DE3411508C2

DE3411508C2 -

Info

Publication number: DE3411508C2
Application number: DE3411508A
Authority: DE
Inventors: Satomi Nishinomiya Hyogo Jp Arimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1984-03-28
Publication date: 1987-12-03
Also published as: GB8408436D0; JPS59185118A; DE3411508A1; GB2137444A; US4580187A

Description

Die Erfindung betrifft eine Strombegrenzerschaltung zwischen zwei verschiedenen Wechselstromsystemen, bestehend aus einer Spule, einem Kondensator und der Reihenschaltung einer Schließeinrichtung und eines Widerstandes.

Eine solche Strombegrenzerschaltung ist aus der US-PS 41 58 864 bekannt. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus drei parallel geschalteten Kreisen, wobei der erste Kreis aus einem Widerstand, der zweite Kreis aus einer Reihenschaltung von Kondensator und Spule, und der dritte Kreis aus einer Reihenschaltung von Spule und Kondensator besteht. Eine Reihenschaltung aus Schließeinrichtung und Widerstand verbindet den Verbindungspunkt von Spule und Kondensator im zweiten Kreis mit dem Verbindungspunkt von Spule und Kondensator im dritten Kreis. Die beiden Wechselstromsysteme haben normalerweise im wesentlichen gleiches Potential, so daß die Potentialdifferenz zwischen ihnen klein ist. In diesem Normalzustand befindet sich die Schließeinrichtung in einem offenen Zustand, sie leitet nur dann, wenn eine daran anliegende Spanung einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Wenn jedoch ein Zwischenfall eintritt, so daß ein starker transienter Strom durch die beiden Wechselstromsysteme fließt, so steigt die Potentialdifferenz zwischen den beiden Verbindungspunkten der Schließeinrichtung plötzlich an, mit der Folge, daß die Schließeinrichtung schließt und damit zwei parallele Resonanzkreise aus Kondensator und Spule der zweiten und dritten Kreise bildet. In der Folge werden durch die in Kondensator und Spule gespeicherte Energie Schwingungsströme fließen, bis die Energie verbraucht ist. Damit diese elektromagnetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt und abgestrahlt wird, müssen Widerstände mit geeigneten Widerstandswerten in den jeweiligen Kreisen vorgesehen sein. Dies sorgt für eine zusätzliche Komplizierung des Aufbaus der Strombegrenzerschaltung, die mit den separaten Spulen und Kondensatoren ohnehin einen beträchtlichen Aufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Strombegrenzerschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die einen einfacheren Aufbau besitzt und gleichwohl einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird eine Strombegrenzerschaltung angegeben, die sich dadurch auszeichnet, daß die Spule einen Mittelanschluß aufweist, und daß der Kondensator, die Schließeinrichtung und der Widerstand in Reihe zwischen den Mittelanschluß und den äußeren Anschluß der Spule geschaltet sind, wobei der andere äußere Anschluß der Spule und der Verbindungsanschluß von Kondensator und Schließeinrichtung jeweils an die verschiedenen Wechselstromsysteme angeschlossen sind.

Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung besteht die Schließeinrichtung aus einem Kontaktelement, bei einer anderen speziellen Ausführungsform aus einem Halbleiterelement.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung ist vorgesehen, daß die Spule als Autotransformator ausgebildet ist und eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, die einen geschlossenen Magnetkreis bilden, wobei der Mittelanschluß in einem Bereich vorgesehen ist, in dem die erste Wicklung und die zweite Wicklung in Reihe geschaltet sind, und daß die erste Wicklung bzw. die zweite Wicklung die zwei äußeren Anschlüsse aufweisen.

Mit der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung kann in vorteilhafter Weise eine hohe Strombegrenzung in stabiler Weise erreicht werden, und zwar bei hoher Zuverlässigkeit und mit einem einfachen Aufbau.

Zusätzlich zu den ausgezeichneten Strombegrenzungseigenschaften, die nachstehend näher erläutert sind, bietet die erfindungsgemäße Strombegrenzerschaltung folgende Vorteile:

- Die Strombegrenzerschaltung hat gute Widerstandseigenschaften, und ein transienter Zustand des Systems wird stabilisiert.
- Die in der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung der Spule und die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt und abgestrahlt. Somit wird die Unterbrechungsbelastung für den Schaltungsunterbrecher reduziert, wobei die elektrische Energie in der ersten Wicklung durch den geschlossenen Magnetkreis des Kernes zur zweiten Wicklung geführt und im Widerstand in Wärmeenergie umgewandelt wird.
- Verglichen mit einer herkömmlichen Anordnung werden nur eine Spule und ein Widerstand verwendet, so daß es möglich ist, die Strombegrenzerschaltung insgesamt mit einer einfachen Konstruktion auszubilden.

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

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des Aufbaus einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung; und in

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Wellenformen zur Erläuterung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung.

Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 näher erläutert. Die Strombegrenzerschaltung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet und zwischen zwei Wechselstromsysteme S 1 und S 2 geschaltet. Anschlußpunkte der beiden Systeme S 1 und S 2 sind mit a und b bezeichnet, wobei der Anschlußpunkt a mit dem äußeren Anschluß h eines Kondensators 12 und einer Schließeinrichtung 13 verbunden ist, während der andere Anschlußpunkt b mit einem äußeren Anschluß f einer Spule 11 verbunden ist.

Die (Drossel-)Spule 11 vom Typ eines Autotransformators besteht aus einer ersten Wicklung 111 und einer zweiten Wicklung 112, die um einen geschlossenen Magnetkreis 110 gewickelt ist und einen Mittelanschluß e und äußere Anschlüsse f und g besitzt. Der eine Anschluß des Kondensators 12 ist in Reihe mit dem Mittelanschluß e der Spule 11 geschaltet. Zwischen den äußeren Anschluß g der Spule 11 und den anderen Anschluß h des Kondensators 12 sind in Reihe der Widerstand 14 und die Schließeinrichtung 13 geschaltet, wobei letztere sich unter Normalbedingungen im offenen Zustand befindet und nur dann leitet, wenn eine daran angelegte Spannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Gemäß Fig. 1 ist die so gebildete Strombegrenzerschaltung für eine Phase zwischen Anschlußpunkte a und b von zwei Energiesystemen S₁ und S₂ geschaltet bzw. eingesetzt.

Nachstehend wird der Betrieb einer derart aufgebauten Ausführungsform gemäß der Erfindung näher erläutert. Im Normalbetrieb haben die Systeme S₁ und S₂ nahezu dasselbe Potential, und die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen g und h ist klein. Somit bleibt die Schließeinrichtung 13 in einem offenen Zustand, so daß ein Reihenresonanzkreis von der ersten Wicklung 111 und dem Kondensator 12 gebildet wird, der für Resonanzbetrieb bei der Wechselstromfrequenz im System sorgt. In diesem Falle ist die resultierende Impedanz des Reihenresonanzkreises, bestehend aus der ersten Wicklung 111 und dem Kondensator 12 dicht beim Wert Null, und die Systeme S₁ und S₂ sind miteinander gekoppelt.

Falls ein Zwischenfall eingetragen ist, fließt andererseits ein starker vorübergehender oder transienter Strom in den Systemen S₁ und S₂, und die Potentialdifferenz steigt plötzlich zwischen den beiden Anschlüssen g und h an. Die Schließeinrichtung 13 arbeitet somit in der Weise, daß sie die beiden Anschlüsse g und h elektrisch mitein ander verbindet. Somit wird ein paralleler Resonanzkreis von der zweiten Wicklung 112 der Spule 11 und dem Konden sator 12 gebildet, und die Systeme S₁ und S₂ werden mit einander über eine große Impedanz verbunden bzw. ge koppelt, wobei die Impedanz auf den Wert unendlich an steigt, wenn der Widerstand 14 den Widerstandswert Null hat, so daß ein übermäßiger Strom daran gehindert und begrenzt wird, zwischen den Systemen S₁ und S₂ zu fließen.

Der Zweck des Widerstandes 14 wird nachstehend näher er läutert. Wenn der Widerstand 14 den Widerstandswert Null hat, wird die resultierende Impedanz der Strombegrenzerschaltung 1 unendlich, und es wird ein hoher Strombegrenzungseffekt erreicht, wie es oben bereits angegeben worden ist. Wenn der zwischen den Systemen S₁ und S₂ fließende Fehler strom durch die Strombegrenzerschaltung 1 begrenzt und dann von einem nicht dargestellten Schaltungsunterbrecher unter brochen wird, werden jedoch die in der ersten Wicklung 111 und der zweiten Wicklung 112 der Spule 11 gespeicherte, induktive Energie sowie die im Kondensator 12 gespeicherte kapazitive Energie als zirkulierender Schwingungsstrom weiterhin fließen. Diese Energie muß in Wärme umgewandelt werden, um sie zu verbrauchen oder abzugeben. Aus diesem Grunde muß der Widerstand 14 einen geeigneten Widerstandswert haben.

Das Prinzip der erfindungsgemäßen Strombegrenzerschaltung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert, wobei auf Gleichungen mit komplexen Zahlen Bezug genommen wird.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die in der ersten Wicklung 111 und der zweiten Wicklung 112 der Spule 11 und im Kon densator fließenden Ströme mit ₁₁, ₁₂, _C bezeichnet, der in die Strombegrenzerschaltung 1 fließende Strom ist mit dem Bezugszeichen ₀ bezeichnet, die Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen a und b der Strombegrenzerschaltung 1 ist mit ₀ bezeichnet, und der Magnetfluß, der durch den geschlossenen Magnetkreis 110 des Kernes der Spule 11 fließt, ist mit bezeichnet. Damit gilt die folgende Gleichung (1) für die Strombegrenzerschaltung 1:

wobei

ω= Winkelfrequenz der Netzversorgung der System leitungenn₁₁= Anzahl der Windungen der ersten Wicklung 111 n₁₂= Anzahl der Windungen der zweiten Wicklung 112 C= Kapazität des Kondensators 12 R _X= resultierender Widerstand des Widerstandes 14 und der Schließeinrichtung 13 R _mag= magnetischer Widerstand des geschlossenen magnetischen Kreises der Spule 11.

Aus der obigen Gleichung (1) ergibt sich die Impedanz _ab zwischen den Anschlüssen a und b der Strombegrenzerschaltung 1 durch die nachstehende Gleichung (2):

Wenn sich das System im Normalzustand befindet, ist der resultierende Widerstand R _X unendlich. Wenn dieser Zu stand für die Gleichung (2) angenommen wird, ist die Impedanz ′ _ab gegeben durch die nachstehende Gleichung (3):

Wenn der Reihenresonanzzustand von der ersten Wicklung 111 und dem Kondensator 12 ausgebildet wird, d. h. wenn eine Relation

gilt, dann erhält die Impedanz den Wert

′ _ab 0 (5)

Es ist somit ersichtlich, daß die Leitungen der Systeme miteinander verbunden werden, wobei die resultierende Impedanz der Strombegrenzerschaltung 1 nahezu Null ist.

Wenn andererseits ein Zwischenfall eingetreten ist und ein starker vorübergehender oder transienter Strom in den Leitungen der Systeme fließt, arbeitet die Schließ einrichtung 13 in diesem Falle, wobei dann, wenn der Wider stand 14 den Wert Null hat, der resultierende Widerstand R _X zu Null wird. Aus der Gleichung (2) ergibt sich somit die Impedanz ′′ _ab durch die nachstehende Gleichung (6):

Wenn der Parallelresonanzzustand von der zweiten Wicklung 112 und dem Kondensator 12 ausgebildet wird, d. h. wenn eine Relation

gilt, so erhält die Impedanz den Wert

′′ _ab = ∞ (unendlich) (8)

d. h., die Leitungen der Systeme sind über eine sehr große resultierende Impedanz miteinander verbunden, die von der Strombegrenzerschaltung 1 gebildet wird, und es wird ein übermäßiger Strom begrenzt und gehindert, in den Leitungen der Systeme zu fließen.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise und den Betrieb der er findungsgemäßen Strombegrenzerschaltung, die in die Leitungen des Systems eingesetzt ist. Das heißt, Fig. 3 zeigt den transienten Zustand, wenn ein Fehlerstrom unterbrochen wird, der durch das Auftreten eines Zwischenfalles ver ursacht worden ist. In Fig. 3 bezeichnet das Symbol V _S eine Spannungswellenform der Netzversorgung der Leitungen des Systems, die Bezugszeichen VT₁ und VT₂ bezeichnen Spannungen zwischen den Anschlüssen der ersten Wicklung 111 und der zweiten Wicklung 112 der Spule 11, das Bezugs zeichen V _CB bezeichnet eine Spannung zwischen den Elektro den eines nicht dargestellten Schaltungsunterbrechers, das Symbol Φ _T bezeichnet eine Wellenform des magnetischen Flusses im geschlossenen Magnetkreis 110 des Kernes der Spule 11, das Bezugszeichen I₀ bezeichnet eine Wellen form eines elektrischen Stromes, der im Normalzustand fließt, das Bezugszeichen I _S bezeichnet eine Wellenform eines Kurzschlußstromes, der dann fließt, wenn die Strom begrenzerschaltung 1 nicht eingesetzt ist, das Bezugszeichen I _T bezeichnet eine Wellenform eines Stromes, der von der Strombegrenzerschaltung 1 begrenzt wird, die Bezugszeichen I _C und I₁₂ bezeichnen Wellenformen von Strömen, die im Kondensator 12 bzw. in der Schließeinrichtung 13 fließen, und das Bezugszeichen R _N bezeichnet die Änderung des resultierenden Widerstandes des Widerstandes 14 und der Schließeinrichtung 13.

Claims

1. Strombegrenzerschaltung zwischen zwei verschiedenen Wechselstromsystemen, bestehend aus einer Spule (11), einem Kondensator (12) und der Reihenschaltung einer Schließeinrichtung (13) und eines Widerstandes (14), dadurch gekennzeichnet,
daß die Spule (11) einen Mittelanschluß (e) aufweist,
und daß der Kondensator (12), die Schließeinrichtung (13) und der Widerstand (14) in Reihe zwischen den Mittelanschluß (e) und den äußeren Anschluß (g) der Spule (11) geschaltet sind, wobei der andere äußere Anschluß (f) der Spule (11) und der Verbindungsanschluß (h) von Kondensator (11) und Schließeinrichtung (13) jeweils an die verschiedenen Wechselstromsysteme (S 1, S 2) angeschlossen sind.

2. Strombegrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließeinrichtung (13) aus einem Kontaktelement besteht.

3. Strombegrenzerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließeinrichtung (13) aus einem Halbleiterelement besteht.

4. Strombegrenzerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spule (11) als Autotransformator ausgebildet ist und eine erste Wicklung (111) und eine zweite Wicklung (112) aufweist, die einen geschlossenen Magnetkreis (110) bilden, wobei der Mittelanschluß (e) in einem Bereich vorgesehen ist, in dem die erste Wicklung (111) und die zweite Wicklung (112) in Reihe geschaltet sind,
und daß die erste Wicklung (111) bzw. die zweite Wicklung (112) die zwei äußeren Anschlüsse (f, g) aufweisen.