DE855602C

DE855602C - Anordnung zur Begrenzung der UEberstroeme in elektrischen Strom-kreisen, insbesondere Starkstromnetzen

Info

Publication number: DE855602C
Application number: DEP51872A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Kesselring
Original assignee: FRITZ KESSELRING GERAETEBAU AG
Current assignee: FRITZ KESSELRING GERAETEBAU AG
Priority date: 1946-04-29
Filing date: 1949-08-13
Publication date: 1952-11-13
Also published as: FR945634A; BE472909A; GB630586A; CH262095A; US2607029A

Description

(WlGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 13. NOVEMBER 1952

p5i8?2VIIIb/2ic

Es ist bereits vorgeschlagen worden, in elektrische Stromkreise, insbesondere in solche mit hohem Stoßkurzschlußstrom, Strombegrenzer einzubauen, durch die unmittelbar nach Auftreten der Störung Impedanzen eingeschaltet werden, und zwar so schnell und in derartiger Größe, daß der sich dann einstellende Höchstwert des Stromes nur etwa das Drei- bis Fünffache des Nennstromes der betreffenden Leitung erreicht. Bei Stromkreisen mit großem Stoßkurzschlußstrom zeigt sich nun aber, daß in der sog. Auslösezeit, d. h. in der Zeit, die verstreicht vom Moment des Auftretens der Störung bis zum Beginn der Impedanzeinschaltung, der Kurzschlußstrom oft sehr erheblich über den Ansprechstrom der Strombegrenzer hinaus ansteigt, wodurch die Einschaltung der Impedanz erschwert, wenn nicht gar unmöglich gemacht wird. Die hohen Anfangsstromwerte bedingen auch große Abmessungen und entsprechend hohe Kosten für derartige Strombegrenzer.

Nach der vorliegenden Erfindung, die eine Anordnung zur Begrenzung der Überströme in elektrischen Stromkreisen, insbesondere Starkstromnetzen betrifft, wird nun dieser Mangel dadurch beseitigt, daß in Reihe mit den Strombegrenzern zusätzliche Induktivitäten von solcher Größe an-

geordnet sind, daß während der Auslösezeit der Strombegrenzer der Strom höchstens auf den doppelten Wert des Ansprechstromes der Strombegrenzer ansteigt. Je nach den äußeren Verhält-.5 nissen kann es zweckmäßig sein, die Induktivitäten so groß zu wählen, daß während der Auslösezeit der Strombegrenzer der Überstrom höchstens auf den ι ,3fachen Wert ihres Ansprechstromes ansteigt. Die zusätzlichen Induktivitäten werden mit Vorteil so ίο dimensioniert, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit unmittelbar nach Auftreten der Störung höchstens 5-10*A/s ist, wobei die Auslösezeit der Strombegrenzer z. B. io~~⁴s beträgt. Im allgemeinen wird man den erforderlichen Iriduktivitätswert durch Verwendung zusätzlicher Drosselspulen erreichen, die mit Vorteil in Form von Luftdrosselspulen ausgeführt sind. Es ist jedoch auch möglich, Drosseln mit Eisenkern, der je nach Bedarf einen Luftspalt erhalten kann, vorzusehen, wobei die ao Dimensionierung zweckmäßigerweise noch so getroffen wird, daß die Sättigung des Kerns frühestens beim Strom im Zeitpunkt des Ansprechens der Strombegrenzer, also frühestens nach Ablauf der Auslösezeit, auftreten darf. Insbesondere bei Neudisponierung von Stromkreisen können jedoch die erforderlichen Induktivitäten auch in Form vergrößerter Streuung von Stromkreiselementen, wie Maschinen und Transformatoren, zur Ausführung gelangen. Aus wirtschaftlichen Gründen vor allem ist es von Bedeutung, daß sowohl die zusätzlichen Drosselspulen als auch die gesamte Stromkreisanordnung einschließlich aller Maschinen und Transformatoren nur noch für den Höchstwert des Überstromes ausgelegt werden müssen, wobei dieser Überstrom im allgemeinen nur ein geringes Vielfaches des Nennstromes erreicht. Unter Berücksichtigung des Umstandes, daß sowohl die dynamische als auch die thermische Beanspruchung quadratisch vom Strom abhängt, ergibt sich, daß insbesondere derartige Drosselspulen eine Beanspruchung erfahren, die nur einige Prozent derjenigen üblicher Reaktanzspulen erreicht. An Stelle von Drosseln mit Eisenkern können auch Reihentransformatoren vorgesehen werden, wobei dann der Strombegrenzer auch auf der Sekundärseite des Reihentransformators liegen kann. Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Wicklungsverhältnisse so zu gestalten, daß hierdurch der Strom des Strombegrenzers verkleinert wird, insbesondere kleiner ist als der primäre Hauptstrom. Das Ansprechen des Strombegrenzers kann von der Größe des Überstromes abhängig gemacht werden. Im allgemeinen ist es jedoch zweckmäßig, sowohl die Größe des Uberstromes als auch die Stromanstiegsgeschwindigkeit für die Auslösung heranzuziehen.

In Fig. ι ist ein beispielsweiser Stromverlauf mit

und ohne zusätzliche Induktivität eingezeichnet, während Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von beispielsweisen Anordnungen nach der Erfindung zeigen.

In Fig./i bedeutet i„ den Momentanwert des Nennstromes, T_n den Höchstwert des Nennstromes und I_a den Ansprechstrom der Strombegrenzer.

Zum Zeitpunkt t₀ trete ein Kurzschluß auf. Sofern keine zusätzlichen Induktivitäten vorhanden sind, steigt der Strom nach der Kurve i' bis zu dem Höchstwert /' an. Insbesondere erreicht i' nach Ablauf der Auslösezeit Δ t Werte, die bereits ein Vielfaches des Ansprechstromes I_a der Strombegrenzer sind. Durch Einbau von zusätzlichen Induktivitäten wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit von

dem früheren Wert | —- ) auf den kleineren Wert dt

-τ— abgesenkt. Der Höchstwert des Stromes

beträgt nun noch /, und nach Ablauf der Auslösezeit Δ t hat der Strom t höchstens den doppelten Wert von I_a erreicht. Nach Einschaltung der Impedanzen verringert sich der Strom auf den Werti^, der im allgemeinen leicht abgeschaltet werden kann. In Fig. 2 bedeutet 1 das speisende Kraftwerk, 2 die zusätzliche Induktivität in Form einer Drosselspule, 3 den Strombegrenzer in Form eines sich unter dem Einfluß der Feder 4 sehr schnell einschaltenden Widerstandes 5; 6 ist das Auslöserelais, das z. B. auf die Größe des Stromes i, abgegriffen am Shunt 7, und seiner Anstiegsgeschwindigkeit anspricht. Durch Schließen eines nicht dargestellten Kontaktes im Auslöserelais wird die Batterie 8 auf den Auslösemagneten 9 geschaltet; 10 ist die Belastung und 11 die Kurzschlußstelle.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist nun folgende: Im störungsfreien Betrieb fließt der Stromi„ vom Kraftwerk 1 über die Drosselspule 2 und den Strombegrenzer 3 zum Verbraucher 10 und von da zurück zum Kraftwerk 1. Zum Zeitpunkt t„ (siehe Fig. 1) trete nun an der Stelle 11 ein Kurzschluß auf. Dies hat zur Folge, daß sowohl der Strom selbst als auch seine Anstiegsgeschwindigkeit so groß werden, daß das Auslöserelais 6 anspricht, wodurch der Auslösemagnet 9 an Spannung gelegt wird. Nach Ablauf der Auslösezeit Δ t ist die Entklinkung des Strombegrenzers 3 vollzogen, womit die Einschaltung des Widerstandes 5 und damit die Strombegrenzung einsetzt. Erfindungsgemäß soll nun die Drossel 2 so bemessen sein, daß während der Zeit Δ t der Kurzschlußstrom i höchstens den doppelten Wert des Ansprechstromes I_a erreicht. Nach Einschaltung des Widerstandes 5 sinkt der Strom auf den kleinen Wert i_w ab, der wenn nötig in einfacher Weise, z. B. mit Hilfe eines in der Fig. 2 nicht dargestellten Last- oder Trennschalters, unterbrochen werden kann. Die Drosselspule 2 und auch alle übrigen Teile der Geräte und Maschinen dee Netzes werden nur noch mit dem Strom / (vgl. Fig. 1) beansprucht.

Fig. 3 zeigt schließlich noch eine Anordnung, bei der die zusätzliche Induktivität in Form eines iao Reihentransformators ausgebildet ist. Es bedeutet den Eisenkern, 21 die Primär- und 22 die Sekundärspule des Transformators; 23 ist der Widerstand des auf der Sekundärseite liegenden Strombegrenzers 26; 24 ist ein Überbrückungsschalter 1*5 mit der Auslösespule 25.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Im normalen, störungsfreien Betrieb ist der Reihentransformator sekundär kurzgeschlossen, da der Schalter 24 den Widerstand 23 überbrückt. Die Dimensionierung ist jedoch so getroffen, daß die Kurzschlußstreuung des Reihentransformators gerade dem erforderlichen Wert der zusätzlichen Induktivität entspricht. Tritt beispielsweise ein Kurzschluß auf, so erhält die Auslösespule 25, z. B. in ähnlicher Art, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, Strom. Hierdurch öffnet sich nach Ablauf der Auslösezeit A t der Schalter 24, und es wirkt nun der Widerstand 23 als Sekundärbelastung des Reihentransformators. Hierdurch verwandelt sich der zunächst kurzgeschlossene Reihentransformator in einen schwach belasteten Transformator, wodurch er als große Induktivität im Primärkreis wirksam wird. Wird der Widerstand 23 beispielsweise als ein Widerstand mit großem positivem ao Temperaturkoeffizienten ausgeführt, so befindet sich der Transformator am Ende des Vorganges annähernd im Leerlauf, wodurch die volle Leerlaufinduktivität nun zur Wirkung gelangt.

Es ist selbstverständlich möglich, die zusätzaj liehen Induktivitäten, wenn sie in Form von zusätzlichen Drosselspulen nach Fig. 2,· Reihentransformatoren nach Fig. 3 u. dgl. vorliegen, mit dem Strombegrenzer zu einer konstruktiven Einheit zusammenzubauen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination eines Strombegrenzers mit zusätzlichen Induktivitäten gegenüber einem Strombegrenzer für entsprechend größere Leistung sind von großer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung für den Bau kurzschlußstromfreier Netze. Einige der wichtigsten dieser Vorteile sind: Das Auslöserelais kann wesentlich einfacher ausgeführt werden, da für seinen Ansprechvorgang nun ausreichend Zeit zur Verfügung steht. Die Einschaltung der Impedanzen (Widerstände) läßt sich leichter durchführen, da der Augenblickswert des Stromes, bei dem die Schaltungen vorgenommen werden müssen, wesentlich kleiner ist. Die thermische und dynamische Beanspruchung der Impedanzen, insbesondere wenn sie als Ohmsche Widerstände ausgeführt sind, verringert sich bedeutend, was zu einer viel wirtschaftlicheren Konstruktion mit kleineren Abmessungen des Strombegrenzers führt. Der Höchstwert des Stromes läßt sich noch weiter herabsetzen, ohne daß infolge zu schneller Impedanzeinschaltung unzulässig große Spannungserhöhungen auftreten. Die zusätzlichen Induktivitäten, insbesondere die Drosselspulen, brauchen nur noch für diesen kleinen Höchstwert des begrenzten Stromes bemessen wer-.55 den, wodurch die Drosseln in ihrer Ausführung klein und billig werden und auch der Spannungsabfall an den zusätzlichen Induktivitäten, hervorgerufen durch den Nennstrom, sich leicht in den zulässigen Grenzen halten läßt. Man erkennt somit, daß die erfindungsgemäße Kombination von Strombegrenzern mit zusätzlichen Induktivitäten eine große Zahl von Vorteilen in sich vereinigt. Bei Netzen für mäßige Spannung (bis etwa 20 kV) und großen Kurzschlußleistungen wird das Problem der Schaffung kurzschlußstromfreier Netze überhaupt erst durch diese Kombination ermöglicht.

Claims

PatentansprCche:

Ί. Anordnung zur Begrenzung der Überströme in elektrischen Stromkreisen, insbesondere Starkstromnetzen, unter Verwendung von Strombegrenzern, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den Strombegrenzern zusätzliche Induktivitäten von solcher Größe angeordnet sind, daß in der Zeit vom Auftreten der Störung bis zur Auslösung der Strombegrenzer der Strom höchstens auf den doppelten Wert des Ansprechstromes der Strombegrenzer ansteigt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten so bemessen sind, daß in der Zeit vom Auftreten der Störung bis zur Auslösung der Strombegrenzer der Strom höchstens auf den i,3fachen Wert des Ansprechstromes der Strombegrenzer ansteigt.
3. Anordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine solche Dimensionierung der zusätzlichen Induktivitäten, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit höchstens 5 · io⁶ A/s ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Induktivitäten in Form von getrennt angeordneten Drosselspulen ausgebildet sind.
5. Anordnung nach Ansprüchen ι und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen für den Höchstwert des begrenzten Uberstromes bemessen sind.
6. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen als Luftdrosselspulen ausgeführt sind.
7. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen mit Eisenkernen ausgeführt und so dimensioniert sind, daß eine Sättigung des Eisens frühestens beim Strom im Zeitpunkt des Ansprechens der Strombegrenzer auftritt.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Induktivitäten die zu diesem Zweck vergrößerte Streuinduktivität von Stromkreiselementen dienen.
9. Anordnung nach Ansprüchen >i und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit vergrößerter Streuinduktivität versehenen Teile nur für den Höchstwert des begrenzten Überstromes bemessen sind.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Induktivität durch die Kurzschlußinduktivität eines Reihentransformators gegeben ist, wobei der Strombegrenzer auf der Sekundärseite des Transformators eingebaut ist.
11. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 10, gekennzeichnet durch eine derartige Dimensionierung des Reihentransformators, daß der sekundäre, noch nicht begrenzte Kurzschluß-

strom des Reihentransformators kleiner ist als tivität verminderte Stromanstiegsgeschwindig-

der Primärstrom. keit gleichzeitig vorbestimmte Werte über-
12. Anordnung nach Anspruch i, gekenn- schreiten, zeichnet durch die Verwendung von ■Strom

begrenzern, die erst dann ansprechen, wenn der Strom und die durch die zusätzliche Induk-

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 220 531, 160 557.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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