EP3629352A1 - Kurzschlussstrombegrenzer - Google Patents

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Publication number
EP3629352A1
EP3629352A1 EP18197446.0A EP18197446A EP3629352A1 EP 3629352 A1 EP3629352 A1 EP 3629352A1 EP 18197446 A EP18197446 A EP 18197446A EP 3629352 A1 EP3629352 A1 EP 3629352A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
short
current
circuit current
current limiter
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18197446.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter KRÄMER
Christian Schacherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP18197446.0A priority Critical patent/EP3629352A1/de
Priority to PCT/EP2019/075363 priority patent/WO2020064558A1/de
Publication of EP3629352A1 publication Critical patent/EP3629352A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/10—Adaptation for built-in fuses
    • H01H9/106—Adaptation for built-in fuses fuse and switch being connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts

Definitions

  • the invention relates to a short-circuit current limiter according to the preamble of patent claim 1.
  • the nominal current path In the event of a short circuit, the nominal current path is opened, which creates an arc.
  • the arc voltage causes the current to commutate completely into the parallel path with the fuse, thereby extinguishing the arc.
  • the impedance of the parallel current path and that of the nominal current path must be matched to one another in order to enable the short-circuit current to be commutated.
  • the current through the fuse should not become too large during rated operation so that the fuse does not trip prematurely.
  • the object of the invention is to provide a short-circuit current limiter which, compared with the prior art, is suitable, with little technical outlay, for the current flow to commute from the nominal current path into the parallel current path in the event of a short circuit.
  • the short-circuit current limiter comprises an interrupter unit and a current limiting unit connected in parallel therewith.
  • the current limiting unit includes a fuse element.
  • the invention is characterized in that the current limiting unit also comprises a component with a non-linear conductivity, this component being connected in series with the fuse element.
  • the interrupter unit is located here in a nominal current path and the fuse element with the component connected in series in a parallel current path.
  • the short-circuit current limiter In rated operation, the short-circuit current limiter is embedded in a functioning electricity network. Both the fuse element and the interrupter unit have a low resistance in nominal operation, so that the current would be divided over both paths if no further measures are taken.
  • the additional component with the non-linear conductivity has a high resistance at low voltages, i.e. with a low resistance in the nominal current path, and prevents a significant proportion of the current from flowing through the limiting unit during nominal operation. If a fault or short-circuit current occurs, the contacts of the interrupter unit in the nominal current path are opened. As a result of the current rise and above all due to the arcing voltage occurring in the interrupter unit between the two contacts, the voltage occurring there exceeds the threshold voltage of the nonlinear component. This non-linear component becomes low-resistance above the threshold voltage and the current commutates into the parallel current path.
  • the component is a semiconductor component.
  • a diode, a thyristor, an IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode, English insulated-gate bipolar transistor), an IGCT (integrated gate-commutated thyristor) or a field-effect transistor is particularly suitable for this purpose.
  • a diode is particularly preferred because it can be produced inexpensively.
  • a diode is an electrical component that allows current to pass in one direction and blocks the flow of current in the other direction.
  • a thyristor is a switchable component, in particular a semiconductor component, which means that the thyristor is non-conductive in an initial state and is switched on by a small current at an electrode, a gate electrode. After switching on, the thyristor remains conductive until the next current zero crossing, even without gate current.
  • the current limiting unit has at least two anti-parallel components. This enables the described invention to be used in an AC voltage circuit. Depending on the prevailing current direction, one component is always switched in the blocking or through direction. It has been found that two antiparallel connected diodes are particularly advantageous since the voltage occurring across the closed nominal current path is below the forward voltage of a diode. However, all other possible components mentioned can also be used in the described anti-parallel circuit.
  • the short-circuit current limiter is designed in such a way that the short-circuit current I1 to be limited is between 10 kiloamperes and 80 kiloampere, in particular between 10 kiloampere and 50 kiloampere.
  • the corresponding components can also be designed with a relatively low threshold voltage.
  • the voltage drop U11 across the interrupter unit is less than the threshold voltage of the nonlinear component. Only when the threshold voltage of the component is exceeded does the current commutate into the parallel current path.
  • the threshold voltage of the component is preferably in a range from 0.1 volt and 1.5 volt, particularly preferably in a range between 0.2 volt and 0.8 volt. In this voltage range, inexpensive components are available, which can also be connected in series if necessary. Two antiparallel components can also be connected in series.
  • the contact resistance of the interrupter unit of the short-circuit current limiter is preferably between 5 ⁇ and 200 ⁇ , particularly preferably between 10 ⁇ and 60 ⁇ .
  • the short-circuit current limit is particularly preferably designed for use in a high-voltage or medium-voltage network.
  • a short-circuit current limiter according to the state of the art is shown.
  • this comprises a nominal current path 12 which can be interrupted by an interrupter unit 4.
  • the interrupter unit 4 is generally a one-time switch with a gas insulation section.
  • the current limiter 2 comprises a parallel current path 14, in which a current limiting unit 6 is arranged, which essentially comprises a fuse element 8.
  • the nominal current path 12 is opened, an arc being formed.
  • the arc voltage brings about a complete commutation of the current into the parallel current path 14 with the fuse element 8, the arc extinguishing and the fuse element starting to melt.
  • the fuse element only begins to limit the current when the nominal current path is safely isolated by the interrupter unit. It is necessary for the impedance of the parallel current path and that of the nominal current path to be matched accordingly so that commutation takes place from the nominal current path 12 into the parallel current path 14 in the event of a short circuit. Another challenge when choosing the fuse element and the resulting impedance is that in rated operation the current that flows through the fuse element 8 does not become too high, so that the fuse element is not destroyed during the nominal operation by melting.
  • a voltage U 11 drops due to a contact resistance R, which is, however, relatively low due to the low contact resistance R, which is preferably in the range between 5 ⁇ ⁇ and 200 y ⁇ , particularly preferably between 10 ⁇ ⁇ and 60 ⁇ ⁇ .
  • the voltage U 11 is between 0.1 volts and 1.5 volts, preferably between 0.2 volts and 0.8 volts. This low resistance and the resulting low voltage drop mean that a relatively high current flow can take place.
  • the current I 1 which flows along the nominal current path 12 during nominal operation, can be between 0.8 kA and 4 kA, preferably between 1 kA and 4 kA.
  • the resistance R 1 results from the sum of the contact resistance between two contacts, not shown here, and the resistance of the connection or the contact bolt of the interrupter unit 4, which is preferably designed in the form of a vacuum interrupter, and the resistance of the connection lines.
  • the diode 11 or the diode 13 blocks the parallel current path 14, so that no or only a very small current can commute from the nominal current path 12 into the parallel current path 14.
  • the fuse element 8 can thus be designed with a relatively low impedance, so that the current can commute into the parallel current path 14 in the event of a short circuit and when the threshold voltage U 15 is exceeded.
  • FIG 3 is an equivalent circuit diagram of the representation according to Figure 2, in which the impedance Z, the voltage U 11 and U 15 and the current flows I 1 and the current flow I 2 to be described is shown.
  • the current flow I 3 describes the mains current flow, which is divided into the currents I 1 and I 2 depending on the switching state of the short-circuit current limiter 2.
  • Figure 4 the occurrence of a fault or short-circuit current is shown, in which the interrupter unit 4 opens in a very short time, in particular less than 3 ms, as a result of which an arc arises between two contacts of the interrupter unit 4, not shown here.
  • This arcing also creates an arc voltage U 12 , which is higher than the threshold voltage U 15 of the component 10.
  • the nominal voltage U 11 rises so much due to the current rise and the arc that it becomes the voltage U 12 and the threshold voltage U 15 of the component 10 is exceeded , which leads to the fact that the diode 11 or the diode 13 becomes conductive depending on the current polarity of the alternating current and the current I 3 commutates into the parallel current path 14 in the form of the current I 2 . If the current in the main current path I 1 is close to zero, the arc extinguishes. As soon as the isolating section of the interrupter unit has reached its dielectric strength, the fuse element melts and limits the short-circuit current.
  • diodes 11 and 13 actively controlled components such as thyristors, spark gaps or triggered vacuum switches can also be used.
  • IGBTs or IGCTs as well as field effect transistors can also be used.
  • the advantage of diodes is that they are relatively cheap compared to the active components mentioned and even diodes 11, 13 with relatively low threshold voltages of 0.3 V to 4 V can be used. This is in turn due to the fact that the contact resistance R 1 , which drops via the contact in the interrupter unit 4, in particular in the vacuum interrupter, is also very low, which in turn enables the use of a diode with a low threshold voltage.
  • the impedances of the parallel circuit 14 must be designed as a compromise for the nominal condition and for the current commutation. Due to the arrangement described, which is based on the strong non-linearity based on the component characteristics, in particular the diode characteristics, an excessive current flow I 2 through the parallel current path 14 is prevented in nominal operation. The boundary condition of the maximum current during rated operation for the fuse element 8 is thus eliminated and the impedance of the fuse element can be designed as low as possible.
  • Typical threshold voltages U 15 of conventional diodes 11, 13 are of the same order of magnitude as the voltage drop in an interrupter unit 4, in particular in a vacuum interrupter at typical nominal currents in medium-voltage networks and high-voltage networks.
  • inexpensive, commercially available components 10, in particular diodes 11 and 13 can be used, which makes the arrangement described particularly inexpensive compared to the prior art.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussstrombegrenzer umfassend eine Unterbrechereinheit (4) in einem Nennstrompfad (12) und eine hierzu in einem Parallelstrompfad (14) parallel geschaltete Strombegrenzungseinheit (6), wobei die Strombegrenzungseinheit (6) ein Sicherungselement (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) zudem ein Bauelement (10) mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit umfasst und das mit dem Sicherungselement (8) im Parallelstrompfad (14) in Reihe geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In elektrischen Stromkreisen, insbesondere zur Energieversorgung im Mittelspannungsbereich und im Hochspannungsbereich, kommt es beispielsweise bei Versagen einer Isolation zu Kurzschlüssen. Durch den Kurzschluss fließen große Ströme, die gegebenenfalls Betriebsmittel im Energieversorgungsnetz beschädigen oder zerstören können. Durch den Ausbau von dezentralen Einspeiseanlagen kann der Kurzschlussstrom so weit ansteigen, dass die Bemessungswerte der bestehenden Betriebsmittel überschritten werden. Eine Möglichkeit, einen unzulässig hohen Kurzschlussstrom zu verhindern, ist der Einsatz von strombegrenzenden Geräten. Das Prinzip einiger kurzschlussstrombegrenzender Geräte besteht darin, dass schnelle Unterbrechereinheiten das Abschalten des Kurzschlussstroms gewährleisten. Für den Normalbetrieb existiert dabei ein Nennstrompfad, der im Kurzschlussfall geöffnet werden kann. Parallel zum Nennstrompfad befindet sich ein weiterer Strompfad mit einer Sicherung, beispielsweise einer Schmelzsicherung, die den Kurzschlussstrom abschalten kann.
  • Bei einem Kurzschluss wird der Nennstrompfad geöffnet, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung bewirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Parallelpfad mit der Sicherung, wodurch der Lichtbogen erlischt. Bei dieser Anordnung müssen die Impedanz des Parallelstrompfades und die des Nennstrompfades aufeinander abgestimmt sein, um die Kommutierung des Kurzschlussstroms zu ermöglichen. Zudem sollte im Nennbetrieb der Strom durch die Sicherung nicht zu groß werden, damit die Sicherung nicht vorzeitig auslöst.
  • Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz des Parallelstrompfades im Nennbetrieb, um die Sicherung nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Impedanz im Kurzschlussfall, um den Strom im Parallelstrompfad kommutieren zu können.
  • Um diesem Zielkonflikt entgegenzutreten, gibt es Anwendungen, bei denen der Hauptstrompfad bei Auftreten eines Fehlers im Netz aufgesprengt wird. Dies führt zu einer sehr hohen Lichtbogenspannung, die den Strom auch in den Parallelstrompfad mit einer vergleichsweisen hohen Impedanz kommutieren lässt. Die Sicherung im Parallelstrompfad muss den Strom so lange tragen, bis die Trennstrecke im Nennstrompfad die auftretende Spannung isolieren kann. Danach unterbricht die Sicherung den Strompfad und der Kurzschlussstrom ist ausgeschaltet. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen hohen technischen Aufwand, in sehr kurzer Zeit den Hauptstrompfad zu sprengen. Eine zusätzliche Sprengladung oder Sprengvorrichtung im Hauptstrompfad ist erforderlich. Diese muss in sehr kurzer Zeit gezündet werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kurzschlussstrombegrenzer bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik mit einem geringen technischen Aufwand dazu geeignet ist, dass in einem Kurzschlussfall der Stromfluss vom Nennstrompfad in Parallelstrompfad kommutiert.
  • Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kurzschlussstrombegrenzer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Der erfindungsgemäße Kurzschlussstrombegrenzer nach Patentanspruch 1 umfasst eine Unterbrechereinheit und eine hierzu parallel geschaltete Strombegrenzungseinheit. Die Strombegrenzungseinheit umfasst dabei ein Sicherungselement. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strombegrenzungseinheit zudem ein Bauelement mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit umfasst, wobei dieses Bauelement mit dem Sicherungselement in Reihe geschaltet ist. Dabei befindet sich die Unterbrechereinheit in einem Nennstrompfad und das Sicherungselement mit dem in Reihe geschalteten Bauelement in einem Parallelstrompfad.
  • Im Nennbetrieb ist der Kurzschlussstrombegrenzer in ein funktionierendes Stromnetz eingebettet. Sowohl das Sicherungselement als auch die Unterbrechereinheit haben im Nennbetrieb einen niedrigen Widerstand, so dass sich der Strom auf beide Pfade aufteilen würde, wenn keine weiteren Maßnahmen getroffen werden. Das zusätzliche Bauelement mit der nichtlinearen Leitfähigkeit hat bei niedrigen Spannungen, also bei geringem Widerstand im Nennstrompfad, einen hohen Widerstand und verhindert, dass im Nennbetrieb ein signifikanter Anteil des Stromes durch die Begrenzungseinheit fließt. Beim Auftreten eines Fehler- oder Kurzschlussstroms werden die Kontakte der Unterbrechereinheit im Nennstrompfad geöffnet. Durch den Stromanstieg und vor allem durch die auftretende Lichtbogenspannung in der Unterbrechereinheit zwischen den zwei Kontakten überschreitet die dort auftretende Spannung die Schwellenspannung des nichtlinearen Bauelementes. Dieses nichtlineare Bauelement wird oberhalb der Schwellenspannung niederohmig und der Strom kommutiert in den Parallelstrompfad.
  • Der bisher bestehende Zielkonflikt, die Impedanz des Sicherungselementes im Nennbetrieb möglichst hoch auslegen zu müssen, fällt durch die beschriebene Erfindung weg. Durch die starke Nichtlinearität der Strom-Spannungskennlinie des Bauelementes wird ein Stromfluss durch den Parallelstrompfad im Normalbetrieb nahezu verhindert. Somit fällt die unerwünschte Anforderung, die Sicherung auf den Maximalstrom auszulegen, weg und die Impedanz der Sicherung kann so gering wie möglich gewählt werden. Das in Serie geschaltete Sicherungselement muss daher nicht auf einen Dauerstrom ausgelegt werden, wie dies bei Geräten gemäß des Standes der Technik notwendig ist. Auch kann auf eine technisch aufwendige Sprengvorrichtung für den Nennstrompfad verzichtet werden.
  • In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement. Hierzu ist insbesondere eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, englisch insulated-gate bipolar transistor), ein IGCT (integrated gate-commutated thyristor) oder ein Feldeffekttransistor geeignet. Besonders bevorzugt ist eine Diode geeignet, da diese kostengünstig darstellbar ist.
  • Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom in eine Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Unter einem Thyristor wird ein einschaltbares Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement verstanden, was bedeutet, dass der Thyristor in einem Ausgangszustand nichtleitend ist und durch einen kleinen Strom an einer Elektrode, einer Gateelektrode eingeschaltet wird. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom bis zum nächsten Stromnulldurchgang leitend.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Strombegrenzungseinheit mindestens zwei antiparallel gerichtete Bauelemente auf. Dies ermöglicht eine Anwendung der beschriebenen Erfindung in einem Wechselspannungskreis. Je nach vorherrschender Stromrichtung ist immer ein Bauelement in Sperr- bzw. Durchgangsrichtung geschaltet. Es hat sich dabei herausgestellt, dass hierbei zwei antiparallel geschaltete Dioden besonders vorteilhaft sind, da die auftretende Spannung über dem geschlossenen Nennstrompfad unterhalb der Vorwärtsspannung einer Diode liegt. Jedoch auch alle anderen genannten möglichen Bauelemente können in dieser beschriebenen antiparallelen Schaltung eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Kurzschlussstrombegrenzer in der Art ausgestaltet, dass der zu begrenzende Kurzschlussstrom I1 zwischen 10 Kiloampere und 80 Kiloampere, insbesondere zwischen 10 Kiloampere und 50 Kiloampere liegt. Hierbei handelt es sich um vergleichsweise große Ströme, die bei einem entsprechenden Kontaktsystem mit einem geringen Kontaktwiderstand zu einem geringen Spannungsfall führen, wobei auch die entsprechenden Bauelemente mit einer relativ geringen Schwellenspannung ausgestaltet sein können. Dabei ist es ferner zweckmäßig, dass der Spannungsfall U11 über der Unterbrechereinheit kleiner ist als die Schwellenspannung des nichtlinearen Bauelementes. Erst wenn die Schwellenspannung des Bauelementes überschritten ist, kommutiert der Strom in den Parallelstrompfad.
  • Besonders zweckmäßig ist die Anwendung einer Vakuumschaltröhre im Nennstrompfad, da hierbei geringe Kontaktwiderstände realisiert werden können und gleichzeitig eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht werden kann.
  • Die Schwellenspannung des Bauelementes liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,1 Volt und 1,5 Volt, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,2 Volt und 0,8 Volt. In diesem Spannungsbereich sind kostengünstige Bauteile erhältlich, die gegebenenfalls auch in Reihe hintereinander geschaltet sein können. Dabei können auch jeweils zwei antiparallele Bauteile in Reihe hintereinander geschaltet sein.
  • Der Kontaktwiderstand der Unterbrechereinheit des Kurzschlussstrombegrenzers liegt korrespondierend mit dem fließenden Strom und der abfallenden Spannung bevorzugt zwischen 5 µΩ und 200 µΩ, besonders bevorzugt zwischen 10 µΩ und 60 µΩ.
  • Besonders bevorzugt ist der Kurzschlussstrombegrenze für den Einsatz in einem Hochspannungs- oder Mittelspannungsnetz ausgelegt.
  • Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um reine schematische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1
    ein Schaltbild eines Kurzschlussstrombegrenzers mit einer Unterbrechereinheit und einem Sicherungselement gemäß des Standes der Technik,
    Figur 2
    einen Kurzschlussstrombegrenzer mit einer Unterbrechereinheit und einer Strombegrenzungseinheit umfassend ein Sicherungselement und ein weiteres Bauelement,
    Figur 3
    ein Ersatzschaltbild für den Kurzschlussstrombegrenzer gemäß Figur 2 und
    Figur 4
    ein Ersatzschaltbild gemäß Figur 3 bei geöffneter Unterbrechereinheit.
  • In Figur 1 ist ein Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Stand der Technik abgebildet. Dieser umfasst zum einen einen Nennstrompfad 12, der durch eine Unterbrechereinheit 4 unterbrechbar ist. Bei der Unterbrechereinheit 4 handelt es sich gemäß dem Stand der Technik in der Regel um einen Einmal-Schalter mit Gasisolationsstrecke. Ferner umfasst der Strombegrenzer 2 einen Parallelstrompfad 14, in dem eine Strombegrenzungseinheit 6 angeordnet ist, die im Wesentlichen ein Sicherungselement 8 umfasst. Bei einem Kurzschlussfall wird der Nennstrompfad 12 geöffnet, wobei ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung bewirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Parallelstrompfad 14 mit dem Sicherungselement 8, wobei der Lichtbogen erlischt und das Sicherungselement beginnt aufzuschmelzen. Das Sicherungselement beginnt erst mit der Strombegrenzung, wenn der Nennstrompfad durch die Unterbrechereinheit sicher isoliert ist. Dabei ist es notwendig, dass die Impedanz des Parallelstrompfades und die des Nennstrompfades entsprechend aufeinander abgestimmt sind, damit die Kommutierung im Kurzschlussfall vom Nennstrompfad 12 in den Parallelstrompfad 14 erfolgt. Eine weitere Herausforderung bei der Auswahl des Sicherungselementes und der daraus entstehenden Impedanz besteht darin, dass im Nennbetrieb der Strom, der durch das Sicherungselement 8 fließt, nicht zu hoch wird, damit das Sicherungselement nicht bereits während des Nennbetriebs durch Aufschmelzen zerstört wird.
  • Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz im Parallelstrompfad relativ zum Nennstrompfad, um Sicherungen nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Impedanz relativ zum Nennstrompfad bei einem auftretenden Kurzschlussfall, um den Strom in den Parallelstrompfad kommutieren zu lassen.
  • Dieser Zielkonflikt wird dadurch gelöst, dass gemäß Figur 2 mindestens ein Bauelement 10 mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit in Serie zum Sicherungselement 8 und als Bestandteil der Strombegrenzungseinheit 6 parallel zum Nennstrompfad 12 geschaltet ist. In der Abbildung gemäß Figur 2 sind zwei Dioden 11, 13 antiparallel geschaltet und bilden somit das Bauelement 10. Somit ist auch in einer Wechselstromanwendung gewährleistet, dass je nach Stromrichtung die jeweiligen Teilbauelemente des Bauelementes 10, in dem Beispiel gemäß Figur 2 die Dioden 11 oder 13 in eine Richtung entlang des Parallelstrompfades 14 leiten. In Figur 2 ist in der Grundstellung der Nennbetrieb des Kurzschlussstrombegrenzers 2 dargestellt, die Unterbrechereinheit 4 ist geschlossen, weshalb der Stromfluss entlang des Nennstrompfades 12 erfolgt. Hierbei fällt aufgrund eines Kontaktwiderstandes R eine Spannung U11 ab, die allerdings aufgrund des geringen Kontaktwiderstandes R, der bevorzugt im Bereich zwischen 5 µΩ und 200 yΩ, besonders bevorzugt zwischen 10 µΩ und 60 µΩ liegt, relativ gering ist. Die Spannung U11 liegt dabei zwischen 0,1 Volt und 1,5 Volt, bevorzugt zwischen 0,2 Volt und 0,8 Volt. Dieser geringe Widerstand und die dadurch geringe abfallende Spannung führen dazu, dass ein relativ hoher Stromfluss erfolgen kann. Der Strom I1, der bei Nennbetrieb entlang des Nennstrompfades 12 fließt, kann zwischen 0,8 kA und 4 kA, bevorzugt zwischen 1 kA und 4 kA liegen. Dabei errechnet sich die Nennspannung U11 über die Gleichung U 11 = R 1 × I 1 .
    Figure imgb0001
  • Der Widerstand R1 ergibt sich dabei aus der Summe des Kontaktwiderstandes zwischen zwei hier nicht dargestellten Kontakten und dem Widerstand des Anschlusses bzw. der Kontaktbolzen der Unterbrechereinheit 4, die bevorzugt in Form einer Vakuumschaltröhre ausgestaltet ist, sowie der Widerstand der Anschlussleitungen. Das Bauelement 10, das gemäß Figur 2 in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden 11 und 13 ausgestaltet ist, weist dabei eine Schwellenspannung oder Schleusenspannung U15 auf, die im Nennbetrieb höher ist, als die Nennspannung U11, die aufgrund des Kontaktwiderstandes entlang der Unterbrechereinheit 4 abfällt. U 11 < U 15
    Figure imgb0002
  • Solange diese Bedingung erfüllt ist, sperrt die Diode 11 oder die Diode 13 den Parallelstrompfad 14, sodass kein oder nur ein sehr geringer Strom vom Nennstrompfad 12 in den Parallelstrompfad 14 kommutieren kann. Somit kann das Sicherungselement 8 mit einer relativ geringen Impedanz ausgestaltet sein, sodass der Strom im Kurzschlussfall und bei Überschreiten der Schwellenspannung U15 in den Parallelstrompfad 14 kommutieren kann.
  • In Figur 3 ist ein Ersatzschaltbild der Darstellung gemäß Figur 2 gegeben, in dem die Impedanz Z, die Spannung U11 und U15 sowie die Stromflüsse I1 und der noch zu beschreibende Stromfluss I2 dargestellt ist. Der Stromfluss I3 beschreibt den Netzstromfluss, der je nach Schaltzustand des Kurzschlussstrombegrenzers 2 sich in die Ströme I1 und I2 aufteilt.
  • In Figur 4 ist das Auftreten eines Fehlers oder Kurzschlussstromes dargestellt, bei dem die Unterbrechereinheit 4 in sehr kurzer Zeit, insbesondere weniger als 3 ms öffnet, wodurch zwischen zwei hier nicht dargestellten Kontakten der Unterbrechereinheit 4 ein Lichtbogen entsteht. Durch diesen auftretenden Lichtbogen entsteht auch eine Lichtbogenspannung U12, die höher ist, als die Schwellenspannung U15 des Bauelementes 10. Das heißt die Nennspannung U11 steigt durch den Stromanstieg und den Lichtbogen so stark an, dass sie zur Spannung U12 wird und die Schwellenspannung U15 des Bauelementes 10 überschritten wird, was dazu führt, dass die Diode 11 oder die Diode 13 in Abhängigkeit der Strompolarität des Wechselstroms leitend wird und der Strom I3 in Form des Stromes I2 in den Parallelstrompfad 14 kommutiert. Wenn der Strom im Hauptstrompfad I1 nahe null ist, erlischt der Lichtbogen. Sobald die Trennstrecke der Unterbrechereinheit ihre Spannungsfestigkeit erreicht hat, schmilzt das Sicherungselement und begrenzt den Kurzschlussstrom.
  • Anstelle von Dioden 11 und 13 können auch aktivgesteuerte Bauelemente, wie Thyristoren, Funkenstrecken oder Triggered Vacuum Switches verwendet werden. Grundsätzlich können auch IGBTs oder IGCTs, sowie Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen. Der Vorteil an Dioden besteht darin, dass diese gegenüber den genannten aktiven Bauelementen relativ günstig sind und selbst Dioden 11, 13 mit relativ geringen Schwellenspannungen von 0,3 V bis 4 V anwendbar sind. Dies liegt wiederum daran, dass auch der Kontaktwiderstand R1, der über den Kontakt in der Unterbrechereinheit 4, insbesondere in der Vakuumschaltröhre, abfällt, ebenfalls sehr gering ist, was wiederum den Einsatz einer Diode mit einer geringen Schwellenspannung ermöglicht. Sollte der Kontaktwiderstand höher sein oder aus einem anderen Grund die Schwellenspannung U15 der Diode 11, 13 oder eines ähnlichen Bauelementes 10 nicht ausreichend sein, so können diese Bauelemente 10 entlang des Parallelstrompfades 14 in Reihe geschaltet werden. Bei der Anwendung von Wechselstrom sollten dann wiederum jeweils antiparallel geschaltete Bauelemente, analog der Dioden 11 und 13 in Reihe entlang des Nennstrompfades 14 geschaltet sein.
  • Gemäß des Standes der Technik müssen jeweils die Impedanzen des Parallelstromkreises 14 als Kompromiss für die Nennbedingung und für die Stromkommutierung ausgelegt sein. Durch die beschriebene Anordnung, die auf der starken Nichtlinearität der Bauelementkennlinien, insbesondere der Diodenkennlinien beruht, wird ein zu großer Stromfluss I2 durch den Parallelstrompfad 14 im Nennbetrieb verhindert. Somit fällt die Randbedingung des Maximalstroms im Nennbetrieb für das Sicherungselement 8 weg und die Impedanz des Sicherungselementes kann so gering wie möglich ausgelegt werden. Typische Schwellenspannungen U15 von herkömmlichen Dioden 11, 13 befinden sich in derselben Größenordnung wie der Spannungsfall in einer Unterbrechereinheit 4, insbesondere in einer Vakuumschaltröhre bei typischen Nennströmen im Mittelspannungsnetzen und Hochspannungsnetzen. Somit kann bei der beschriebenen Anordnung auf kostengünstige herkömmlich erhältliche Bauelemente 10, insbesondere Dioden 11 und 13 zurückgegriffen werden, was die beschriebene Anordnung gegenüber dem Stand der Technik besonders kostengünstig macht.
    • Bezugszeichenliste
    • 2
    Kurzschlussstrombegrenzer
    4
    Unterbrechereinheit
    6
    Strombegrenzungseinheit
    8
    Sicherungselement
    R1
    Kontaktwiderstand
    U11
    Nennspannung
    U12
    Lichtbogenspannung
    U13
    Kommutierungsspannung
    U14
    Begrenzungsspannung
    U15
    Schwellspannung Bauelement
    Z
    Impedanz Parallelstrompfad
    I1
    Nennstrom
    I2
    Kommutierstrom
    I3
    Netzstromfluss
    10
    Bauelement
    11
    Diode
    12
    Nennstrompfad
    13
    Diode
    14
    Parallelstrompfad

Claims (13)

  1. Kurzschlussstrombegrenzer umfassend eine Unterbrechereinheit (4) in einem Nennstrompfad (12) und eine hierzu in einem Parallelstrompfad (14) parallel geschaltete Strombegrenzungseinheit (6), wobei die Strombegrenzungseinheit (6) ein Sicherungselement (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) zudem ein Bauelement (10) mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit umfasst, das mit dem Sicherungselement (8) im Parallelstrompfad (14) in Reihe geschaltet ist.
  2. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) ein Halbleiterbauelement ist.
  3. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT ein IGCT oder ein Feldeffekttransistor, insbesondere eine Diode ist.
  4. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit mindestens zwei antiparallel gerichtete Bauelemente (10) umfasst.
  5. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) mindestens zwei antiparallele Dioden (11, 13) umfasst.
  6. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu begrenzender Kurzschlussstrom (I1) zwischen 10 kA und 80 kA, insbesondere zwischen 10 kA und 50 kA liegt.
  7. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsfall (U11) über der Unterbrechereinheit (4) kleiner als eine Schwellenspannung (U15) des stromrichtungsabhängigen Bauelementes (10) ist.
  8. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechereinheit eine Vakuumschaltröhre ist.
  9. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Schwellenspannung (U15) aufweist, die zwischen 0,1 V und 1,5 V liegt.
  10. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) eine Schwellenspannung (U15) aufweist, die zwischen 0,2 V und 0,8 V liegt.
  11. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktwiderstand (R1) der Unterbrechereinheit zwischen 5 µΩ und 200 µΩ liegt.
  12. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwiderstand (R1) der Unterbrechereinheit zwischen 10 µΩ und 60 µΩ liegt.
  13. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussstrombegrenzer für den Einsatz in einem Hochspannungs- oder Mittelspannungsnetz ausgelegt ist.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60119128A (ja) * 1983-12-01 1985-06-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd スイッチング装置
GB2193844A (en) * 1986-08-08 1988-02-17 Imi Pactrol Switching electrical loads using a fused em relay
DE19601540A1 (de) * 1995-05-12 1996-11-14 Mitsubishi Electric Corp Schaltungsunterbrecher und Schaltungsunterbrechungsvorrichtung
EP2874257A1 (de) * 2013-11-15 2015-05-20 LSIS Co., Ltd. Fehlerstrombegrenzer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60119128A (ja) * 1983-12-01 1985-06-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd スイッチング装置
GB2193844A (en) * 1986-08-08 1988-02-17 Imi Pactrol Switching electrical loads using a fused em relay
DE19601540A1 (de) * 1995-05-12 1996-11-14 Mitsubishi Electric Corp Schaltungsunterbrecher und Schaltungsunterbrechungsvorrichtung
EP2874257A1 (de) * 2013-11-15 2015-05-20 LSIS Co., Ltd. Fehlerstrombegrenzer

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022008118A1 (de) * 2020-07-06 2022-01-13 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschlussstrombegrenzer

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