DE9417338U1

DE9417338U1 - Thyristor-Kurzschließer zum Löschen von Störlichtbögen in Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere Niederspannungs-Schaltanlagen

Info

Publication number: DE9417338U1
Application number: DE9417338U
Authority: DE
Original assignee: Kloeckner Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2004-10-29

Description

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Thyristor-Kurzschließer zum Löschen von Störlichtbögen in Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere Niederspannungs-Schaltanlagen.

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 Störlichtbogen kommen.

Um Verletzungen von Personen und Materialschäden durch Störlichtbogen 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 Schaden vermieden und das Ausmaß der Nutzung der Schaltanlage erhöht werden können.

Aus der DD 233 253 Al 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 234 540 A gezeigt und beschrieben. Es wird vorgeschlagen antiparallel zwischen die Leiter des Primärstromkreises geschaltete Leistungsthyristoren verzögerungsfrei zu zünden und gleichzeitig einen mechanischen

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Kurzschließer sowie die den Fehlerort speisenden Schaltgeräte anzuregen.

Eine Kurzschließeinrichtung, insbesondere zum Löschen von Störlichbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen ist in der DE 42 35 329 Al gezeigt und beschrieben. Die Kurzschließeinrichtung besteht aus Kurzschließpatronen und Thyristoren, die den Kurzschluß einleiten.

Damit der Kurzschluß in jeder Phasenlage eingeleitet werden kann, sind bei der DD 233 253 Al, DD 234 540 A oder DE 42 35 329 Al immer zwei Thyristoren antiparallel geschaltet. Dies bedeutet aber hohen schaltungstechnischen Aufwand, da immer nur einer von beiden Thyristoren tatsächlich gezündet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Thyristor-Kurzschließer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, bei dem der schaltungstechnische Aufwand in einfacher Weise verringert wird.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, während in den ünteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

In einfacher Weise wird der schaltungstechnische Aufwand reduziert, da mindestens ein Thyristor eingespart werden kann, wobei der Kurzschließer als Einmal- oder Mehrmals-Kurzschließer gestaltet sein kann.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher

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beschrieben und erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung des Thyristor-Kurzschließers,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Thyristor-Kurzschließers ,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild von einem Netz mit Thyristor-Kur &zgr; schließer-Anordnung,

Fig. 4 eine Netzspannungskurve,

Fig. 5 eine zu der Fig. 4 korrespondierende Net&zgr;stromkurve,

Fig. 6 eine zu der Fig. 5 korrespondierende Ventilspannungskurve und

Fig. 7 eine zu der Fig. 6 korrespondierende Ventilstromkurve,

Der in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Thyristor-Kur&zgr;schließer 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 entweder derart dimensioniert, daß eine einmalige Schaltung des Kurzschlußstromes bis zum Abschalten

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durch vorgeordnete Schutzorgane beherrscht wird oder derart, daß der Kurzschließer zerstörungsfrei den Kurzschlußstrom beherrscht, wobei dann eine mehrmalige Verwendung möglich ist.

Ein mehrmals verwendbarer Kurzschließer ist für Anlagen kleinere bis mittlere Kuzschlußströme. Der Kurzschließerstrom beträgt dann etwa 6 kA bis 30 kA, wobei der Kurzschlußstrom der Anlage höher sein kann, weil er durch eine Drossel Lk begrenzt.

Ein Einmal-Kurzschließer ist für Ströme bis 65kA geeignet. Versuche habe bestätigt, daß der Einmal-Kurzschließer Prüfströme in diesen Bereich ohne mechanische Zerstörung übersteht, so daß Lichtbogen auch bei großen Schaltanlagen, die bisher nur mit metallischen Kurzschließern (Firmendruckschrift "Entscheidende Sicherheit in Millisekunden", Klöckner-Moeller GmbH, Druckvermerk W 46-7352) versehen worden sind, sicher gelöscht werden.

Bei Niederspannungs-Schaltanlagen werden die Thyristoren mit den Sammelschienen elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise schließt man diese an den Hauptsammeischienen an. Nachfolgend werden die Sammelschienen vereinfacht als Leiter Ll, L2 und L3 bezeichnet.

Der in Fig. 1 gezeigte Thyristor-Kurzschließer besteht aus den Thyristoren Tl, T2 und T3.

Die Thyristoren Tl, T2, T3 sind derart angeordnet, daß der erste Thyristor Tl zwischen den Leitern Ll und L2, der zweite Thyristor T2 zwischen den Leitern L2 und L3 und der dritte Thyristor T3 zwischen den Leiter L3 und Ll geschaltet sind, wobei die Thyristoren Tl, T2, T3 in einer geschlossenen Stromschleife S in gleicher Richtung angeordnet sind, wie in Fig. 2 angedeutet ist.

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In dieser Schaltung weisen die Thyristoren Tl, T2, T3 eine Stromführungsdauer von jeweils 240° auf, im Gegensatz zu den bekannten Kurzschließern, so daß immer zwei Thyristoren gleichzeitig gezündet werden können. Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Schaltung ermöglicht das Einleiten des Kurzschlusses in jeder Netzphase und bietet in vorteilhafter Weise einen geringeren Bauelementeaufwand im Vergleich zum Stand der Technik durch den Einsatz von nur drei Thyristoren.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild. Die in Fig. 3 dargestellten Reaktanzen XN, bestehend aus Traforeaktanzen und Netzreaktanzen, sowie die Netzresistanzen RN sind mit Drosseln Lk (Reaktanz XL), Dämpfungswiderständen Rd und Dämpfungskondensatoren Cd zu Impedanzen Zl, Z2, Z3 zusammengefaßt.

Die Figuren 4 und 5 zeigen die Netzspannung- und Netzstrom sowie Ventilspannung und -strom der Leistungsthyristoren.
Wie aus den Figuren 6 und 7 zu sehen ist, führen immer zwei Thysistoren den Strom, wobei die Stromführungsdauer 240° beträgt.

Zwischen den Leitern Ll, L2, L3 und den Thyristoren Tl, 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.
Sie werden derart bemessen, daß die im kurzgeschlossenen Zustand an den Leitern Ll, L2, L3 verbleibende Restspannung noch zum sicheren Verlöschen des Lichtbogens führt.

Die Drosseln müssen, insbesondere bei einem einmalig verwendbaren Kurzschließer, derart dimensioniert sein, daß ein übermäßig hoher Stromanstieg beim Einschalten der Thyristoren vermieden wird. Ihr Wert liegt daher im Bereich einiger

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Mikrohenry.

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.

Bei einem Prüfstrom von 500 ms können Thyristoren abhängig von ihrer Gehäuseausführung mit maximal dem 25 bis 40-fachen ihres Nennstromes belastet werden.

Damit kann dieser Thyristor-Kurzschließer ohne parallel geschaltete mechanische Kurzschließer eingesetzt werden.

Das ungewollte Zünden eines Thyristors ist insbesondere beim einmaligen Kurzschließer unter allen Umständen zu vermeiden, da dabei ein Sammelschienenkurzschluß eingeleitet wird. Aufgrund der Unterdimensionierung des Thyristors würde dieser seine Sperrfähigkeit unter Umständen schon nach einer Halbwelle verlieren und einen permanenten Kurzschluß in der Anlage erzeugen. 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 Schaltungsanordnung.

durch die in Fig.

gezeigte

An den Verbindungspunkten der Drosseln Lk und der Thyristoren

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Tl, T2, T3 sind sternförmig Dämpfungskondensatoren Cd und Dämpfungswiderstände Rd geschaltet, wobei die Dämpfungskondensatoren Cd und Dämpfungswider stände Rd in Reihe liegen und der Sternpunkt geerdet ist. Die Dämpfungselemente können natürlich auch in Dreieckschaltung eingesetzt werden
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 50ms unterbrechen, vorzugsweise 20 ms oder kürzer.

Claims

1. Thyristor-Kurzschließer zum Löschen von Störlichtbogen in Schaltanlagen zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere Niederspannungs-Schaltanlagen, bestehend aus Thyristoren, wobei die Thyristoren Leistungsthyristoren sind, die nach ihrer Zündung einen SpannungsZusammenbruch an den Hauptstrombahnen bewirken, verursacht infolge des hohen Stromes, der durch die Leistungsthyristoren fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (Tl, T2, T3) derart angeordnet sind, daß der erste Thyristor (Tl) zwischen dem ersten und zweiten Leiter (Ll und L2) , der zweite Thyristor (T2) zwischen dem zweiten und dritten Leiter (L2 und L3) und der dritte Thyristor (T3) zwischen dem dritten und ersten Leiter (L3 und Ll) im Störlichtbogenfall geschaltet werden, wobei die Thyristoren (Tl, T2, T3) in einer geschlossenen Stromschleife (S) in gleicher Richtung angeordnet sind.

2. Thyristor-Kurzschließer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor-Kurzschließer als Einmalkurzschließer dimensioniert ist, wobei die Thyristoren (Tl, T2, T3) mit einem derart hohen Strom beaufschlagt werden, daß einerseits die Thyristoren (Tl, T2, T3) ihre Sperrfähigkeit verlieren und andererseits die Thyristoren (Tl, T2, T3) unterhalb ihrer Berstgrenze betrieben werden.

3. Thyristor-Kurzschließer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Thyristoren (Tl, T2, T3) fließende Strom den 25 bis 40 fachen Wert des Thyristornennstromes beträgt.

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4. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Senkung der Stromsteilheit im Einschaltmoment und zur Verhinderung von Plasmabildung in der Thyristortablette jeweils eine Drossel (Lk) in Reihe mit den Thyristoren (Tl, T2, T3) geschaltet ist.

5. Thyristor-Kurzschließer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Drossel (Lk) 1 bis 10 Mikrohenry beträgt.

6. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren (Tl, T2, T3) für eine Stromflußzeit von 500 ms bemessen sind.

7. Thyristor-Kurzschließer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor-Kurzschließer ein Mehrmals-Kurzschließer ist, wobei die Bauelemente derart dimensioniert sind, daß sie beim Kurzschließvorgang nicht überlastet werden und die Herstellergrenzwerte für di/dt und Integral di/dt eingehalten werden, um das Zerstören des Halbleiters zu verhindern.

8. Thyristor-Kurzschließer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromanstieg di/dt durch entsprechende Dimensionierung einer Drossel Lk unter dem vom Hersteller der Thyristoren angegebene Grenzwert gehalten wird.

9. Thyristor-Kurzschließer nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kurzschluß abschaltende Einspeiseschalter in weniger als 50ms unterbrechen kann.

10. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Baugruppen zum Schutz der Thyristoren (Tl, T2, T3) gegen Durchbruch

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aufgrund transienter Spannungsimpulse im Netz angeordnet sind.

11. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Zünden der Thyristoren (Tl, T2, T3) vorhanden sind, die aus elektronischen Baugruppen bestehen.

12. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungskondensatoren (Cd) vorhanden sind, die in Zusammenarbeit mit Drosseln (Lk) transiente Spannungen und hohe Spannungsanstiege von den Thyristoren fernhalten.

13. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dämpfungswiderstände (Rd) angeordnet sind, die den Kondensatorentladestrom im Einschaltmoment begrenzen.

14. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungspunkten von Drosseln (Lk) und der Thyristoren (Tl, T2, T3) stern- oder dreieckf örmig Dämpfungskondensatoren (Cd) und Dämpfungswiderstände (Rd) geschaltet sind, wobei die Dämpfungskondensatoren (Cd) und Dämpfungswiderstände (Rd) in Reihe liegen.

15. Thyristor-Kurzschließer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung der Thyristoren (Tl, T2, T3) nach der Höhe der Prüf spannung der Anlage bemessen ist.