Die Erfindung betrifft einen Thyristor-Kurzschließer nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen kann es durch
immer höhere Leistungsdichten, Fehlschaltungen, Fehlhandlungen
des Bedienpersonals, Überspannungen oder Geräteversagen zur
Ausbildung von Störlichtbögen kommen.
Um Verletzungen von Personen und Materialschäden durch
Störlichtbögen zu reduzieren, ist es bekannt, in der Verteilung
von Elektrizität besonders schnelle Störlichtbogen-
Schutzvorrichtungen anzusteuern, die aus Leistungsthyristoren
bestehen, die einen definierten Kurzschluß verursachen, der
jedoch für Personen und Anlage unschädlich ist. Die Brenndauer
des Lichtbogens wird auf diese Weise erheblich reduziert, so daß
große Schäden vermieden und das Ausmaß der Nutzung der
Schaltanlage erhöht werden können.
Halbleiterkurzschließer bewirken einen dem metallischen
Kurzschluß äquivalenten Kurzschluß. Sie sind bereits aus der
Patentliteratur bekannt.
Aus der DD 2 33 253 A1 ist eine Kurzschließeinrichtung für die
Unterdrückung eines Störlichtbogens bekannt geworden, die aus
einem Kurzschluß- bzw. Kurzschließzylinder und Thyristoren
besteht, wobei durch die Thyristoren der Kurzschluß hergestellt
werden kann.
Ein Verfahren zur Erhöhung der Abschaltgeschwindigkeit von
Störlichtbögen ist in der DD 2 34 540 A gezeigt und beschrieben.
Es wird vorgeschlagen, antiparallel zwischen die Leiter des
Primärstromkreises geschaltete Leistungsthyristoren
verzögerungsfrei zu zünden und gleichzeitig einen mechanischen
Kurzschließer sowie die den Fehlerort speisenden Schaltgeräte
anzuregen. Die Leistungsthyristoren werden nach dem Einschalten
des mechanischen Kurzschließers wieder gesperrt. Nachteilig ist
hier die Erfordernis eines mechanischen Kurzschließers.
Nach dem Zünden der Thyristoren müssen diese den vollen
Kurzschlußstrom führen bis der Strom auf den mechanischen
Kurzschließer (z. B. Kurzschließer 6 in der DD 2 34 541 A1)
kommutiert.
Da in Niederspannungs-Schaltanlagen mittlerer Größe bereits hohe
Ströme z. B. 30 kA auftreten können, muß eine erhebliche Zahl von
Thyristoren parallel geschaltet werden, um überhaupt die
thermische Leistungsgrenze und insbesondere das Integral i² dt
einzuhalten.
Dies bedeutet neben einen unvertretbar hohen konstruktiven
Aufwand und Platzbedarf für die Anordnung der Thyristoren auch
hohe Kosten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß transiente
Überspannungen zum Selbstzünden von einzelnen Thyristoren führen
können.
Eine weitere Gefahr besteht darin, daß durch den hohen
Stromanstieg Thyristoren zerstört werden können.
Eine Kurzschließeinrichtung, insbesondere zum Löschen von
Störlichbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen ist in der DE 42
35 329 A1 gezeigt und beschrieben. Die Kurzschließeinrichtung
besteht aus Kurzschließpatronen und Thyristoren, die den
Kurzschluß einleiten. Die Patronen werden jedoch nach der
Zündung zerstört und müssen ausgetauscht werden. Nachteilig ist
hier die Einmalverwendbarkeit.
Nachteilig bei der vorgenannten Lösungen ist auch, daß durch die
hohen Ströme auch hohe mechanische Belastungen auf die
Anlagenteile, wie Sammelschienenträger, Stromschienen usw.,
auftreten können. Ungünstig ist ebenso der hohe Abschaltstrom im
Einspeiseschalter.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Thyristor-
Kurzschließer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen,
der mehrmals verwendbar ist oder zumindest kleinere Thyristoren
aufweist und der die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.
Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren hierfür zu
finden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 sowie des Nebenanspruches 19 gelöst,
während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.
Es ist zwar aus der DE-OS 21 11 154 bekannt, eine Induktivität
in Reihe mit einer Kurzschließvorrichtung zu schalten, die
Induktivität ist jedoch nur dazu bestimmt mit einem
Filterkondensator zu schwingen, so daß bei der
Polaritätsumkehrung von Halbleitern, die nicht Teil der
Kurzschließvorrichtung sind, diese selbsttätig löschen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zum Löschen eines
Lichtbogens nicht unbedingt ein metallischer Kurzschluß erzeugt
werden muß. Zum Löschen des Lichtbogens genügt es, den
Spannungswert an den Sammelschienen auf einen von der
geometrischen Auslegung der Anlage abhängigen Wert zu senken.
Dabei löscht der Lichtbogen sicher innerhalb einer vorgegebenen
Zeit. Der Kurzschließerstrom kann dadurch reduziert werden.
Dies ermöglicht den Einsatz wiederum kleinerer Thyristoren oder
sogar den Einsatz eines mehrfach schaltenden Kurzschließers auf
Thyristorbasis.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt
ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und
Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher
beschrieben und erläutert werden.
Wenn die Induktivität der Drossel (Lk) mindestens 1 Mikrohenry
beträgt, verhindert man ein Bersten durch steile Stromanstiege.
Damit die Thyristoren nicht unkontrolliert zünden, ist es
günstig, wenn Dämpfungskondensatoren vorhanden sind, die in
Zusammenarbeit mit Drosseln transiente Spannungen und hohe
Spannungsanstiege von den Thyristoren fernhalten, wobei
Dämpfungswiderstände angeordnet sind, die den
Kondensatorentladestrom im Einschaltmoment begrenzen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Schaltung des Thyristor-Kurzschließers,
Fig. 2 eine zweite Variante der Schaltung des Thyristor-
Kurzschließers in vereinfachter Darstellung,
Fig. 3 eine dritte Variante der Schaltung des Thyristor-
Kurzschließers in vereinfachter Darstellung,
Fig. 4 eine vierte Variante der Schaltung des Thyristor-
Kurzschließers in vereinfachter Darstellung,
Fig. 5 die in Fig. 1 gezeigte Schaltung des Thyristor-
Kurzschließers in vereinfachter Darstellung,
Fig. 6 eine Anordnung mit Stromsammelschienen und
Fig. 7 ein Zeitdiagramm der Ströme und Spannungen im
Lichtbogenfall.
Der in den Fig. 1 bis 5 gezeigte Thyristor-Kurzschließer
dient zur Erhöhung der Abschaltgeschwindigkeit von
Störlichtbögen in offenen oder gekapselten elektrotechnischen
Schaltanlagen, insbesondere im Niederspannungsbereich.
Der Thyristor-Kurzschließer beruht auf dem Prinzip, nach dem
Erkennen eines Störlichtbogens durch entsprechende Sensor- und
Auswerteanordnungen zwischen den Leitern des Primärstromkreises
geschaltete Thyristoren verzögerungsfrei zu zünden und damit dem
Störlichtbogen die zu seiner Existenz notwendige Energie zu
entziehen.
Die Thyristoren werden derart dimensioniert, daß der
Kurzschließer zerstörungsfrei den Kurzschlußstrom beherrscht,
wobei dann eine mehrmalige Verwendung möglich ist.
Ein mehrmals verwendbarer Kurzschließer ist für Anlagen
kleinerer bis mittlerer Kurzschlußleistung im Bereich 6 kA bis 60
kA geeignet.
Bei Niederspannungs-Schaltanlagen werden die Thyristoren mit den
Sammelschienen elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise
schließt man diese an den Hauptsammelschienen an. Nachfolgend
werden die Sammelschienen vereinfacht als Leiter L1, L2 und L3
bezeichnet.
Der in Fig. 1 gezeigte Thyristor-Kurzschließer besteht aus den
Thyristorenpaaren T1, T2 und T3, die jeweils aus antiparallel
geschalteten Thyristoren bestehen, wobei die Thyristorpaare zwar
in der Fig. 1 in Sternschaltung dargestellt sind, vorzugsweise
werden die Thyristoren jedoch aufgrund des günstigeren
Stromflusses in Dreieckschaltung angeordnet.
In dieser Schaltung weisen die Thyristoren der Thyristorpaare
T1, T2, T3 eine Stromführungsdauer von jeweils nur 120° auf, was
in vorteilhafter Weise mit einer thermischen Entlastung der
Halbleiterbauelemente verbunden ist.
Zwischen den Leitern L1, L2, L3 und den Thyristorpaaren T1, T2,
T3 sind die Drosseln Lk angeordnet, die schaltungstechnisch in
Reihe mit den Thyristoren liegen. Die Drosseln Lk steuern die
Stromkommutierung vom Lichtbogen auf den Thyristor und
verhindern einen völligen Spannungszusammenbruch.
Sie werden derart bemessen, daß zwar eine deutliche Reduzierung
des ohne die Drosseln fließenden Kurzschlußstromes erfolgt, daß
aber die im kurzgeschlossenen Zustand an den Leitern L1, L2, L3
verbleibende Spannung noch zum sicheren Verlöschen des
Lichtbogens führt.
Die Drosseln müssen auch bei einem mehrmalig verwendbaren
Kurzschließer derart dimensioniert sein, daß ein übermäßig hoher
Stromanstieg beim Einschalten der Thyristoren vermieden wird.
Ihr Wert liegt daher mindestens im Bereich einiger Mikrohenry.
Das Bersten der Thyristoren steht hier zwar nicht im
Vordergrund. Es muß aber sichergestellt werden, daß die
Thyristorem einen Schaltvorgang ohne jeglichen Schaden
überstehen.
Die min. Induktivität Lk ergibt sich daher aus der maximalen
Spannung in der Anlage und aus dem Thyristor-Herstellergrenzwert
für den kritischen Stromanstieg di/dtcrit.
Zum Beispiel beträgt Lk bei einem Herstellergrenzwert di/dtcrit
= 100 A/µs:
Lk = 400 V √3/100 (A/µs) = 6,38 µH
Bei zu kleiner Dimensionierung der Drosseln oder ohne Drosseln
entsteht durch den hohen Stromanstieg ein kanalartiger Stromfluß
in der Thyristortablette, der zu einem unzulässig hohen lokalen
Temperaturanstieg führt, der ein Bersten des Thyristorgehäuses
zur Folge haben kann.
Bei richtiger Dimensionierung der Drosseln Lk verringert sich
die Stromdichte in diesem kritischem Bereich, so daß höhere
Ströme zum Bersten des Gehäuses erforderlich sind. Der Strom
verteilt sich hierbei gleichmäßiger in der Thyristortablette.
Auch das Versagen eines vorgeordneten Schaltgerätes muß
berücksichtigt werden. Ein Bersten des Thyristors in diesem Fall
ist auszuschließen.
Bei einem Prüfstrom von 500 ms können Thyristoren durch den
Einsatz von den Stromanstieg begrenzende Drosseln abhängig von
ihrer Gehäuseausführung mit dem 25 bis 40-fachen ihres
Nennstromes belastet werden, ohne daß dieser berstet.
Damit kann dieser Thyristor-Kurzschließer mit vorgeordneten
Leistungsschaltern bzw. Einspeiseschalter mehrmals schalten ohne
parallel geschaltete mechanische Kurzschließer.
Selbst wenn der Einspeise-Leistungsschalter versagt, kann der
Thyristor 500 ms lang belastet werden, wobei man dabei in Kauf
nimmt, daß dieser seine Sperrfähigkeit verliert.
Das ungewollte Zünden eines Thyristors ist zu vermeiden, da
dabei ein hoher Stromfluß eingeleitet wird. Es muß deshalb
gewährleistet sein, daß die Thyristoren weder durch Spannung
(vor- und rückwärts) noch durch steile Spannungsanstiege
durchbrechen. Die Sperrspannung der Thyristoren ist deshalb nach
der Höhe der Prüfspannung der Anlage zu bemessen. Desweiteren
sind im Netz auftretende transiente Spannungswellen vom
Thyristor fernzuhalten.
Dies verhindert man durch die in Fig. 1 gezeigte
Schaltungsanordnung.
An den Verbindungspunkten der Drosseln Lk und der Thyristorpaare
T1, T2, T3 sind sternförmig Dämpfungskondensatoren Cd und
Dämpfungswiderstände Rd geschaltet, wobei die
Dämpfungskondensatoren Cd und Dämpfungswiderstände Rd in Reihe
liegen und der Sternpunkt geerdet ist.
Die Dämpfungskondensatoren Cd halten in Zusammenarbeit mit den
Drosseln Lk transiente Spannungen und hohe Spannungsanstiege von
den Thyristoren fern. Die Dämpfungswiderstände Rd begrenzen den
Kondensatorentladestrom im Einschaltmoment.
Beim Thyristor-Mehrmalkurzschließer sind die Bauelemente so zu
dimensionieren, daß sie beim Kurzschließvorgang nicht überlastet
werden. Neben den bereits formulierten Forderungen sind
zusätzlich die Herstellergrenzwerte für di/dt und Integral di/dt
einzuhalten, um das Zerstören des Halbleiters zu verhindern. Der
Stromanstieg kann durch entsprechende Dimensionierung der
Drossel Lk unter dem Grenzwert gehalten werden.
Um das Grenzlastintegral einzuhalten, sollte die Kurzschlußzeit
möglichst gering sein. Der den Kurzschluß abschaltende
Einspeiseschalter sollte daher in Zeiten kleiner 50 ms
unterbrechen, vorzugsweise 20 ms.
Die Thyristoren können auch anders geschaltet sein, wie in den
Fig. 3, 4 und 5 gezeigt ist, wobei die Bauelemente
vereinfacht durch Impedanzen Z1, Z2 und Z3 dargestellt sind.
Ein Kurzschließer in Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt in
Fig. 3 gezeigt. Eine vereinfachte Schaltung mit nur vier
Thyristoren ist in Fig. 4 dargestellt.
Für kleinere Ströme kann auch eine Schaltung gemäß Fig. 5
verwendet werden. Die Thyristoren TH1, TH2, TH3 sind derart
angeordnet, daß der erste Thyristor TH1 zwischen den Leitern L1
und L2, der zweite Thyristor TH2 zwischen den Leitern L2 und L3
und der dritte Thyristor TH3 zwischen den Leiter L3 und L1
geschaltet sind, wobei die Thyristoren TH1, TH2, TH3 in einer
geschlossenen Stromschleife S in gleicher Richtung angeordnet
sind, wie in Fig. 2 angedeutet ist.
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Entstehung und Löschung eines
Störlichtbogens an Stromsammelschienen L1, L2, L3 einer
Niederspannungs-Schaltanlage mit Hilfe eines Thyristor-
Kurzschließers TKS und eines Lichtbogendetektors, der einen
Lichtwellenleiter LWL als Sensor aufweist. Die LWL-Elektronik LE
des Lichtbogendetektors gibt ein Auslösesignal A sowohl an den
Thyristor-Kurzschließer TKS als auch an den Leistungsschalter
LS. Der Kurzschlußstrom Ik′′ beträgt 10 Ka, die Netzspannung
400 V. In bereits beschriebener Weise sind Drosseln Lk
angeordnet, die hier 20 Mikrohenry betragen.
Die Fig. 7 zeigt den Zeitverlauf der Leiterspannungen U12, U23,
U13, die drei den Lichtbogen speisenden Ströme IL1, IL2, IL3,
den Kurzschließerstrom IKS und das Auslösesignal A.
Zum Zeitpunkt t0 erfolgt die Einleitung eines Störlichtbogens
durch Einschalten der Prüfspannung. Zum Zeitpunkt t1 verdampft
der Zünddraht und der Lichtbogen zündet. Im Zeitpunkt t2 wird
der Lichtbogen von der LWL-Elektronik LE erkannt, wodurch der
Thyristor-Kurzschließer TKS und der Leistungsschalter LS einen
Auslöseimpuls A erhalten. Im Zeitpunkt t3 sind alle
Lichtbogenströme gleich null, der Lichtbogen ist gelöscht. Bis
zum Abschalten des Leistungsschalters bei t4 steht noch eine
Spannung von 103/90/84 Veff zwischen den Leitern an, ohne daß es
zum Wiederzünden des Lichtbogens kommt. In den Thyristor-
Kurzschließer TKS fließt ein Strom von 5,6 kA, der unbeeinflußte
Strom wäre dagegen 10 kA.
Da der Strom im Quadrat die thermische Belastung der Halbleiter
beeinflußt, bedeutet dies bereits bei einer Halbierung des
Stromes eine Entlastung der Thyristoren um 75%.
Von einer deutlichen Verringerung des Stromes kann man schon bei
einer 25 prozentigen Reduzierung sprechen.
Für die Belastung der Thyristoren in kleinen Zeiträumen ist ihr
Grenzlastintegral i2 dt, wie bereits erwähnt, ausschlaggebend.
Die Stromstärke fließt also quadratisch in die Belastung der
Thyristoren ein:
Der Strom i sinkt auf 75% (3/4):
Integral i2 dt sinkt auf (3/4)² = 56%
Der Strom i sinkt auf 50% (1/2):
Integral i² dt sinkt auf (1/2)² = 25%
Die Bemessung der Drossel Lk, hier als
Kommutierungsinduktivität, muß in Abhängigkeit des
Kurzschlußstromes und der Schienenanordnung erfolgen. Bei dem in
den Fig. 6 und 7 gezeigten Beispiel dauert die
Lichtbogenlöschung 1,7 ms (t3-t2). Strebt man z. B. 1 ms an muß
die Induktivität entsprechend gesenkt werden.
Die Zeit bis zum Abschalten durch den Leistungsschalter beträgt
hier 32 ms, wobei zur Auslösung ein Unterspannungsauslöser
verwendet wird. Kürzere Auslösezeiten sind jedoch möglich.
Die Lichtbogenspannung ist abhängig von der Geometrie der
Schaltanlage, insbesondere vom Sammelschienenabstand und vom
Abstand der Schiene zu den geerdeten Teilen.
Die Größenordnung ist:
Lichtbogenspannung kleiner 200 V bei
C-förmigen Hauptsammelschienen (horizontal)
Lichtbogenspannung kleiner 100 V bei
C-förmigen Feldsammelschienen (vertikal)
Zur Löschung des Störlichtbogens muß seine Brennspannung
deutlich unterschritten werden (ca. 50%).
Der Kurzschlußstrom hat einen geringen Einfluß auf die
Lichtbogenspannung, der hier vernachlässigt werden kann.
Die Dimensionierung der Drossel ist allerdings unmittelbar von
dem Kurzschlußstrom Iks abhängig, da der Spannungsabfall über
der Drossel im Kurzschlußmoment von der Höhe des fließenden
Stromes abhängt.