Zweiges in Reihe parallel zu der Sekundärwicklung
(N 2) des Transformators (22) geschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungseinrichtung einen Autotransformator
(26) enthält und daß der erste Widerstand (18) und
die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges in Reihe
parallel zu den Ausgangsanschlüssen des Autotransformators
(26) geschaltet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wicklungseinrichtung eine zweite Drosselspule
(12) aufweist und daß der erste Widerstand (18) und
die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges in
Serie parallel zu den Ausgangsanschlüssen, die gleichzeitig
auch Eingangsanschlüsse der zweiten Drosselspule
(12) sind, geschaltet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Kreisfrequenz des Systems von ω, einer
Induktivität der Drosselspule von L₃, einer Kapazität
des Kondensators (14) von c, einer Windungszahl zwischen
den Ausgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung (22)
von n₂ und bei Widerstandswerten des ersten (24) und
zweiten (18) Widerstandes von r₂ bzw. r₃ folgende
Beziehungen gegeben sind:
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