SE515677C2 - Anordning och förfarande för att skydda ett objekt mot felrelaterade överströmmar (Fall 2) - Google Patents

Description

25 30 35 515 677 šÉI=?¿fɧ"-,¿f“ “__Ü= devis klumpig utformning med stor tröghet, något som åter- speglar sig i en förhållandevis lång bryttid. Det påpekas därvid att den överström som här primärt avses är den kort- slutningsström som uppstår i anslutning till det skyddade objektet, exempelvis såsom en konsekvens av fel i det skyd- dade objektets elektriska isolationssystem. Dylika fel med- för att det felström (kortslutningsström) externa nätets/utrustningens kommer att tendera att flyta igenom ljusbågen. Resultatet härav kan bli ett mycket stort haveri.

Det må nämnas att för det svenska kraftnätet den dimensione- rande kortslutningsströmmen/felströmmen är 63 kA. I verkli- genheten kan kortslutningsströmmen uppgå till 40-50 kA.

Ett problem med den nämnda effektbrytaren är dess långa bryttid. Den dimensionerande bryttiden (IEC-norm) för full- ständigt genomförd brytning är 150 millisekunder (ms). Det är förenat med svårigheter att reducera denna bryttid till under 50-130 ms beroende på driftsfall. är att vid ett fel i det skyddade objektet en mycket hög ström kommer att flyta igenom detsamma under hela den tid Konsekvensen härav som erfordras för att bringa effektbrytaren till brytning.

Under denna tid innebär det externa kraftnätets fulla fel- ström en betydande belastning på det skyddade objektet. För att undvika skador' och 'totala haverier' vad. beträffar det skyddade objektet har man enligt hittills tillämpad teknik konstruerat objektet så att det skall kunna klara att utan nämnvärda skadeverkningar' utsättas för kortslutningsström- men/felströmmen under effektbrytarens bryttid. Det påpekas därvid att en kortslutningsström (felström) i det skyddade objektet kan vara sammansatt dels av objektets eget bidrag till felströmmen, dels strömtillskottet emanerande från nä- tet/utrustningen. Objektets eget bidrag till felströmmen på- verkas ej av effektbrytarens funktion men bidraget till fel- strömmen från nätet/utrustningen är beroende av effektbryta- rens funktion. Behovet av att konstruera det skyddade objek- tet så att det uthärdar hög kortslutningsström/felström un- 10 15 20 25 30 35 _. . . _, ,. . .. . . . . < . Å ._ .. .. + ï .- i - - . . . . t. .. . - . , - | . u der betydande tid innebär väsentliga nackdelar i form av dy- rare utförande och sämre prestanda.

HBBElNNlNQENS_$XEIE Syftet med föreliggande uppfinning är att anvisa utvägar att utforma anordningen och förfarandet så att ett bättre skydd för objektet uppnås och därmed en minskad belastning på det- samma, något som innebär att själva objektet ej längre behö- ver konstrueras för att motstå maximala kortslutningsström- mar/felströmmar under relativt långa tidsperioder.

SAMMANEAIINlNQ_A¥_UEBElNNlNGEN Enligt uppfinningen uppfylles ovan skisserade syfte genom att ledningen mellan objektet och elkopplaren är ansluten till en överströmsreducerande inrättning, vilken är aktiver- bar för överströmsreduktion med bistånd av en överströmsbe- tingelser detekterande inrättning inom en tidsrymd som vä- sentligt underskrider elkopplarens bryttid, och att mellan den överströmsreducerande inrättningens anslutning till led- ningen och objektet är anordnad en strömbegränsare.

Således baserar sig uppfinningen på principen att icke för- lita sig för brytändamål blott på en sist och slutligen gal- vanisk separation etablerande elkopplare utan i stället ut- nyttja en snabbt fungerande överströmsreducerande inrättning som utan att effektuera någon verklig brytning av överström- men ändock reducerar denna i sådan utsträckning att det skyddade objektet kommer att utsättas för väsentligt reduce- rade påfrestningar och därmed ett mindre mått av skador. Den reducerade överströmmen/felströmmen innebär således att när väl elkopplaren etablerar galvanisk separation så kommer den totala energiinjektionen i det skyddade objektet att ha bli- vit väsentligt mindre än i frånvaro av den överströmsreduce- rande inrättningen. Dessutom kommer genom strömbegränsaren 10 15 20 25 30 515 677 att ske en ytterligare reduktion av den felström som flyter mot (eller fràn) objektet. Även strömbegränsaren är av så- dant slag att den är snabbt fungerande för strömreduktion i sådan utsträckning att det skyddade objektet kommer att ut- sättas för långtgående reducerade påfrestningar utan att för den skull strömbegränsaren effektuerar någon total brytning av överströmmen/felströmmen.

Enligt ett speciellt föredraget utförande av uppfinningen utformas den överströmsreducerande inrättningen såsom inne- fattande en överströmsavledare för avledning av överströmmar till jord eller eljest annan enhet med lägre potential än nätet/utrustningen.

Strömbegränsaren enligt uppfinningen är lämpligen baserad på strömbegränsning med hjälp av en konstant eller variabel in- duktans, och/eller resistans, eller annan impedans.

Ytterligare fördelar och särdrag hos uppfinningen, i synner- het vad beträffar det uppfinningsenliga förfarandet, framgår av följande beskrivning och patentkraven.

KQBI_BESKBl¥NlNQ_A¥_BlINlNQABNA Under~ hänvisning till bifogade ritningar följer nedan en närmare beskrivning av såsom exempel anförda utföranden av uppfinningen.

På ritningarna: Fig 1 är en rent schematisk vy illustrerande grundtanken bakom den uppfinningsenliga lösningen, Fig 2a- 10 15 20 25 30 35 515 677 .m w-u 2d är diagram som i schematisk form illustrerar på jäm- förande vis felströmsförlopp och energiutveckling med och utan den uppfinningsenliga anordningen, Fig 3 är en schematisk vy illustrerande en tänkbar utform- ning av den uppfinningsenliga anordningen, Fig 4-9 visar i vyer delvis motsvarande Fig 3 olika alterna- tiva utföranden av uppfinningen vad avser den med 6 betecknade strömbegränsaren, Fig 10 är en schematisk vy illustrerande ett möjligt utfö- rande av den överströmsreducerande inrättningen, och Fig ll är en schematisk vy illustrerande den uppfinningsen- liga anordningen tillämpad vid en elkraftanläggning omfattande en generator, en transformator samt ett därtill kopplat elkraftnät.

U u I fig 1 illustreras en elkraftanläggning i vilken ingår ett skyddat objekt 1. Detta skulle exempelvis kunna bestå av en Detta objekt är via en ledning 2 i förbindelse I stället för ett dylikt nät skulle den med 3 betecknade enheten kunna utgöras av en generator. med ett externt försörjningsnät 3. annan i elkraftanläggningen ingående utrustning. Den här ak- tuella elkraftanläggningen tänkes vara av sådan art att det är själva objektet 1 som primärt avses bli skyddat mot fel- strömmar från nätet/utrustningen 3 när i själva objektet l uppstår ett fel som ger upphov till en felström från nä- tet/utrustningen 3 mot objektet 1 så att felströmmen kommer att flyta igenom detta. Nämnda fel kan bestå i att en kort- slutning har bildats i objektet 1. Med kortslutning menas en icke avsedd ledande strömbana mellan två eller flera punk- ter. Kortslutningen kan till exempel bestå av en ljusbåge. 10 15 20 25 30 35 n. u. . - 1» .. u i. . u.. n -- .« - . ~| .1 . v m ø . -. .. - . .H- . . . _,.. . -. _.. »- - - . - - - y n 1 . 7- .1 . » 1 » a a v ,» U ._ u» z Denna kortslutning och resulterande strömrusning kan föror- saka betydande skador eller t o m totalt haveri hos objektet 1.

Det påpekas redan här att vid åtminstone vissa typer av skyddade elektriska objekt 1, kortslutningsströmmar/felströmmar kan komma att flyta från det skyddade objektet mot nätet/utrustningen 3. för objektet ifråga skadliga Inom ramen för uppfinningen avses således denna komma till tillämpning för skyddsändamål icke endast för skydd av objektet från ex- ternt härrörande felströmmar flytande till objektet utan också från interna felströmmar i objektet flytande i motsatt riktning. Detta kommer att närmare behandlas i det följande.

I det följande kommer i beskrivningsunderlättande syfte be- teckningen 3 att städse benämnas såsom bestående av ett ex- ternt elkraftnät. Det bör emellertid hållas i åtanke att det i stället för ett dylikt nät kan vara fråga om annan utrust- ning som vid uppstående av fel förorsakar strömrusning genom objektet 1.

I ledningen 2 mellan objektet 1 och nätet 3 är anordnad en konventionell effektbrytare 4. Denna effektbrytare inbegri- per åtminstone en egen sensor för avkännande av omständighe- ter indikativa för att i ledningen 2 flyter en överström.

Sådana omständigheter kan vara strömmar/spänningar, men också andra som anger att ett fel föreligger. Till exempel kan sensorn vara en ljusbågsvakt eller en kortslutningsljud registrerande sensor' mm. När sensorn indikerar att över- strömmen överskrider en viss nivå aktiveras effektbrytaren 4 för brytning av förbindelsen mellan objektet 1 och nätet 3.

Effektbrytaren 4 har emellertid att bryta den totala kort- Effektbrytaren måste därför utformas att uppfylla högt ställda fordringar, slutningsströmmen/felströmmen. något som i praktiken medför att den kommer att fungera relativt lång- samt. I Fig 2a illustreras i ett ström/tiddiagram hurusom 10 15 20 25 30 35 nu n.. n n n. n. n H n ...- . nn , n n n nn .n n \ nn n _ n. . . n . ..-n n . n . . = .~ ._ -= -- n. n . q n « n n . .n ,n n n . o n o n n , .. n. .en .nn .nn n vid uppkomsten av ett fel, t ex en kortslutning i objektet 1, vid tidpunkten tfel felströmmen i den i Fig 1 med 2 be- tecknade ledningen snabbt antar värdet il. Denna felström il brytes medelst effektbrytaren 4 vid tl, som är åtminstone inom 150 ms efter tfel. I Fig 2d illustrerar det där visade diagrammet i2-t och därmed den energi som utvecklas i det skyddade objektet 1 som en konsekvens av kortslutningen där- i. Den uppstående energiinjektionen i objektet som en kon- sekvens av kortslutningsströmmen representeras följaktligen av den sammanlagda ytan av den yttre rektangeln i Fig 2d.

Det påpekas i detta sammanhang att felströmmen i Fig 2a-c och strömmarna i Fig 2d representerar enveloppen av toppvär- det. Endast ena polariteten har utritats i diagrammen för enkelhets skull.

Effektbrytaren 4 är av sådant utförande att den etablerar galvanisk separation genom att metalliska kontakter skiljs.

Följaktligen uppvisar effektbrytaren 4 i regel erforderlig hjälputrustning för ljusbågssläckning.

Enligt uppfinningen är ledningen 2 mellan objektet 1 och el- kopplaren 4 ansluten till en överströmmar mot apparaten 1 reducerande inrättning generellt betecknad 5. Den är akti- verbar för överströmsreduktion med bistånd av en överströms- betingelser detekterande inrättning inom en tidsrymd som vä- sentligt understiger effektbrytarens 4 bryttid. Denna in- rättning 5 är följaktligen så utförd att den icke behöver etablera någon galvanisk separation. Förutsättningar skapas därför att mycket snabbt etablera en strömreduktion utan att för den skull någon total eliminering av den ström som fly- ter från nätet 3 till det skyddade objektet l behöver effek- tueras. I Fig Zb illustreras som kontrast till fallet enligt Fig 2a hurusom den överströmsreducerande inrättningen 5 en- ligt uppfinningen vid uppkomst av en kortslutningsström vid tidpunkten tfel aktiveras för överströmsreduktion till nivån 10 15 20 25 30 35 515 677 i2 vid tidpunkten t2. Tidsintervallet tfel-tz representerar således den överströmsreducerande inrättningens 5 reaktions- tid. Genom inrättningens 5 uppgift att icke bryta utan blott reducera felströmmen kan inrättningen fås att reagera syn- nerligen snabbt, vilket kommer att diskuteras närmare i det följande. Såsom exempel kan nämnas att strömreduktion från nivån il till nivån i2 avses bli effektuerad inom någon el- ler några ms efter att oacceptabla överströmsbetingelser de- tekterats. Därvid eftersträvas att strömreduktionen effek- tueras på kortare tid än l ms, och företrädesvis snabbare än på 1 mikrosekund.

Såsom framgår av Fig 1 innefattar anordningen vidare en i ledningen 2 mellan inrättningens 5 anslutning till ledningen 2 och objektet l anordnad strömbegränsare generellt beteck- nad 6. framför allt i riktning mot objektet l men i vissa felfall Denna är utformad att fungera för strömbegränsning också i riktning från objektet. Strömbegränsaren 6 kan vara anordnad att bringas i funktion för strömbegränsning lika snabbt eller till och med snabbare än den överströmsbegrän- sande inrättningen 5. Enligt ett ytterligare alternativ, som innebär att strömbegränsaren 6 utsätts för mindre påfrest- ningar, skulle strömbegränsaren (5 kunna vara utformad att aktiveras för strömbegränsning först när överströmmen från nätet 3 mot objektet l reducerats medelst den överströmsre- ducerande inrättningen 5 men givetvis skall strömbegränsaren 6 bringas i aktivitet för strömbegränsning väsentligt tidi- gare än den tidpunkt då effektbrytaren 4 bryter. Av det se- nast sagda framgår att det är lämpligt att strömbegränsaren 6 skall vara inkopplad på ledningen 2 på sådant sätt att det är den medelst den överströmsreducerande inrättningen redu- cerade strömmen som i ytterligare begränsad omfattning kom- mer att flyta genom strömbegränsaren 6.

I Fig 2b illustreras inverkan av strömbegränsaren 6. I nämn- da figur har valts att ange hurusom strömbegränsaren 6 trä- 10 15 20 25 30 35 515 677 der i funktion för strömbegränsning vid tidpunkten t3, vil- ket således i exemplet skulle innebära att varaktigheten av den medelst den överströmsreducerande inrättningen 5 reduce- nämligen till tids- rymden t2-t3. Ånyo betonas emellertid att representationerna rade strömmen iz väsentligt begränsas, i Fig 2 är att betraktas som rent schematiska. Tidpunkten t3, då strömbegränsaren 6 aktiveras, kan ligga väsentligt tidigare och till och med tidigare än när den överströmsre- ducerande inrättningen 5 aktiveras vid tidpunkten t2. Av Fig 2b framgår hurusom felströmmen efter tidpunkten t3 reduceras till nivån i3. Denna kvarstående felström i3 brytes slutli- gen medelst effektbrytaren 4 vid tidpunkten tl. Emellertid är felströmmen i3 så förhållandevis ringa som en konsekvens av adekvat dimensionering av strömbegränsaren 6 att fel- strömmen i fråga utan. vidare är uthärdlig av objektet i fråga och övriga delar av elkraftanläggningen. Konsekvensen av den med ledning av Fig 2b relaterade reduktionen respek- tive begränsningen av felströmmen är att den energiinjektion från nätet 3 som en felström kommer att medföra i det skyd- dade objektet 1 representeras av de i Fig 2d med streckade linjer utmärkta ytorna. Det framgår hurusom en drastisk re- duktion av energiinjektionen uppnås. I detta sammanhang på- pekas att eftersom, enligt en specifik modell, energin växer med kvadraten på strömmen, en halvering av strömmen reduce- rar energiinjektionen till en fjärdedel. I Fig 2c illustre- ras hur felströmmen kommer att flyta igenom inrättningen 5.

Den del i3 av den totala felströmmen il som fortsättningsvis kommer att flyta genom strömbegränsaren 6 efter tidpunkten t3 är också utmärkt i Fig 2c.

I realiteten tänkes dimensioneringen av inrättningen 5 och strömbegränsaren 6 utföras så att inrättningen 5 reducerar felströmmen och spänningen som skall begränsas medelst strömbegränsaren 6 till väsentligt lägre nivåer. En realis- tisk aktiveringstid vad gäller strömbegränsaren 6 är 1 um varvid dimensioneringen eventuellt kan göras så att strömbe- 10 15 20 25 30 35 51,5 677 10 gränsaren 6 bringas att begränsa strömmen först när inrätt- ningen 5 reducerat den genom begränsaren 6 flytande strömmen Såsom påpekats är detta dock icke något krav utan det omvända vore också möjligt. i åtminstone väsentlig grad.

I fig 3 illustreras mer i detalj hurusom anordningen kan realiseras. Det påpekas därvid att uppfinningen är tillämp- bar både i likströms- (även HVDC = High Voltage Direct Cur- rent) och växelströmssammanhang. I det senare fallet kan i ett flerfasarrangemang den med 2 betecknade ledningen be- traktas såsom utgörande en av faserna i ett flerfasigt väx- elströmssystem. Det är emellertid därvid att beakta att den uppfinningsenliga anordningen kan vara realiserad så att an- tingen samtliga faser underkastas den uppfinningsenliga skyddsfunktionen i händelse av detekterat fel eller att en- bart den eller de faser där en felström uppstår underkastas strömreducering.

I fig 3 framgår hurusom den generellt med 5 betecknade över- strömsreducerande inrättningen innefattar en överströmsavle- dare 7 för avledning av överströmmar till jord 8 eller el- jest annan enhet med lägre potential än nätet 3. Därmed kan överströmsavledaren betraktas såsom bildande en strömdelare som snabbt etablerar en kortslutning till jord eller eljest lägre potential 8 i ändamål att avleda åtminstone en väsent- lig del av den i ledningen 2 flytande strömmen så att den icke når objektet l som skall skyddas. Om i objektet 1 före- ligger ett fel av allvarlig natur, exempelvis en kortslut- ning, som är av samma dignitet som den. kortslutning som överströmsavledaren 7 förmår etablera kan sägas att i stora drag en halvering av strömrusningen till objektet l från nä- tet 3 uppstår som en konsekvens av överströmsavledaren 7 om Vid jämförelse med fig 2b framgår således att den där illustrerade strömnivàn i2 som felet ligger nära den senare. antydes utgöra i storleksordningen hälften av il kan sägas representera det värsta förekommande fallet. Under normala 10 15 20 25 30 35 515 677 11 skall förmå etablera en kortslutning som har bättre ledningsförmå- betingelser är avsikten att överströmsavledaren 7 ga än den som motsvaras av kortslutningsfelet i objektet l som skall skyddas så att följaktligen. huvuddelen av fel- strömmen avleds till jord eller eljest lägre potential via Av detta framgår att således i. ett normalt felfall energiinjektionen in i objektet l vid ett överströmsavledaren 7. uppstått fel blir väsentligt mindre än vad som antydes av fig 2d som en konsekvens av såväl lägre strömnivå iz som kortare tid tg-t3. Överströmsavledaren 7 innefattar en mellan jord 8 eller nämnda lägre potential och ledningen 2 mellan objektet 1 och nätet 3 kopplad slutare. Denna innefattar dels ett styrdon 9, dels ett slutarorgan 10. Detta slutarorgan kan exempelvis utgöras av åtminstone en halvledarkomponent, t ex en tyris- tor, som i normaltillstånd är öppen, d v s isolerar relativt jord, men i aktivt tillstånd via styrdonet 9 kan bringas till ett ledande tillstånd på mycket kort tid för att etab- lera strömreduktion genom avledning till jord.

I fig 3 illustreras också hurusom en överströmsbetingelser detekterande inrättning kan uppvisa åtminstone en och lämp- ligen flera sensorer ll-13 ägnade att avkänna sådana över- strömssituationer som tarvar aktivering av skyddsfunktionen.

Såsom också framgår av fig 3 kan dessa sensorer inbegripa en med 13 betecknad sensor lokaliserad i själva objektet 1 el- ler i dess närhet. Dessutom uppvisar detektorinrättningen en sensor ll anordnad att avkänna överströmsbetingelser i led- ningen 2 uppströms den överströmsreducerande inrättningens 5 förbindning med ledningen 2. Såsom också kommer att förkla- ras i det följande är det lämpligt att en ytterligare sensor 12 finns för att avkänna den ström som flyter i ledningen 2 mot objektet 1 som skall skyddas, d v s den ström som redu- cerats med hjälp av den överströmsreducerande inrättningen 5. Det påpekas dessutom att sensorn 12 liksmm eventuellt 10 15 20 25 30 35 515 677 12 sensorn 13, är kapabel att avkänna den ström som flyter i ledningen 2 i riktning från objektet 1, där i objektet 1 magnetiskt lagrad energi ger upphov till en bort från objektet 1 gående ström. exempelvis i. fall Det påpekas att sensorerna 11-13 icke nödvändigtvis behöver utgöras av blott ström- och/eller spänningsavkännande senso- rer. Inom ramen för uppfinningen avses sensorerna kunna vara av sådan art att de överhuvudtaget förmår avkänna betingel- ser indikativa för förekomsten av ett fel av den arten att en skyddsfunktion skall initieras.

I fall där ett sådant fel uppstår att en felström kommer att flyta i riktning bort från objektet 1 är anordningen så ut- förd att dess styrenhet 14 kommer att styra strömbegränsaren 6 till slutning, om den skulle vara öppen, och dessutom den överströmsreducerande inrättningen 5 aktiveras så att kort- slutningsströmmen kan avledas medelst densamma. När exempel- vis objektet 1 tänkes bestå av en transformator skulle funk- tionen vid uppstående av en kortslutning i densamma kunna bli sådan att först kortslutningen ger upphov till en ström- rusning in i transformatorn, något som detekteras och ger upphov till aktivering av inrättningen 5 i och för strömav- ledning. När väl strömmen som flyter mot transformatorn 1 reducerats i erforderlig grad bringas strömbegränsaren 6 att reducera strömmen men, styrt av styrenheten 14, eventuellt icke tidigare än att i förekommande fall den i transforma- torn J. magnetiskt lagrade energin hinner flyta bort från transformatorn 1 och avledas via inrättningen 5.

Anordningen innefattar vidare en generellt med 14 betecknad styrenhet. Denna är förbunden med sensorerna 11-13, med den överströmsreducerande inrättningen 5 och med strömbegränsa- ren 6. Funktionen är därvid sådan att när styrenheten 14 via en eller flera av sensorerna 11-13 erhåller signaler indika- tiva för förekomst av oacceptabla felströmmar mot objektet 1 ...- 10 15 20 25 30 35 515 677 13 styrs omgående den överströmsreducerande inrättningen 5 för att snabbt åstadkomma den erforderliga strömreduktionen.

Styrenheten 14 kan vara så anordnad att den antingen omgåen- de eller eljest när sensorn 12 avkänt att strömmen eller spänningen reducerats i erforderlig grad styr strömbegränsa- ren 6 för att åstadkomma aktivering av denna för strömredu- cering när överströmmen befinner sig under en förutbestämd nivå. Ett sådant utförande säkerställer att strömbegränsaren 6 icke bringas att begränsa strömmen förrän strömmen verkli- gen reducerats i sådan grad att icke strömbegränsaren 6 fö- reläggs uppgiften att begränsa en så hög ström att den icke är adekvat dimensionerad för detta ändamål. Alternativt kan emellertid utförandet också vara sådant att strömbegränsaren 6 styrs till att begränsa strömmen en viss förutbestämd tid efter att den överströmsreducerande inrättningen styrts till att ombesörja strömreduktion. ' Effektbrytaren 4 kan uppvisa en egen detektorinrättning för att detektera överströmssituationer eller så kan den styras via styrenheten 14 på grundval av informationer från samma sensorer 11-13 som också styr den överströmsreducerande in- rättningens funktion.

I det i Fig 3 illustrerade utförandet utgörs strömbegränsa- ren 6 av en i ledningen 2 anbragt induktans 27. En sådan in- duktans åstadkommen medelst en spole innebär att vid en viss ökning av strömstyrkan en motemk uppstår som motverkar En fördel med detta utförande är att det är synnerligen enkelt och det ger dessutom vid uppstående av strömökningen. ett fel upphov till en snabb begränsning av strömrusningen mot objektet 1 utan behov av aktiv styrning.

Sådan anordningen hittills beskrivits fungerar den på föl- jande vis: I frånvaro av fel är effektbrytaren 4 sluten me- dan den överströmsreducerande inrättningens 5 slutare 10 öp- d v s den är i icke-ledande tillstånd. pen, I denna situa- 10 15 20 25 30 35 515 677 14 ticux måste givetvis slutaren 10 ha en adekvat elektrisk hàllfasthet så att den icke oavsiktligt bringas till ledande tillstånd. Överspänningsförhållanden uppstående i ledningen 2 som en konsekvens av atmosfäriska (blixtnedslag) omstän- digheter eller kopplingsåtgärder får således icke komma att medföra att spänningshàllfastheten hos slutaren 10 :i dess icke-ledande tillstånd överskrides. För detta ändamål är det lämpligt att koppla åtminstone en överspänningsavledare 22 parallellt över slutaren 10. I exemplet illustreras sådana Över- spänningsavledarna har följaktligen till uppgift att avleda överspänningsavledare på ömse sidor om slutaren 10. sådana överspänningar som eljest skulle kunna riskera att medföra oavsiktligt genomslag i slutaren 10.

När nu ett överströmstillstànd registreras av någon av sen- sorerna ll-13 eller effektbrytarens 4 egen sensor (det inses givetvis att information från kretsbrytarens 4 egen sensor kan utnyttjas som grundval för styrning av den överströmsre- och detta överströmstillstånd är av sådan dignitet att ett allvarligt ducerande inrättningen 5 enligt uppfinningen) fel hos objektet: 1 kan förväntas föreligga, inleds bryt- ningsfunktion vad gäller effektbrytaren 4. Dessutom styr styrenheten 14 den överströmsreducerande inrättningen 5 att effektuera sådan reduktion, och detta närmare bestämt genom att via styrdonet 9 bringa slutaren 10 i elektriskt ledande tillstånd. snabbt, d v s på en bråkdel av den tid som erfordras för Såsom tidigare beskrivits kan detta ske mycket brytning av effektbrytaren 4, varför objektet 1 som skall skyddas omgående befrias från den fulla kortslutningsström- men fràn nätet 3 genom att slutaren 10 avleder åtminstone en väsentlig del och i praktiken huvuddelen av strömmen till jord eller eljest lägre potential. Strömbegränsaren (5 kan likaledes träda i snabb funktion för att begränsa den ström som flyter i ledningen 2 mot (eller eventuellt från) objek- tet 1. 10 15 20 25 30 35 515 6.77 15 När väl dessa incidenter inträffat sker som sista moment brytning med hjälp av effektbrytaren 4. Det är viktigt att notera att såväl den överströmsreducerande inrättningen 5 som strömbegränsaren 6 enligt ett första utförande företer repetitiv funktion. När således med hjälp av sensorerna 11- 13 fastställts att effektbrytaren 4 brutit återställs sluta- ren 10 till icke-ledande tillstånd, varjämte givetvis ström- begränsaren 6 är redo, så att nästa gång effektbrytaren 4 sluter, skyddsanordningen är i fullständig funktionsbered- skap. Enligt ett annat utförande inbegripes emellertid att inrättningen 5 kan erfordra utbyte av en eller flera delar för att ånyo fungera.

I Fig 4 illustreras ett alternativt utförande av strömbe- gränsaren 6a. Denna innefattar här en induktans 28 och en kondensator 29, vilka samfällt bildar en resonanskrets, som vid resonans ger en mycket hög impedans. Induktansen och kondensatorn är kopplade parallellt till varandra. En kopp- lare 30 och kondensatorn 29 är kopplade parallellt över den i ledningen 2 anbragta induktansen 28. Följaktligen är kopp- laren 30 och kondensatorn 29 förlagda i serie med varandra.

Kopplaren 30 har en eller flera rörliga kontakter som me- delst ett lämpligt manöverdon 31 kan styras för slutande respektive öppnande via styrenheten 14.

Den i Fig 4 visade strömbegränsaren 6a fungerar på följande vis: under normala driftsförhållanden är kopplaren 30 öppen.

Impedansen hos strömbegränsaren 6a ges av induktansen och resistansen hos induktorn. Vid en felström av tillräcklig dignitet kommer styrenheten 14 att styra slutaren 10 till slutning i och för överströmsavledning och vidare kommer styrenheten 14 att styra kopplaren 30 till slutning så att kondensatorn 29 kopplas in och en parallell resonanskrets, som skall vara anpassad till elkraftfrekvensen bildas. Impe- dansen hos strömbegränsaren 6a kommer att bli mycket hög vid resonans. Såsom också framgår vid jämförande studium av Fig 10 15 20 25 30 35 515 677 §f@fi:§j,gf;¿1*&¿ 16 2b skall en påtaglig strömreduktion ned till den inskisse- rade strömnivån i3 uppnås.

I Fig 5 illustreras ett alternativt utförande av strömbe- gränsaren 6b baserande sig på en serieresonanskrets uppvi- sande en induktans 32 och en kondensator 33 i serie med var- andra och en kopplare 34 kopplad parallellt över kondensa- torn 33. Ett manöverorgan 35 för manövrering av kopplarens 34 kontakt eller kontakter befinner sig under styrning av styrenheten 14. Under normal funktion är kopplaren 34 över kondensatorn 33 öppen. Spolen 32 i serie med kondensatorn 33 i serieresonans (vid exempel 50 Hz) har en mycket liten im- Vid ett fel ökar spänningen över både kondensatorn och induktan- pedans. Transienta felströmmar blockeras av spolen 32. sen. Genom att sluta kopplaren 34 över kondensatorn kortslu- tes denna. Detta medför en drastisk ökning av den totala im- pedansen, varvid strömmen begränsas.

Såsom antydes i Fig 5 kan induktansen 32 göras variabel, till exempel genom att kortsluta delar av lindningen eller en på samma kärna sittande lindning. Därigenom blir det möj- ligt att kontinuerligt avstämma strömbegränsaren 6b för att minimera spänningsfallet över strömbegränsaren under normal belastning. En annan icke visad modifiering av det i Fig 5 visade utförandet är att istället för kopplaren 34 över kon- densatorn 33 nyttja ett självtriggat gnistgap. På detta sätt uppnås en självtriggad funktion, d v s utförandet blir pas- sivt i den meningen att någon särskild styrning från någon styrenhet ej erfordras.

I den i Fig 6 illustrerade varianten innefattar strömbegrän- saren 6c en i ledningen 2 anordnad kopplare 36 samt paral- lellt över denna en kondensator 37 och en resistor 38, var- vid kondensatorn och resistorn är kopplade parallellt rela- tivt varandra. Kopplaren 36 har i realiteten karaktären av vakuumeffektbrytare försedd med tvärriktade spolar 39 för 10 15 20 25 30 35 515 677 1:2;- ff» i* 17 att öka ljusbågsspänningen och åstadkomma strömkommutering in i den begränsande resistorn 38. Styrenheten 14 är anord- nad att styra kopplaren 36 via ett manöverorgan 40.

I Fig 7 illustreras en strömbegränsare 6d uppbyggd av en me- kanisk kopplare 41 med ett kommuteringselement 42 bestående av ett stort antal seriekopplade ljusbågskamrar. Ljusbågs- kamrarna är utförda av ett resistivt material. När kopplaren 41 öppnar kommer ljusbågen att kortsluta den resistiva ljus- bàgskammaren. När ljusbågen rör sig in i bågkammaren kommer På detta sätt kommer ljusbågarna att öka längden av den resistiva ba- ljusbågen att uppdelas till många delljusbågar. nan mellan kontakterna och en ökande resistans uppnås.

Såsom tidigare är styrenheten 14 anordnad att via ett man- överorgan 43 styra kopplarens 41 funktion.

I Fig 8 visas ett ytterligare utförande av en strömbegränsa- re 6e. Denna uppvisar i exemplet en snabb halvledarkopplare 44 och en parallell strömbegränsande impedans 45 och ett spänningsbegränsande element 46, till exempel en varistor.

Halvledarkopplaren 44 kan vara bildad medelst släckbara ty- ristorer (GTO-tyristorer).

Som strömbegränsande impedans nyttjas en resistor. Varistorn 46 begränsar överspänningen när strömmen begränsas. Under normala belastningsbetingelser flyter strömmen genom halvledarna 44. När ett fel detekteras styrs via styrenheten 14 halvledarkopplaren 44 till öppnan- de, företrädesvis via lämpligt manöverorgan 47 och strömmen kommuteras till resistorn 45.

I Fig 9 slutligen illustreras en strömbegränsare 6f innefat- tande en i ledningen 2 ansluten spole 48, vilken ingår i en reaktor med järnkärna 49. Mellan reaktorns järnkärna 49 och spolen 48 är ombesörjd en supraledande rörformig skärm 50.

Under normal funktion avskärmar den supraledande skärmen 50 järnkärnan från spolen och således är induktansen relativt 10 15 20 25 30 35 515 677 18 låg. När strömmen överskrider en viss nivå upphör supraled- ningen och induktansen ökar drastiskt. Således uppstår en kraftig strömbegränsning.

Vid utförandet enligt Fig 9 uppstår avskärmningen av järn- kärnan från spolen på grund av meissner-effekten. En fördel med utförandet enligt Fig 9 vad beträffar strömbegränsaren 6f är att liten induktans föreligger i normaldrift. En nack- del är att för uppnående av supraledning kylning till mycket låga temperaturer, t ex medelst flytande kväve, erfordras.

I samtliga nyss beskrivna utföranden Fig 4-9 har blott före- liggande differenser vad beträffar strömbegränsaren i för- hållande till utförandet enligt Fig 13 beskrivits närmare.

Vad gäller övriga ingående beståndsdelar åberopas beskriv- ningen med avseende på Fig 3.

I fig 10 illustreras ett alternativt utförande av den över- I stället för att som i fig 3 förlita sig på en halvledarslutare avses vid utföran- det enligt fig 10 ett i ett gap 24 mellan elektroder 23 be- fintligt medium kunna bibringas elektrisk ledningsförmåga strömsreducerande inrättningen 5. med hjälp av ett styrdon 9a. Detta styrdon är anordnat att styra funktionen av organ 25 för att bringa eller åtminstone initiera mediet eller en del därav i gapet 24 till ledande tillstånd. bringa mediet i gapet 24 att antaga elektrisk ledningsförmå- Nämnda organ 25 är i exemplet anordnade att ga genom att bringa eller åtminstone bistå med att bringa mediet till jonisering/plasma. Det föredrages att organen 25 innefattar minst en laser, som genom energitillförsel till mediet i gapet 24 ombesörjer joniseringen. Såsom framgår av fig 10 kan därvid en spegel 26 nyttjas för erforderlig av- länkning av laserstrålknippet. Det påpekas i detta samman- hang att utförandet enligt Fig 10 kan vara sådant att orga- nen 25 icke ensamma ger upphov till jonisering/plasma i hela elektrodgapet. Således kan avsikten vara att ett över gapet 10 15 20 25 30 35 515 677 fia» 19 fält skall vid varvid med hjälp av organen 25 pålagt elektriskt ringen/plasmabildningen, bidraga jonise- blott en del av mediet i gapet joniseras så att därefter det elektriska fältet i gapet ger upphov till etablering av plasma i hela gapet. Det påpekas i detta sammanhang att i elektrodgapet kan finnas icke blott ett medium bestående av olika gaser eller gasblandningar utan också vakuum. I fallet med vakuum sker initiering medelst laser vid åtminstone en av elektroderna, som således kommer att fungera såsom elek- tron- och jongivare för etablering av en joniserad miljö/ett plasma i elektrodgapet.

I Fig ll illustreras ett utförande där en generator lb via en transformator la är kopplad till ett elkraftnät 3a. De skall transformatorn la och generatorn lb. objekt som skyddas representeras följaktligen av Den överströmsreduce- rande inrättningen Sa och begränsaren 6g samt den ordinarie effektbrytaren 4a är som synes anordnade i likhet med vad som framgår av Fig l för det fall att det där visade objek- tet 1 tänkes bilda objektet la enligt Fig ll. ende hänvisas följaktligen till de beskrivningar som lever- I detta avse- eras med avseende på Fig 1. Detsamma gäller för den över- strömsreducerande inrättningens Sc och strömbegränsarens 6i I detta fall skulle följaktligen generatorn lb kunna likställas med objektet l i skyddsfunktion gentemot generatorn lb.

Fig 1 medan transformatorn la skulle kunna likställas med utrustningen 3 i Fig 1. Följaktligen kommer den överströms- reducerande inrättningen 5c och strömbegränsaren 6i att i kombination med den konventionella effektbrytaren 4b kunna skydda generatorn lb mot strömrusning i riktning från trans- formatorn la.

Som tillkommande inslag i Fig ll förekommer den ytterligare överströmsreducerande inrättningen 5b med tillhörande ström- begränsare 6h. Som synes kommer följaktligen på ömse sidor om 'transformatorn. la att finnas överströmsreducerande in- 10 15 515 67.7 .

. | I ~ | .- 20 rättningar Sa och 5b. strömbegränsare och 6b är förlagda i förbindelserna mellan Det påpekas därvid att respektive nämnda överströmsreducerande inrättningar 5a och 5b och transformatorn la. Den ytterligare överströmsreducerande in- rättningen 5b avses skydda transformatorn la från strömrus- ningar mot transformatorn från generatorn lb. Som synes kom- mer effektbrytaren 4b att kunna bryta oberoende av i vilken riktning mellan objekten la och lb skyddsfunktion önskas.

Det bör noteras att ovan presenterade beskrivning enbart bör betraktas såsom exemplifierande för den uppfinningstanke, Det är således uppenbart för fackmännen. inom området att detaljmodifieringar kan göras varpå uppfinningen bygger. utan att för den skull lämna uppfinningens ram. Såsom exem- pel kan påpekas att som slutare 10 också skulle kunna använ- das en mekanisk slutare.

Claims (34)

l0 15 20 25 30 35 515 677, in .m . . . . . , . . - - - f 21 Patentkrav

1. Anordning för att vid. en. elkraftanläggning skydda ett till ett elkraftnät (3) eller annan j. elkraftanläggningen ingående utrustning anslutet objekt (1) från felrelaterade överströmmar, varvid anordningen innefattar en elkopplare (4) i en ledning (2) mellan objektet och nät- et/utrustningen,varvid ledningen (2) mellan objektet och elkopplaren är ansluten till en öwerströmsreducerande in- (5), med bistånd av en överströmsbetingelser detekterande inrätt- rättning vilken är aktiverbar för överströmsreduktion ning (11-13) inom en tidsrymd som väsentligt understiger el- kopplarens bryttid, och varvid anordningen innefattar en strömbegränsare (6) flytande, att strömbegränsaren (6) för begränsning av i ledningen (2) felrelaterade överströmmar ,kånn§§QQknQd cdärav, är inkopplad i ledningen (2) mellan den överströmsreducerande inrättningens (5) anslut- ning till ledningen (2) och objektet (1).

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad därav, att elkopp- laren (4) utgörs av en effektbrytare. kännefecknad därav, att inrättningen (5)

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, den överströmsreducerande innefattar en överströmsavledare (7) för' avledning' av' överströmmar till jord (8) eller eljest annan enhet med lägre potential än nä- tet/utrustningen. att över- kännçtçgkgad därav, innefattar en mellan jord eller nämnda

4. Anordning enligt krav 3, strömsavledaren (7) lägre potential och ledningen mellan objektet (1) och nät- et/utrustningen (3) kopplad slutare (10).

5. Anordning enligt krav 4, kånnetegknad därav, (10) att slutaren innefattar àtminstone en halvledarkomponent. 10 15 20 25 30 35 _. .Hu U :H- 5151677 jglšgfïj »f”¿._'f;.ei .» .m 22

6. Anordning enligt krav 4, känneteçknad därav, att slutaren (ioa) (24) (25) för att bringa eller åtminstone initiera elektrodgapet eller åtmins- uppvisar ett elektrodgap och organ tone en del därav att antaga elektrisk ledningsförmåga.

7. Anordning enligt krav 6, (25) att antaga elektrisk ledningsförmága är anordnade att bringa kånngtçgknad därav, för att bringa eller åtminstone initiera elektrodgapet att organen gapet eller en del därav till formen av ett plasma.

8. Anordning enligt krav 7, käggegçgkgag därav, att organen (25) eller en del därav att antaga elektrisk ledningsförmàga in- för att bringa eller åtminstone initiera elektrodgapet nefattar minst en laser.

9. Anordning enligt något föregående krav, kännetegknad därav, att strömbegränsaren (6) innefattar åt- minstone en induktans och/eller resistans eller annan impe- dans.

10. lO. Anordning enligt något föregående krav, kännetecknad därav, att strömbegränsaren (6a, 6b) innefattar (28; (29; 33), samfällt bildar en resonanskrets som vid resonans ger hög en induktans 32) och en kondensator vilka impedans.

11. ll. Anordning enligt krav 10, kännetecknad (28) (29) är kopplade parallellt till varandra. därav, att induktansen och kondensatorn

12. Anordning enligt krav 11, kännetecknad därav, (29) induktansen (28). (30) och kondensatorn är kopplade parallellt över den i ledningen anbragta att en kopplare

13. Anordning enligt krav 10, lO 15 20 25 30 35 . . ~ , 1 u 515 677 23 Låggfiggknad därav, att induktansen (32) och kondensatorn (33) är kopplade i serie med varandra.

14. Anordning enligt krav 13, kännetegknad därav, att en kondensatorn kortslutande inrätt- (34) (33). ning är ansluten parallellt över kondensatorn

15. Anordning enligt krav 14, kännetegknad därav, rättningen utgörs av en kopplare (34). att den. kondensatorn. kortslutande in-

16. Anordning enligt krav 14, kännetegknad därav, att den kondensatorn kortslutande in- rättningen utgörs av ett gnistgap.

17. Anordning enligt krav 9, (6c) innefattar en samt parallellt över (37) att strömbegränsaren (36) denna och med varandra kopplade kondensator (38) . kännetecknad därav, i ledningen (2) anordnad kopplare och resis- tor

18. Anordning enligt krav 9, (6d) och en kommuteringsin- att strömbegränsaren innefattar en (41) innefattande àtminstone en resistiv ljusbàgs- kånnetecknad därav, i ledningen anordnad kopplare rättning (42) kammare.

19. Anordning enligt krav 9, (Se) och en parallellt över (45), lellt över impedansen är kopplat ett spänningsbegränsande (46). att strömbegränsaren (44) denna kopplad strömbegränsande impedans kännetecknad därav, uppvisar en i ledningen anordnad kopplare varvid paral- element

20. Anordning enligt krav 9, 10 l5 20 25 30 35 ,, -f « | - . ~ < -I 515 677 »www 24 (6f) innefattar en vilken ingår i en reaktor kännetgçknad därav, i ledningen ansluten spole (49), len är ombesörjd en supraledande, rörformig skärm (50), var- att strömbegränsaren (48), med järnkärna att mellan reaktorns järnkärna och spo- vid under normal funktion den supraledande skärmen avskärmar järnkärnan från spolen och således induktansen är relativt låg, ledningen upphör och induktansen ökar drastiskt. medan vid strömmens överskridande av viss nivå supra-

21. 2l. Anordning något föregående krav, kännetecknad därav, att strömbegränsaren är anordnad att ak- tiveras i och för strömbegränsning när överströmsbetingelser detekterats.

22. Anordning enligt krav 21, kännetçcknad därav, aktivera strömbegränsarer1 pà. grundval av information från att en styrenhet (14) är anordnad att den överströmsbetingelser detekterande inrättningen.

23. Anordning enligt krav 22, (14) är anordnad att ak- tivera strömbegränsaren genom manövrering av den i. kraven 12, 15, kännetecknad därav, att styrenheten 18 eller 19 angivna kopplaren. att strömbegränsaren är anordnad att aktiveras för

24. Anordning enligt något föregående krav, därav, strömbegränsning först när överströmmen mot eller från ob- jektet (1) rättningen (5) men väsentligt tidigare än elkopplaren. reducerats medelst den överströmsreducerande in- kännetegknad (14) är anordnad att åstadkomma akti-

25. Anordning enligt något av kraven 22-24 , därav, att styrenheten vering av strömbegränsaren när överströmmen mot eller från objektet (1) der en förutbestämd nivå. av den detekterande inrättningen anges vara un- 10 15 20 25 30 35 . . . . . . . . - . .n 515 67-7 =1íæ;ß;.. 25 En E Z (1) utgörs av en elektrisk

26. Anordning enligt något föregående krav, att det skyddade objektet apparat med magnetkrets. därav,

27. Anordning enligt krav 26, kägnetegkgad därav, att objek- tet utgörs av en generator, transformator eller motor. kännetçgknad t ex en ka-

28. Anordning enligt nägot av kraven 1-25, därav, att objektet utgörs av en kraftledning, bel. kännetegknad att tvà överströmsreducerande inrättningar är anord-

29. Anordning enligt något föregående krav, därav, nade pà ömse sidor av objektet för att tväsidigt skydda detta.

30. Anordning enligt krav 1, kännetegknad därav, att den in- nefattar en till den överströmsreducerande inrättningen (5) och till den överströmsbetingelser detekterande inrättningen (11-13) (14) information frän den senare styra den förra till slutning ansluten styrenhet anordnad att med ledning av när så av skyddsskäl är pàkallat. 25 eller 30, (14) grundval av informationer fràn den överströmsbetingelser de- (11-13) rande inrättningen (5) och strömbegränsaren (6). kánnetscknad är anordnad att pà

31. Anordning enligt krav 22, 23, därav, att en och samma styrenhet tekterande inrättningen styra den överströmsreduce-

32. Användning av en anordning enligt nàgot föregående krav för skydd av ett objekt mot felrelaterade överströmmar.

33. Förfarande för att vid en elkraftanläggning skydda ett till ett elkraftnät (3) ingående utrustning anslutet objekt (1) eller annan i. elkraftanläggningen fràn felrelaterade överströmmar, varvid en elkopplare (4) är placerad i en led- 10 15 20 . . . ~ f . 515. 67,7 ¿,:_¿:_1_j_5 26 ning mellan objektet och nätet/utrustningen, och varvid enligt förfarandet en till ledningen mellan objektet (l) och elkopplaren (4) ansluten, överströmmar reducerande in- rättning (5) aktiveras för överströmsreduktion, när" över- strömsbetingelser detekterats medelst en härför avsedd inrättning (ll-13), inom en tidsrymd som väsentligt under- stiger elkopplarens (4) bryttid och medelst en ström- begränsare (6) àstadkommes en begränsning av i ledningen (2) flytande, känneteçknat därav, att strömbegränsaren (6) inkopplas i ledningen (2) felrelaterade överströmmar, mel- lan den överströmsreducerande inrättningens (5) anslutning till ledningen (2) och objektet (l) gränsande för den mellan denna anslutning och objektet (1) för att fungera Strömbe- flytande strömmen.

34. Förfarande enligt krav 33, kännetegknat därav, att me- delst den överströmsreducerande inrättningen (5) överström- mar avleds till jord (8) eller eljest annan enhet med lägre potential än nätet/utrustningen.