DE3403302C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrombegrenzer, der zwischen zwei verschiedenen Arten bzw. Phasen von Energiesystemleitungen geschaltet ist und folgende Merkmale aufweist: Eine erste Reihenschaltung aus Kapazität und Induktivität, deren Serienresonanzfrequenz auf die Wechselstromfrequenz abgestimmt ist, verbindet die Energiesystemleitungen; eine zweite Reihenschaltung, die mindestens eine Induktivität oder eine Kapazität sowie eine weitere Impedanz enthält, ist zur ersten Reihen­ schaltung parallel geschaltet; eine normalerweise offene und bei Auftreten eines Fehlers schließende Schließ­ einrichtung zur elektrischen Verbindung zweier Punkte ist derart zwischen den beiden Reihenschaltungen ange­ ordnet, daß beim Schließen bzw. bei Verbindung der Punkte mindestens ein Resonanzkreis, entweder bestehend aus der Kapazität der ersten Reihenschaltung und der Induktivität der zweiten Reihenschaltung, oder bestehend aus der Induktivität der ersten Reihenschaltung und der Kapazität der zweiten Reihenschaltung, gebildet wird.

Ein derartiger Wechselstrombegrenzer ist aus der JP-PS 9 87 109 bekannt. Insbesondere ist dort eine Ausführungsform mit einem Brücken-Wechselstrombegrenzer angegeben, der in jede Phase zwischen zwei verschiedenen Energiesystemleitungen eingesetzt ist und der aus zwei Sätzen von Kapazitäten und Induktivitäten besteht, wobei jeder Satz eine Reihenschaltung aus einer Induktivität (Drossel) und einem Kondensator darstellt. Die jeweiligen Verbindungen in jeder Reihenschaltung sind miteinander verbunden, und zwar über eine Reihenschaltung aus einer Schließeinrichtung, bestehend aus einer umgekehrten Parallelschaltung von siliziumgesteuerten Gleichrichtern und einem Widerstand.

Ein solcher herkömmlicher Wechselstrombegrenzer arbeitet normalerweise wie zwei Sätze von Serienresonanzkreisen für die Wechselstromfrequenz bzw. Netzfrequenz der verschiedenen Energiesystemleitungen, die ohne den Betrieb der Schließeinrichtungen und des Widerstandes parallel zueinander geschaltet sind. Infolgedessen dient der Wechselstrombegrenzer dazu, die verschiedenen Energie­ systemleitungen direkt über ihn miteinander zu verbinden. Im Falle eines Fehlers stellt die Schließeinrichtung ein abruptes Ansteigen der Spannung zwischen den Verbindungs­ punkten der jeweiligen Reihenschaltungen zur Überbrückung dieser Verbindungen fest. Infolgedessen werden zwei Parallelresonanzkreise gebildet, um einen Überstrom durch die verschiedenen Energiesystemleitungen mit einer großen Impedanz entsprechend den Parallelresonanzen zu begrenzen.

Eine solche herkömmliche Serien-Parallel-Resonanzschaltung gemäß der JP-PS 9 87 109 ist zwar insofern vorteilhaft, als die Übergangsstabilität der Systeme verbessert und die Betriebsart der Unterbrecher für einen Schaltungsunter­ brecher erleichtert wird, da bei der Schaltungsunter­ brechung eine geringe Nachzündspannung auftritt.

Ein derartiger Wechselstrombegrenzer ist jedoch nicht frei von Unzulänglichkeiten in der Praxis, insbesondere bestehen folgende Nachteile:

• - Es treten zwar keine Probleme auf, wenn die Induktivitäts­ werte der beiden Drosselspulen identisch sind und die Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren ebenfalls identisch sind, jedoch wird das Vorliegen von Schwankungen bei den Bauteilen dann, wenn die Abweichungen der Werte beträchtlich sind, dafür sorgen, daß ein hoher Umlaufstrom durch den Wechselstrombegrenzer fließt.
• - Wenn die Schließeinrichtung dort ein nicht-lineares Widerstandselement aufweist, bleiben beide Kapazitäten geladen, so daß ein Entladungswiderstand oder eine Drosselspule etc. vorgesehen sein müssen.
• - Wenn die Schließeinrichtung dort einen Spalt oder einen Schließschalter aufweist, wird der Strombegrenzungseffekt zwar besser, da der Widerstandswert des in Reihe mit der Schließeinrichtung geschalteten Widerstandes kleiner wird. Dementsprechend wird jedoch beträchtliche Zeit verstreichen, bis die in den Induktivitäten und Kapa­ zitäten gespeicherte elektrische Energie abgebaut ist, nachdem die Energiesystemleitungen mit einem Schaltungs­ unterbrecher unterbrochen worden sind und somit der begrenzte Strom unterbrochen ist.
• - Die Resonanz einer Leitungsinduktivität in einer die verschiedenen Energiesysteme verbindenden Energie­ übertragungsleitung und einer Kapazität zwischen der Leitung und Erde sorgt für einen Hochfrequenzschwingungs­ strom, der einen abrupten Stromstoß bei einer hohen Frequenz erzeugt, der durch einen Stromweg, bestehend aus einem der Kondensatoren, dem Widerstand und dem anderen der Kondensatoren fließt und damit kaum den Schaltungs­ unterbrecher betätigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wechselstrom­ begrenzer der genannten Art anzugeben, der verbesserte Wechselstrombegrenzungseigenschaften im Betrieb besitzt und zuverlässiger arbeitet.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Wechsel­ strombegrenzer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die weitere Impedanz ein erster ohmscher Widerstand ist, und daß zur Induktivität bzw. zur Kapazität der zweiten Reihenschaltung ein zweiter ohmscher Widerstand in Reihe geschaltet ist, der den beim Schließen der Schließeinrichtung entstehenden Parallelschwingkreis bedämpft.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wechselstrom­ begrenzers ist vorgesehen, daß die Schließeinrichtung ein nicht-lineares Element aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungs­ form des Wechselstrombegrenzers;

Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungs­ form des Wechselstrombegrenzers;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild, das den Wechsel­ strombegrenzer gemäß Fig. 1 bzw. 2 beinhaltet; und in

Fig. 4 charakteristische Wellenformen als Ergebnis einer Computersimulation bei dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3.

In sämtlichen Figuren der Zeichnung werden durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Teile bzw. Baugruppen verwendet, wobei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen wird. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Wechselstrombegrenzers. Es handelt sich dabei um den mit einer gestrichelten Linie gezeichneten Block, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und zwischen zwei Verbindungspunkten a und b von zwei verschiedenen Arten von elektrischen Systemen oder Energiesystemleitungen S 1 und S 2 eingesetzt ist. Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 nur eine Phasen­ verbindung dargestellt.

Der Wechselstrombegrenzer 10 enthält eine erste Reihen­ schaltung, bestehend aus einer Drosselspule oder Induk­ tivität 12 und einem Kondensator oder einer Kapazität 14, sowie eine zweite Reihenschaltung, bestehend aus einer Drosselspule oder Induktivität 12 A und zwei ohmschen Widerständen 16 und 18. Die ersten und zweiten Reihen­ schaltungen sind parallel zueinander zwischen die beiden Energiesystemleitungen S 1 und S 2 geschaltet. Zwischen dem Verbindungspunkt c der beiden ohmschen Widerstände 16 und 18 sowie den Verbindungspunkt d der Induktivität 12 und der Kapazität 14 ist eine Schließeinrichtung 20 geschaltet, bei der es sich um einen Spalt, Kontakte, ein nicht-lineares Widerstandselement oder eine Halbleiteranordnung handeln kann, z. B. in Form einer umgekehrten Parallelschaltung von siliziumgesteuerten Gleichrichtern.

Da die elektrischen Potentiale der beiden Energiesystem­ leitungen S 1 und S 2 normalerweise im wesentlichen gleich groß sind, ist im Betrieb eines derart aufgebauten Wechsel­ strombegrenzers die Potentialdifferenz zwischen den beiden Verbindungspunkten c und d so niedrig, daß die Schließ­ einrichtung 20 nicht betätigt oder geschlossen wird. Somit befindet sich die Schließeinrichtung 20 in ihrem offenen Zustand und bildet damit eine Serienresonanz­ schaltung, bestehend aus der Induktivität 12 und der Kapazität 14. Diese Serienresonanzschaltung sorgt für einen abgestimmten Betrieb für die Netzfrequenz in den Energiesystemleitungen S 1 und S 2. Dabei ist die Gesamt­ impedanz des Wechselstrombegrenzers 10 im wesentlichen Null, und die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 sind direkt miteinander verbunden.

Wenn beim Auftreten eines Fehlers ein vorübergehender oder transienter Überstrom durch die Energiesystem­ leitungen S 1 und S 2 fließt, steigt die Potentialdifferenz zwischen den Verbindungspunkten c und d abrupt an. Durch die Abtastung oder Feststellung dieses abrupten Potentialdifferenzanstieges wird die Schließeinrichtung 20 betätigt, was zur Folge hat, daß sie geschlossen wird, und zwar durch die über sie erfolgende automatische Ent­ ladung, wenn sie einen Spalt aufweist, durch eine externe Steuerung, wenn sie einen mechanischen Schalter oder einen Halbleiterschalter aufweist, oder dadurch, daß die Impedanz automatisch auf den Wert Null verringert wird, wenn sie ein nicht-lineares Widerstandselement aufweist. Die Betätigung der Schließeinrichtung 20 sorgt für eine direkte Überbrückung der Verbindungspunkte oder einen Kurzschluß zwischen den Verbindungspunkten c und d , wobei zwei Parallelschaltungen gebildet werden, die in Reihen­ schaltung zwischen den beiden Energiesystemleitungen S 1 und S 2 miteinander verbunden sind. Die eine Parallelschaltung wird von der Kapazität 14 mit der Induktivität 12 A und dem ohmschen Widerstand 16 gebildet und damit im wesent­ lichen durch die Kapazität 14 mit der Induktivität 12 A abgestimmt oder auf Resonanz gebracht. Die andere Parallel­ schaltung wird von der Induktivität 12 und dem ohmschen Widerstand 18 gebildet.

Die Parallelresonanzschaltung der Kapazität 14 und der Induktivität 12 A verbindet die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 über eine hohe Impedanz und unterdrückt somit den durch die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 fließenden Überstrom. Wenn in diesem Falle der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes 16 im wesentlichen Null ist, dann wird die Gesamtimpedanz des Wechselstrombegrenzers 10 unendlich, so daß der Überstrom in äußerst effektiver Weise unterdrückt wird.

Die vorteilhafte Funktion der beiden ohmschen Widerstände 16 und 18 wird nachstehend näher erläutert. Wenn der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes 16 im wesentlichen Null ist, wird die Gesamtimpedanz des Wechselstrombegrenzers 10, wie oben angegeben, unendlich werden, so daß der Über­ strom durch die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 in äußerst wirksamer Weise unterdrückt wird. Nachdem jedoch ein Fehlerstrom durch die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 vom Wechselstrombegrenzer 10 begrenzt worden ist und der Strom zwischen den Energiesystemleitungen S 1 und S 2 von einem nicht dargestellten Schaltungsunterbrecher unter­ brochen worden ist, liefern die in der Induktivität 12 A gespeicherte, induktive Energie und die in der Kapazität 14 gespeicherte kapazitive Energie einen Umlaufstrom durch den geschlossenen Stromweg durch die Verbindungspunkte b-c-d. Wenn dann der Widerstandswert des ohmschen Wider­ standes 16 klein ist, wird es zu viel Zeit erfordern, um die gespeicherte Energie thermisch abzugeben, so daß eine beträchtliche Zeit erforderlich ist, um den Umlaufstrom abzuschwächen bzw. zu dämpfen. Aus diesem Grunde ist ein geeigneter Widerstand für den geschlossenen Stromkreis erforderlich. Dies ist der Grund, warum der ohmsche Widerstand 16 vorgesehen ist.

Die Funktion des ohmschen Widerstandes 18 besteht einer­ seits darin, die in der Induktivität 12 gespeicherte induktive Energie thermisch abzugeben, um zu verhindern, daß die Energie nach außen abgegeben wird. Andererseits besteht die weitere Funktion des ohmschen Widerstandes 18 darin, zu verhindern, daß ein Hochfrequenzschwingungsstrom, der durch die Resonanz einer Leitungsinduktivität in einer die Energiesystemleitungen S 1 und S 2 verbindenden Energie­ übertragungsleitung mit einer Kapazität zwischen der Leitung und Erde erzeugt wird, als plötzlicher Strom­ stoß mit hoher Frequenz in einen Schaltungsunterbrecher auf der Seite der Energiesystemleitung S 1 oder S 2 fließt, und zwar durch den Stromweg, der von folgenden Elementen gebildet wird: Verbindungspunkt a - ohmscher Widerstand 18 - Verbindungs­ punkt c - Schließeinrichtung 20 - Verbindungspunkt d - Kapazität 14 - Verbindungspunkt b , so daß der Unterbrechungsbetrieb des Schaltungsunter­ brechers ausgelöst wird. Somit ist der ohmsche Widerstand 18 erforderlich, um einen geeigneten Widerstandswert zu haben.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß kein Problem besteht, den Hochfrequenzschwingungsstrom in den Schaltungsunter­ brecher durch den Stromweg fließen zu lassen, der von folgenden Elementen gebildet wird: Verbindungspunkt a - Induktivität 12 - Verbindungspunkt d - Schließeinrichtung 20 - Verbindungspunkt c - ohmscher Widerstand 16 - Induktivität 12 A - Verbindungspunkt b , da beide Induktivitäten für eine hohe Impedanz für Hoch­ frequenzen sorgen.

In Fig. 2 der Zeichnung ist eine zweite Ausführungsform des Wechselstrombegrenzers dargestellt. Es handelt sich dabei um den mit einer gestrichelten Linie gezeichneten Block, der allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist und der zwischen die Verbindungspunkte a und b der Energiesystemleitungen S 1 und S 2 eingesetzt ist. Vergleicht man die Schaltbilder in Fig. 2 und in Fig. 1, so erkennt man, daß die Induktivitäten 12 und 12 A sowie die Kapazität 14 in Fig. 1 durch die Kapazitäten 14 bzw. 14 A sowie die Induktivität 12 in Fig. 2 ersetzt worden sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 arbeitet, wie sich für den Fachmann ohne weiteres ergibt, im wesentlichen in gleicher Weise wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Ersatzschalt­ bildes, das den Wechselstrombegrenzer 10 bzw. 30 enthält. Die Anordnung gemäß Fig. 3 enthält einen Schaltungsunter­ brecher CB, einen Wechselstrombegrenzer 10 bzw. 30, einen Leitungswiderstand RO, eine Leitungsinduktivität LO sowie eine Last ZL, die in Reihenschaltung miteinander verbunden und parallel zu einer Wechselspannungsversorgung Sac ge­ schaltet sind.

Fig. 4 zeigt simulierte Wellenformen in Abhängigkeit von der Zeit, die an verschiedenen Punkten in der Schaltung gemäß Fig. 3 mit einem Computer erhalten werden, wenn man beispielsweise den Wechselstrombegrenzer 10 gemäß Fig. 1 sowie einen Spalt als Schließeinrichtung 20 verwendet.

Die Bezugszeichen VS, VC, VL und VLA, die in der oberen Darstellung in Fig. 4 angegeben sind, repräsentieren jeweils die simulierten Spannungswellenformen der Spannungs­ versorgung Sac, parallel zu den Anschlüssen der Kapazität 14, parallel zu den Anschlüssen der Induktivität 12 sowie parallel zu den Anschlüssen der Induktivität 12 A. Das Bezugszeichen VCB in der zweiten Darstellung von oben bezeichnet die simulierte Wellenform der Spannung parallel zu den Elektroden des Schaltungsunterbrechers CB. Die Bezugszeichen IO, IS und IT in der zweiten Darstellung von unten in Fig. 4 bezeichnen jeweils simulierte Strom­ wellenformen, und zwar während des Normalzustandes der Schaltung in Fig. 3, während eines Kurzschlusses zwischen den Kurzschluß-Fehlerpunkten F 1 und F 2 (vgl. Fig. 3) im normalen Falle, wo die Schließeinrichtung nicht betätigt wird, sowie den begrenzten Strom in der Schaltung gem. Fig. 3 im Falle eines Fehlers während der Zeit, wo die Schließeinrichtung 20 betätigt wird. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Bezugszeichen SA, SB und SC in derselben Darstellung jeweils den Anfangspunkt der elektrischen Leitung, den Punkt beim Auftreten des Kurz­ schlusses sowie den Unterbrechungs-Beendigungspunkt an­ geben. Die Bezugszeichen IC, ILA und I 20 in der untersten Darstellung in Fig. 4 repräsentieren simulierte Strom­ wellenformen der Kapazität 14, der Induktivität 12 A und der Schließeinrichtung 20.

Aus Fig. 4 der Zeichnung lassen sich die folgenden Vorteile und Wirkungen der vorstehend beschriebenen Schaltung ent­ nehmen:

• - Es wird ein günstiges Ergebnis im Hinblick auf die Übergangsstabilität der Energiesystemleitungen erreicht, da der begrenzte Strom durch eine Widerstandsschaltung hindurchgeht.
• - Die Nachzündspannung für einen Schaltungsunterbrecher ist so niedrig, daß die Unterbrechungsbetriebsart des Schaltungsunterbrechers erleichtert wird, denn der Wechselstrombegrenzer bildet bei einem Fehler einen geschlossenen Stromkreis, und somit wird die in der Induktivität und der Kapazität gespeicherte Energie über den ohmschen Widerstand 16 in dem geschlossenen Kreis thermisch abgegeben, und der Hochfrequenz­ schwingungsstrom aufgrund der Leitungsinduktivität LO und der Kapazität zwischen der Leitung und Erde wird durch den anderen ohmschen Widerstand 18 gedämpft.
• - Der Umlaufstrom des Wechselstrombegrenzers wird durch das Vorhandensein der ohmschen Widerstände 16 und 18 innerhalb einer kurzen Zeit gedämpft, so daß keine Entladungsinduktivität oder kein Entladungswiderstand für die Kapazität erforderlich sind.

Claims (3)

1. Wechselstrombegrenzer, der zwischen zwei verschiedenen Arten bzw. Phasen von Energiesystemleitungen (S 1, S 2) ge­ schaltet ist und folgende Merkmale aufweist:

• - eine erste Reihenschaltung aus Kapazität (14) und Induktivität (12), deren Serienresonanzfrequenz auf die Wechselstromfrequenz abgestimmt ist, verbindet die Energiesystemleitungen (S 1, S 2);
• - eine zweite Reihenschaltung, die mindestens eine Induktivität (12 A) oder eine Kapazität (14 A) sowie eine weitere Impedanz (18) enthält, ist zur ersten Reihenschaltung parallel geschaltet;
• - eine normalerweise offene und bei Auftreten eines Fehlers schließende Schließeinrichtung (20) zur elektrischen Verbindung zweier Punkte (c, d) ist derart zwischen den beiden Reihenschaltungen angeordnet, daß beim Schließen bzw. bei Verbindung der Punkte (c, d) mindestens ein Resonanzkreis entweder bestehend aus der Kapazität (14) der ersten Reihenschaltung und der Induktivität (12 A) der zweiten Reihenschaltung, oder bestehend aus der Induktivität (12) der ersten Reihenschaltung und der Kapazität (14 A) der zweiten Reihenschaltung gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Impedanz ein erster ohmscher Widerstand (18) ist, und daß zur Induktivität (12 A) bzw. Kapazität (14 A) der zweiten Reihenschaltung ein zweiter ohmscher Widerstand (16) in Reihe geschaltet ist, der den beim Schließen der Schließeinrichtung (20) entstehenden Parallelschwingkreis (12 A bis 14; 12 bis 14 A) bedämpft.

2. Wechselstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließeinrichtung (20) ein nicht-lineares Element aufweist.