DE3938700C2

DE3938700C2 -

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Publication number: DE3938700C2
Application number: DE19893938700
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Dipl.-Ing. 4300 Essen De Paul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-20
Filing date: 1989-11-20
Publication date: 1991-10-17
Also published as: DE3938700A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen bei Hochspannungskabeln und Hochspannungsfreileitungen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a protective circuit for limiting Switching voltages for high-voltage cables and high-voltage overhead lines according to the preamble of claim 1.

Eine solche Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen ist aus der DE-PS 2 74 034 (1912) bekannt, vgl. Fig.3 mit dazugehörigem Text auf Seite 2, Absatz 2. Dort wird eine zwischen zwei Leitungen zu schaltende Schutzschaltung beschrieben, die aus einem ohmschen Widerstand und einer parallel dazu geschalteten Selbstinduktion besteht. Aus der Thyristortechnik sind sättigbare Drosseln bekannt, die aus Ringbandkernen aufgebaut sind, vgl DE "elektrotechnik", 66, H. 6, 28. März 1984, Seite 5.Such a protective circuit for limiting switching voltages is known from DE-PS 2 74 034 (1912), cf. Fig. 3 with the associated text on page 2, paragraph 2. There is described a protective circuit to be switched between two lines, which consists of an ohmic resistor and a self-induction connected in parallel. Saturable chokes are known from thyristor technology, which are made up of toroidal cores, see DE "elektrotechnik", 66, H. 6, March 28, 1984, page 5.

Die begrenzende Wirkung von ohmschen Widerständen auf Schaltspannungen beim Zuschalten von Leitungen ist seit langem bekannt, siehe Elektrische Wanderwellen von R. Rüdenberg, Springer-Verlag, Berlin/Göttingen/Heidelberg (1962), S. 85-91, Taschenbuch Elektrotechnik, Band 5, Elemente und Baugruppen der Elektroenergietechnik von E. Philippow, VEB Verlag Technik, Berlin (1980), S. 704-705, Elektrische Kraftwerke und Netze von H. Happoldt und D. Oeding, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York (1978), S. 538 u. 539, und Hütte, Taschenbücher der Technik, 29. Auflage, Elektrische Energietechnik, Band 3, Netze, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York/London/Paris/Tokio (1988), S. 393.The limiting effect of ohmic resistances on switching voltages when connecting lines has long been known see Electric traveling waves by R. Rüdenberg, Springer-Verlag, Berlin / Göttingen / Heidelberg (1962), pp. 85-91, Paperback electrical engineering, volume 5, elements and assemblies electrical engineering by E. Philippow, VEB Verlag Technik, Berlin (1980), pp. 704-705, electrical power plants and networks by H. Happoldt and D. Oeding, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York (1978), pp. 538 u. 539, and hut, paperbacks der Technik, 29th edition, Electrical Power Engineering, Volume 3, Networks, Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York / London / Paris / Tokyo (1988), p. 393.

Wird auf eine Hochspannungsleitung eine Spannung geschaltet, breitet sich diese als Wanderwellenvorgang aus. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wanderwellen ist bei Freileitungen etwa gleich der Lichtgeschwindigkeit; in Kabeln ist sie deutlich kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. If a voltage is switched on a high-voltage line, this spreads out as a traveling wave process. The speed of propagation of traveling waves is with overhead lines about equal to the speed of light; it is clear in cables less than the speed of light.

Knotenpunkte, an denen Wellenwiderstandsänderungen oder diskrete Anschaltungen von z. B. Widerständen, Kapazitäten oder Induktivitäten vorliegen, können nicht ungestört, d. h. unverändert von den Wanderwellen passiert werden, sondern dort treten Reflexionen und Brechungen der einlaufenden Wanderwellen auf.Nodes where wave resistance changes or discrete Connections from z. B. resistors, capacities or Inductors can not be undisturbed, i. H. unchanged be passed by the traveling waves, but kick there Reflections and refractions of the incoming traveling waves on.

Insbesondere treten beim Zuschalten von Leitungen, Hochspannungskabeln oder Hochspannungsfreileitungen, die am anderen Ende offen sind, Verdopplungen und Reflexionen der Schaltspannungen auf. Diese verdoppelten Schaltspannungen laufen vom offenen Ende durch die Leitung zurück zur Zuschaltstelle und werden dort unter Umkehrung ihres Vorzeichens wieder zum offenen Ende reflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich in der beschriebenen Weise, bis die Wanderwellen aufgrund der Leitungsverluste soweit abgedämpft sind und ein stationärer Zustand erreicht ist.In particular, when connecting lines, high-voltage cables occur or overhead power lines that are on the other End open, doubling and reflections of the switching voltages on. These doubled switching voltages run from open end through the line back to the switching point and reverse their sign there again reflected open end. This process is repeated in the described way until the traveling waves due to line losses as far as are dampened and a steady state is reached.

Durch das Hin- und Herlaufen von Wanderwellen mit hohen Spannungsamplituden und hohen Spannungsgradienten ergeben sich besonders für Hochspannungskabel starke Spannungsbeanspruchungen für die Isolationen der Hauptleiter. Ebenso werden die Isolationen von Geräten oder Maschinen, die an eine Leitung angeschlossen sind, auf der entsprechende Wanderwellenvorgänge ablaufen, stark beansprucht.Through the running back and forth of traveling waves with high voltage amplitudes and high voltage gradients result in particular for high voltage cables heavy voltage stress for the main conductor insulation. Likewise, the isolations of devices or machines connected to a line on which corresponding traveling wave processes take place, heavily used.

Zur Verhinderung derartiger Spannungsbeanspruchungen können Zuschaltvorgänge von Leitungen über ohmsche Schutzwiderstände vorgenommen werden, die den Schaltspannungen Energie entziehen und sie dadurch begrenzen. Hierzu wird bisher bei einem Zuschaltvorgang in Reihe mit jedem Hauptleiter eines Hochspannungskabels oder einer Freileitung ein ohmscher Widerstand geschaltet. Diese ohmschen Widerstände sind integrale Bestandteile von Hochspannungsleistungsschaltern, sie sind in Reihe mit einer Hilfsschaltstrecke parallel zu den Hauptschaltstrecken geschaltet. To prevent such voltage stresses, connection processes can be carried out of lines via ohmic protective resistors be made that withdraw energy from the switching voltages and thereby limit them. So far this has been the case with a connection process in series with each main conductor of a high voltage cable or an overhead line switched an ohmic resistor. These ohmic resistors are integral parts of high voltage circuit breakers, they are in series with an auxiliary switching path parallel to the main switching paths switched.

Die Zuschaltung einer Leitung mit derartigen Hochspannungsleistungsschaltern erfolgt über den ohmschen Widerstand durch das Schließen der Hilfsschaltstrecke. Nachdem der transiente Ausgleichsvorgang abgeklungen ist, wird die Hauptschaltstrecke geschlossen und der ohmsche Widerstand kurzgeschlossen. Hierdurch wird erreicht, daß der ohmsche Widerstand nicht durch Betriebs- oder Kurzschlußströme belastet werden kann und daher nur für die transiente Beanspruchung dimensioniert werden braucht.The connection of a line with such high-voltage circuit breakers takes place via the ohmic resistance by the Closing the auxiliary switching path. After the transient equalization process the main switching path is closed and the ohmic resistance short-circuited. Hereby it is achieved that the ohmic resistance is not or short-circuit currents can be loaded and therefore only for the transient load needs to be dimensioned.

Ein ohmscher Schutzwiderstand muß also zwei Bedingungen erfüllen: Zum einen muß er bei transienten Spannungsvorgängen im Eingriff sein, und zum anderen darf er durch Betriebs- oder Kurzschlußströme nicht überbelastet werden. An ohmic protective resistor must therefore meet two conditions: On the one hand, it must be used for transient voltage processes in the Intervention, and on the other hand he may by operating or Short-circuit currents are not overloaded.

In den drei genannten Büchern von Philippow, Happoldt/Oeding und Hütte ist die Verwendung von ohmschen Einschaltwiderständen als integraler Bestandteil von Leistungsschaltern beschrieben. Dadurch, daß die ohmschen Widerstände vor dem Schließen der Hauptschaltstrecke zugeschaltet sein müssen und durch Betriebs- und Kurzschlußströme nicht belastet werden dürfen, ist zur Erfüllung dieser Bedingungen ein geräte- und steuerungstechnischer Aufwand erforderlich, der unerwünscht ist.In the three books mentioned by Philippow, Happoldt / Oeding and hut is the use of ohmic on-resistances described as an integral part of circuit breakers. The fact that the ohmic resistors before closing the Main switching section must be switched on and by operating and short-circuit currents must not be loaded, is to be fulfilled of these conditions a device and control technology Effort required that is undesirable.

In dem genannten Buch von Rüdenberg wird beschrieben, daß durch das Kurzschließen der ohmschen Widerstände ein erneuter Anlaß zum Auftreten von Schaltwellen gegeben ist. Auch dieser Effekt ist unerwünscht.In the book by Rüdenberg it is described that by short-circuiting the ohmic resistors is another reason for the occurrence of switching shafts. This effect too is undesirable.

Mit den bisher bekannten Einrichtungen an Leistungsschaltern ist eine Begrenzung von Schaltspannungen nur mit einem zusätzlichen geräte- und steuerungstechnischen Aufwand zu erreichen, der bei der Konstruktion von Leistungsschaltern zu berücksichtigen ist. Außerdem können durch die bisher bekannten Einrichtungen zusätzliche Wanderwellenvorgänge ausgelöst werden. Darüber hinaus sind die Einschaltwiderstände bei Ausschaltvorgängen oder anderen, nicht schaltungsbedingten transienten Ausgleichsvorgängen, nicht im Eingriff. Nichtschaltungsbedingte transiente Ausgleichsvorgänge können durch Verminderungen der Isoationsfestigkeit im Hochspannungsnetz, die zu Spannungsdurch- oder Spannungsüberschlägen führen oder durch atmosphärische Einwirkungen hervorgerufen werden.With the previously known devices on circuit breakers is a limitation of switching voltages only with an additional one to achieve equipment and control engineering effort, to be taken into account when designing circuit breakers is. In addition, by the previously known facilities additional traveling wave processes are triggered. About that In addition, there are switch-on resistances during switch-off processes or other transient compensation processes not related to the circuit, not engaged. Non-switching conditions Transient compensatory processes can be reduced by reducing the Insulation resistance in the high-voltage network, which leads to or voltage flashovers or atmospheric Effects are caused.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen der eingangs genannten Art, Schaltspannungen zu reduzieren. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale in Anspruch 1 gelöst.The invention has for its object with a protective circuit to limit switching voltages of the aforementioned Way to reduce switching voltages. This task will solved by the characterizing features in claim 1.

Diese Aufgabe wird dadurch erfüllt, daß unmittelbar vor jedem Hauptleiter einer Leitung eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen geschaltet wird. Der ohmsche Widerstand einer Schutzschaltung entspricht dabei dem Widerstandswert des Wellenwiderstandes des nachgeschalteten Hauptleiters. Hierdurch bedingt tritt am ohmschen Schutzwiderstand nur etwa die halbe Spannung der Spannungsquelle als Schaltspannung auf. Ebenso läuft nur etwa die halbe Spannung der Spannungsquelle als Wanderwelle in den Hauptleiter ein, die erst nach dem Abklingen des transienten Vorganges den Wert der Spannungsquelle annimmt. Parallel zu dem ohmschen Widerstand ist eine sättigbare Drossel aus kurzschlußfesten Ringbandkernen geschaltet.This task is accomplished in that immediately in front of everyone Main conductor of a line a protective circuit for limitation of switching voltages is switched. The ohmic resistance a protective circuit corresponds to the resistance value of the Characteristic impedance of the downstream main conductor. Hereby conditionally occurs only at the ohmic protective resistor half the voltage of the voltage source as switching voltage. Likewise, only about half the voltage of the voltage source runs as a traveling wave in the main conductor, which only after decay of the transient process the value of the voltage source assumes. Parallel to the ohmic resistance is a saturable one Choke switched from short-circuit proof toroidal cores.

Beim Auftreffen einer transienten Spannung auf die Schutzschaltung stellt die sättigbare Drossel eine hochohmigere Verbindung als der ohmsche Schutzwiderstand dar, so daß die transiente Spannungswelle zuerst unmittelbar über den Schutzwiderstand geleitet wird. Sobald die Spannungswelle auf den ohmschen Schutzwiderstand auftrifft, setzt in diesem mit der gleichen Steilheit der Spannungswelle sprungartig ein Stromfluß ein. Auch in der sättigbaren Drossel setzt beim Auftreffen der transienten Spannungswelle entsprechend den zu bestimmten Stromaugenblickswerten jeweilig wirksamen Induktivitäten der Drossel ein verzögert ansteigender Strom ein. Mit zunehmendem Drosselstrom nimmt entsprechend der Drosselcharakteristik die Induktivität der Drossel ab, so daß hierdurch nach dem Abklingen des transienten Vorganges der ohmsche Schutzwiderstand nahezu kurzgeschlossen ist und einsetzende betriebsfrequente Ströme nur noch über den Drosselzweig fließen.When a transient voltage strikes the protective circuit the saturable choke provides a higher impedance connection as the ohmic protective resistor, so that the transient Voltage wave first directly through the protective resistor is directed. As soon as the voltage wave on the ohmic Protection resistance strikes, sets in this with the same The steepness of the voltage wave suddenly leads to a current flow. Also in the saturable choke sets when the transient strikes Voltage wave corresponding to the current instantaneous values determined respectively effective inductors of the choke a delayed increasing current. With increasing choke current takes the inductance according to the choke characteristic the throttle off, so that after decay of the transient process, the ohmic protective resistance almost is short-circuited and operating frequency currents set in only flow over the throttle branch.

Bei betriebsfrequenten Wechselströmen steigt im Bereich der Stromnulldurchgänge des Drosselstromes die Induktivität der sättigbaren Drossel wieder, so daß während dieser Zeit ein vernachlässigbarer Impulsstrom über den ohmschen Schutzwiderstand fließt, dessen Spitzenwert z. B. bezogen auf den Scheitelwert eines sinusförmigen Betriebsstromes von 50 A etwa 250mal kleiner ist.With operating frequency alternating currents increases in the range of Zero current crossings of the inductor current saturable choke again, so that during this time a negligible Pulse current through the ohmic protective resistor flows, the peak value z. B. based on the peak value a sinusoidal operating current of 50 A about 250 times smaller is.

Mit steigenden Amplituden des Betriebsstromes nimmt die zugehörige Stromsteilheit im Bereich der Stromnulldurchgänge zu. Hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Impulsbreite des über den ohmschen Schutzwiderstand fließenden Stromes, dessen Spitzenwert ab Scheitelwerten des Betriebsstromes größer 400 A nahezu konstant bleibt, da dann die relative Zunahme der Stromsteilheit gegen Null geht. Hieraus geht hervor, daß auch bei Strömen im kA-Bereich, die z. B. bei Kurzschlüssen über die sättigbare Drossel fließen können, sich für den ohmschen Schutzwiderstand keine zusätzlichen Beanspruchungen ergeben.With increasing amplitudes of the operating current, the associated one increases Current steepness in the area of zero current crossings. This results in a reduction in the pulse width of the current flowing through the ohmic protective resistor whose Peak value from peak values of the operating current greater than 400 A. remains almost constant, since then the relative increase in current steepness goes to zero. It follows that also at Currents in the n / a range, e.g. B. in the event of short circuits saturable choke can flow, for the ohmic Protection resistance does not result in additional stresses.

Die Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen ist nach der weiteren Erfindung dadurch vorteilhaft, daß für ihren Einsatz keine zusätzlichen geräte- und steuerungstechnischen Einrichtungen erforderlich sind.The protective circuit for limiting switching voltages is according to the further invention advantageous in that for their Use no additional device and control technology Facilities are required.

Mit der Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen erreicht man weiterhin gegenüber dem bisherigen Stand der Technik folgende Vorteile:With the protective circuit for limiting switching voltages can still be achieved compared to the prior art following advantages:

1. Limiting intended and unintentional transients Switching voltages is possible because the Protection circuit is latently engaged.
2. The switching voltages are both in their amplitude as also limited in their frequency behavior.
3. For stationary operation, the ohmic Protective resistor and the saturable choke no disadvantage Impairment because of the saturable choke represents a short circuit and thus the ohmic protective resistor bridged with low resistance.
4. The ohmic protective resistor is only for the duration of the to design the respective transient switching voltages. The leads in comparison to a design of the ohmic protective resistor for stationary currents that the ohmic Protective resistor for a smaller by several orders of magnitude Performance is to be dimensioned. This results in corresponding space-saving constructions.
5. The protective circuit for limiting switching voltages is reliable and requires neither maintenance nor control.

Die Erfindung wird schematisch anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtThe invention is schematic with reference to the drawing explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Schaltspannungen, Fig. 1 is a protection circuit for limiting switching voltages,

Fig. 2 eine sättigbare Drossel, bestehend aus Ringbandkernen und Fig. 2 is a saturable choke consisting of toroidal cores and

Fig. 3 die Anschaltung von Schutzschaltungen zur Begrenzung von Schaltspannungen an die Hauptleiter eines Hochspannungskabels oder einer Hochspannungsfreileitung. Fig. 3 shows the connection of protective circuits to limit switching voltages to the main conductor of a high-voltage cable or a high-voltage overhead line.

Bezeichnet sind mitAre marked with

L sättigbare Drossel
R ohmscher Schutzwiderstand
LZ Drosselzweig
RZ Widerstandszweig
B Spannungsbegrenzer
K sättigbare Ringbandkerne
LK Leiter mit aufgeschobenen sättigbaren Ringbandkernen
L1, L2, L3 Hauptleiter eines Hochspannungskabels oder einer Hochspannungsfreileitung.L saturable ballast
Ohmic protective resistor
LZ choke branch
RZ resistance branch
B voltage limiter
K saturable toroidal cores
LK ladder with pushed-on saturable toroidal cores
L 1 , L 2 , L 3 main conductor of a high-voltage cable or a high-voltage overhead line.

Claims

1. Protection circuit for limiting switching voltages in high-voltage cables and high-voltage overhead lines with ohmic resistance (R) in one branch (RZ) and a choke (L) in the other branch (LZ), characterized in that the choke (L) is saturable and from one Number n on a conductor (LK) pushed, saturable, short-circuit proof toroidal cores (K), whereby the ohmic resistor (R) is short-circuited and thus relieved when operating or short-circuit currents flow in the downstream high-voltage cable or in the downstream high-voltage overhead line.

2. Protection circuit according to claim 1, characterized in that the ohmic resistance (R) only for half the switching voltage and only for the time that a switching voltage to run through the downstream high-voltage cable twice or the downstream overhead power line needed, is designed.

3. Protection circuit according to claim 1 and 2, characterized in that it is connected as a voltage limiter (B) at both ends of a high-voltage cable or a high-voltage overhead line before each main conductor L 1 to L 3 .

4. Protection circuit according to claim 1 or 2, characterized in that they are the voltage stress on the conductor insulation limited by high-voltage cables for switching voltages.

5. Protection circuit according to claim 4, characterized in that they are for on a high voltage cable or a high voltage power line connected devices or machines Switching voltages limited.