SE516373C2 - Electrical protective device has detector to sense false increase in current level transient increase in current level to activate current limiter - Google Patents

Description

516 373 2 Behovet av att bryta felströmmen men å andra sidan undvika att bryta en hög lastström fordrar särskiljning mellan en felström och en hög lastström. Detta orsakar emellertid problem eftersom beslutet att bryta strömmen måste tas inom en kort tid innan strömnivån når den farliga nivån. Denna kan uppträda inom delar av en ms. Inom en så kort tid är det nästan omöjligt att bestämma om den förhöjda strömmen är en felström eller en stor last.

Mot denna bakgrund är ett ändamål med den föreliggande uppfinningen att erhålla en lösning på detta problem samt att åstadkomma en anordning och ett förfarande som kan skydda elektrisk utrustning i ett system från stora felströmmar, men som inte bryter strömmen om den förhöjda strömnivån är ett resultat en tem- porär hög lastström.

Redogörelse för uppfinningen Detta ändamål har uppnåtts i det att en anordning av det slag som anges i patentkravets 1 ingress innefattar egenskaper som anges i den kännetecknande delen av detta patentkrav, i det att en elektrisk krets som den i ingressen till pa- tentkrav 7 innefattar egenskaperna enligt den kännetecknande delen av detta pa- tentkrav, i det att ett förfarande som det som anges i ingressen till patentkrav 9 in- nefattar åtgärderna som anges i den kännetecknande delen av detta patentkrav samt genom den användning som anges i patentkrav 13.

Vid uppträdandet av en förhöjd ström bryts inte strömmen omedelbart utan begränsas bara medelst felströmsbegränsaren (FCL). Begränsning av strömmen sker så snart som ett utlösningsförhållande, som indikerar den förhöjda strömni- vån, uppfylls och detta sker nästan omedelbart, dvs inom 1 ms. Därmed skyddas den elektriska utrustningen omedelbart, men strömmen är ännu inte bruten. Detta ger en möjlighet att senarelägga beslutet av om strömmen skall brytas eller inte till det att det är möjligt att bestämma om det är en felström eller en transient last- ström. En dylik bestämning görs inom 50 ms. inom denna tid har strömmen ge- nomlöpt minst en halv period och det är sedan enkelt att särskilja en felström från andra orsaker till den förhöjda strömnivån. I det första fallet bryts strömmen vid detta tillfälle, annars inte.

Utan att begränsa strömmen skulle en felström ha förstört utrustningen in- nan det skulle ha varit möjligt att utvärdera om det var en felström eller inte. 20 25 30 516 373 3 Huvudfördelarna med att begränsa felströmmarnas amplitud vid kortslut- ningar i matningssystem är: o Den mekaniska och termiska påkänningen på anordningen och komponenter- na reduceras. o Brytare och annan utrustning med lägre kortslutningsmärkström kan användas. o Utökad matningskvalitet tack vare en reducerad varaktighet av spänningsfall.

Grundprincipen för felströmsbegränsning är att utöka impedansen i kret- sen mellan källan och läget för felet. Ett stort antal felströmbegränsare (FCL) har diskuterats i litteraturen, även om det inte finns några produkter för medium- och högspänningssystem som har flerskottsfunktion, som kan återställas för repetitiv funktion. Det föreligger att antal möjliga skäl: o Relationen mellan kostnad och uppnådd funktion. o Användningen av en teknik som ännu ej är fullbordad. o Storleken på anordningen. o Den önskade funktionen kan inte uppnås.

En viktig synpunkt är att kostnaden för en felströmbegränsare måste jäm- föras med kostnadsfördelarna med ett komplett system som är dimensionerat för en lastström och inte bara kostnadsfördelen med en enda komponent.

Mycket stora strömmar kan uppnås när en kortslutning uppträder i ett mat- ningssystem. Strömmens amplitud beror av systemets kortslutningsimpedans vid läget för felet och typen av fel (enkelt linjejordfel, tvåfas linje-till-linjefel eller ett tre- fasfel).

En begränsad felström har en konstant amplitud. Vid inkoppling av en transformator eller annan last kan det förekomma en stor transient ström med minskande amplitud. Om denna ström begränsas kommer tidkonstanten att mins- ka på grund av den ökande resistansen. Det är alltså möjligt att skilja mellan en felström och en rusström. Resultatet blir att det föreligger tillräcklig tid för en skyddskrets att besluta om kretsbrytaren skall utlösas eller ej. Den mängd energi som går förlorad genom FCL kommer även att bli mycket mindre eftersom FCL begränsar strömmen under enbart en kort period tills stabila förhållanden har nåtts. En FCL kommer inte bara att begränsa strömmen utan även medge att sta- bila förhållanden kan återtagas mycket snabbare. 20 25 30 516 373 4 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utgör utlösningsförhål- landet strömnivån i sig. Därmed uppnås ett tillförlitligt och enkelt sätt att aktivera FCL.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform innefattar FCL ett variabelt motstånd som snabbt kan växla mellan ett läge med liten och hög resistans.

Tack vare att motståndet med de angivna egenskaperna ingår som en vä- sentlig komponent i FCL, kan strömmen begränsas avsevärt när motståndet styrs till sitt läge med mycket stor resistans. Eftersom detta sker mycket snabbt kan strömmen begränsas innan den orsakar någon skada på den anslutna elektriska utrustningen. Motståndets ökning möjliggör även att svängningar i kretsen snabbt kan dämpas. En FCL av detta slag kan även göras extremt liten, enkel och prisbil- lig samt utan elektriska ljusbågar.

Enligt ännu en ytterligare föredragen utföringsform är motståndet av en typ som har tryckberoende resistans, så att resistansen minskar med ökande tryck och vice versa. Med ett motstånd av detta slag är det lätt att snabbt växla från motståndets extremlägen. Detta utgör därför en föredragen utföringsform av upp- finningen.

Vid en särskilt föredragen utföringsform är det tryckberoende motståndet av en typ som omfattar ett pulver, där pulvret i komprimerad form uppför sig som en homogen ledare och i icke komprimerat läge har ett stort antal kontaktpunkter och följaktligen en stor total resistans. Ett pulverbaserat variabelt motstånd be- skrivs i PCT/SE 98100679, vars innehåll härmed inbegrips i denna ansökan genom denna hänvisning. Motståndet som användes vid den föreliggande ansökan är lämpligen av den typ som beskrivs i nämnd PCT-ansökan.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar anordningen organ för återställning av FCL efter avkänningen av en förhöjd strömnivå. FCL återställs oberoende av om den avkända förhöjda nivån föreligger på grund av en felström eller en rusström. Företrädesvis är kretsbrytaren anordnad att slutas på nytt efter dess brytning och efter återställningen av FCL.

Fördelaktiga utföringsformer av förfarandet enligt uppfinningen innefattar åtgärder som motsvarar de angivna föredragna utföringsformerna av anordningen enligt uppfinningen.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen an- ges i de självständiga patentkraven. 20 25 30 - ~ c ø u: o u « c n a n av 516 373 5 felström eller en rusström. Företrädesvis är kretsbrytaren anordnad att slutas på nytt efter dess brytning och efter återställningen av FCL.

Fördelaktiga utföringsformer av förfarandet enligt uppfinningen innefattar åtgärder som motsvarar de angivna föredragna utföringsformerna av anordningen enligt uppfinningen.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen an- ges i de självständiga patentkraven.

Kort redogörelse för ritningarna Figur 1 visar en schematisk representation av principen för uppfinningen.

Figur 2 visar en kurva som illustrerar felström och rusström utan strömbe- gränsning.

Figur 3 visar en kurva i likhet med den i fig. 2, men med strömbegränsning.

Figur 4 visar en schematisk vy av ett matningsnät vid uppkomsten av en kortslutning.

Figur 5 visar en kurva över strömmen som funktion av tiden när uppfinningen är applicerad på nätet enligt fig. 4.

Figur 6 visar en liknande kurva, men utan strömbegränsning.

Figur 7 visar en schematisk vy av matningsnätet enligt fig. 4 vid magnetise- ring av en transformator.

Figur 8 visar en kurva liknande den i fig. 5 när uppfinningen är applicerad på nätet enligt fig. 7.

Figur 9 visar en liknande kurva, men utan strömbegränsning.

Figur 10 visar schematiskt ett motstånd enligt en utföringsform av uppfinning- en i sammanpressat tillstånd.

Figur 11 visar schematiskt motståndet enligt fig. 10 i expanderat tillstånd.

Beskrivning av föredragna» utföringsformer av uppfinningen I fig. 1 illustreras funktionsprincipen för uppfinningen i ett blockschema.

Block 104 representerar mätning av en eller flera parametrar som direkt eller indi- rekt indikerar en hög ström Detta kan vara strömnivån som sådan, spänningsnivån eller någon annan parameter eller kombination av parametrar. Om det i block 104 avkänns att utlösningsförhållandet har uppfyllts, exempelvis att strömnivån är mer än tre gånger den normala strömnivån, aktiveras FCL 101 för att begränsa ström- 20 25 516 373 6 men. Avkänningen av om utlösningsförhållandet har uppfyllts och aktiveringen av FCL utförs mycket snabbt, inom mindre än en ms. Därigenom begränsas ström- men innan den förhöjda strömmen orsakar någon skada på den elektriska utrust- ningen nedströms skyddsanordningen. Detta ger tid för analys av om denförhöjda strömmen är en felström eller ej.

Block 102 representerar detekteringsorgan för att utvärdera om den för- höjda strömmen är en felström eller en transient Iastström. Eftersom strömmen nu är begränsad är det inte längre bråttom att göra det mycket snabbt. Normalt kan denna utvärdering ske inom en hel period, dvs 20 ms.

Om det avkänns att den förhöjda strömnivån orsakats av en transient last- ström, dvs inte något fel, följer processen linje I, varvid FCL återställs och ström- matningen fortsätter såsom representeras av block 105.

Skulle en felström avkännas så följes linje ll, varvid kretsbrytaren (CB) 103 bryter för att stoppa strömmen. CB:s funktionstid är ca. 30 ms. Felhävningstiden, varaktigheten från det tillfälle då fel uppstår till det att felströmmen bryts, kommer således att vara ca. 50 ms (summan av avkänningstiden och felhävningstiden).

Fig. 2 visar en kurva som illustrerar skillnaden mellan en felström (kurva Fj) och en rusström (Tj), när det inte förekommer någon strömbegränsning.

Fig. 3 visar en kurva som på motsvarande sätt illustrerar strömmarna när strömbegränsning är applicerad, där F2 är felströmmen och T2 är rusströmmen.

Aktiveringen av strömbegränsaren är anordnad att ske vid ca. 3 kA i det visade exemplet. Såsom är uppenbart från fig. 3 kan felströmmen klart särskiljas från rusströmmen redan under den första perioden efter begränsningen av strömmen, dvs inom 20 ms. Genom utvärdering av informationen såsom den ges i fig. 3, kan det bestämmas om FCL var aktiverad på grund av felström eller inte och följaktli- gen bryts kretsbrytaren i motsvarighet därtill eller bibehålls sluten.

De båda situationerna illustreras ytterligare i fig. 4 - 9. Fig. 4 visar ett schema för en del av ett elektriskt nät på vilket uppfinningen är applicerad. I gre- nen 15 av nätet visas tre elektriska komponenter 11, 12, 13, av vilka 12 är en transformator och 13 är en motor. Med hänvisningsbeteckningen 14 betecknas en kortslutning. l grenen 15 är en skyddsanordning 10 enligt uppfinningen anordnad uppströms utrustningen.

Fig. 5 visar situationen i fig. 4. Vid punkt A avkänns en förhöjning av strömmen som överstiger utlösningsförhållandet. Nästan omedelbart (inom 1 ms) 20 25 Q o | u o. 5.16 373 7 e o ø - | a .- begränsas strömmen. Vid punkt B, som uppträder en period senare, är den förhöj- da strömmen identifierad som en felström och vid punkt C, ytterligare 30 ms se- nare, bryts strömmen.

Fig. 6 visar vad som skulle ha hänt om skyddsanordningen 10 inte före- kom, dvs vid användning av tekniken med direkt brytning av strömmen så fort en felström är identifierad. Den mycket stora strömmen på grund av kortslutningen skulle vara under den tid som det tar för att identifiera en felström och den tid det tar för att aktivera CB. Såsom visas i figuren sträcker sig denna tid från A' till C' över mer än två perioder, kanske även tre perioder.

Fig. 7 visar samma nät som i fig. 4 i en situation när transformatorn 12 skall magnetiseras genom slutning av kontakten 16. Någon kortslutning föreligger inte.

Fig. 8 visar ett diagram liknande det enligt fig. 5 och åskådliggörande funk- tionsförloppet under magnetiseringen av transformatorn. Så fort kretsbrytaren 16 sluts höjer magnetiseringsströmmen strömnivån över utlösningsnivån, som av- känns vid A" och följaktligen begränsas strömmen. Vid punkt B", en period senare, avkänns att strömmen inte är någon felström. Därför återställs strömbegränsaren och strömmatningen fortsätter utan avbrott.

Fig. 9 visar den i fig. 7 återgivna situationen, men utan strömbegränsare.

Såsom framgår därav är huvudskillnaden att med strömbegränsare (fig. 8) be- gränsas strömmen under ungefär en halvperiod, vilket är fördelaktigt eftersom transformatorn snabbare når stationärt tillstånd.

Fig. 10 och 11 visar principen för ett variabelt motstånd enligt en utfö- ringsform av uppfinningen. Fig. 10 visar motståndet i ett läge med mycket liten re- sistans och i fig. 11 är resistansen mycket stor. Anordningen kan enkelt beskrivas som en behållare 1 av icke ledande material med en vägg 2, 3 av ledande material vid vardera änden, varvid varje ändvägg 2, 3 är förbunden med en ledare 4, 5. I behållaren finns ett pulver, exempelvis TiB2, med en partikelstorlek av ungefär 10 pm. Ändväggen 3 är förskjutbar sidledes i figuren och är i ett läge i fig. 10 där den starkt trycker mot pulvret. I fig. 11 är ändväggen tillbakadragen så att den inte trycker samman pulvret.

I det i fig. 10 visade tillståndet är pulvret hårt sammanpressat så att det får elektriska egenskaper som liknar de för motsvarande form i solid form. När ett ma- 20 Q . ~ n nu 516 373 8 - . . ø n .- terial som TiBZ med god Iedningsförmåga användes, kommer pulvret därför att va- ra en god ledare med en resistivitet i närheten av mQcm. Sammanpressnings- kraften är några få Mpa.

I det i fig. 11 visade expanderade tillståndet har kornen 6 fått utrymme att separera från varandra så att kornen kommer att nudda varandra med små kon- taktytor. Varje kontaktyta ger upphov till en kontaktresistans och pulvret som hel- het bildar ett stort antal kedjekopplade dylika resistanser, som tillsammans alstrar en avsevärd resistans mellan ändväggarna 2 och 3. l detta fluffiga eller uppluckra- de tillstånd kommer pulvret att ha en resistivitet i storleksordningen MQcm eller högre, dvs 109 gånger högre än i sammanpressat tillstånd. Pulvret blir därvid en isolant.

Förflyttningen av den rörliga ändväggen 3 från det i fig. 10 visade läget till det i fig. 11 sker på ca. 10 ps och volymökningen är ca. 20%. Den negativa tryck- våg som den snabba volymökningen innebär medför, tillsammans med den inne- boende fiädringskraften hos pulvrets partiklar, som utöses vid volymökningen, att pulverkornen sprider sig över den tillgängliga volymen, så att det uppluckrade till- ståndet inträder.

Uppfinningen är emellertid inte begränsad till användning den beskrivna tekniken för strömbegränsning. Andra operationsprinciper för FCL, såsom meka- niska brytare med ljusbågskamrar, LC-resonansbegränsare, halvledarbegränsare, säkringar med ökande impedans och superledare, faller inom den föreliggande uppfinningens område.

Claims (13)

15 20 25 30 5.16 373 7 PATENTKRAV

1. Elektrisk skyddsanordning innefattande en kretsbrytare (103) för att bryta strömmen vid uppträdandet av en felström, vilken anordning vidare innefattar en strömbegränsare (101) och detekteringsorgan (102) kännetecknad av att ström- begränsaren (101) är anordnad att aktiveras vid en strömnivå som är en multipel av den normala strömnivån inom området 2 - 5, företrädesvis ungefär 3, varvid detekteringsorganet (102) är anordnat att avkänna om den förhöjda strömnivån är en felström eller en transient lastström, varvid detekteringsorganet (102) är anord- nat att utföra avkänningen inom 50 ms, företrädesvis inom 20 ms, samt av att kretsbrytaren (103) är anordnad att bryta kretsen om en felström avkèâånns av de- tekteringsorganet (102), men förbli sluten om en transient lastström avkänns av detekteringsorganet (102).

2. Elektrisk skyddsanordning enligt patentkrav 1, där utlösningsförhållandet är en förutbestämd strömnivå över den normala strömnivån.

3. Elektrisk skyddsanordning enligt något av patentkraven 1 - 2, där ström- begränsaren omfattar ett variabelt motstånd (6) med en resistans som är variabel , mellan ett mycket lågt värde, som motsvarar ett ledande tillstånd, och ett mycket högt värde som motsvarar ett i huvudsak isolerande tillstånd, vilket motstånd (6) är anordnat att kunna kontinuerligt omkoppla mellan tillstånden och på kort tid.

4. Elektrisk skyddsanordning enligt patentkrav 3, där motståndets (6) resi- stans är tryckberoende.

5. Elektrisk skyddsanordning enligt patentkrav 4, där motståndet (6) omfattar _ ett pulver (6).

6. Elektrisk skyddsanordning enligt något av patentkraven 1 - 5 och vidare omfattande återställningsorgan (105) för strömbegränsaren samt återställningsor- gan för kretsbrytaren. 20 25 30 516 373 /0

7. Elektrisk krets (108 - 112), kännetecknad av att den är försedd med minst en elektrisk skyddsanordning (10) enligt något av patentkraven 1 - 6.

8. Elektrisk krets enligt patentkrav 7 och omfattande ett flertal ledargrenar (15) med ett flertal laster (11, 12, 13), varvid nämnda minst ena elektriska skydds- anordning (10) är anordnad i en eller flera av ledargrenarna (15).

9. Förfarande för brytning av strömmen i ett elektriskt system, kännetecknat av att strömmen begränsas vid en strömnivå som är en multipel av den normala lastströmmen inom området 2 - 5 och företrädesvis ungefär 3, varefter det be- stäms om den förhöjda strömnivån är en felström eller en transient lååištström där bestämningen sker inom 50 ms från aktiveringen av strömbegränsaren, företrä- desvis inom 20 ms, varvid strömmen bryts om en felström avkänns men förblir obruten om en transient lastström avkänns.

10. Förfarande enligt patentkrav 9, där strömbegränsaren innefattar ett varia- belt motstånd, som är aktiverat genom att motståndet bringas till ett i huvudsak isolerande tillstånd med mycket stor resistans från ett ledande tillstånd med myck- et liten resistans.

11. egenskaper som anges i något av patentkraven 4 - 5. Förfarande enligt patentkrav 10, där det variabla motståndet innefattar de

12. Förfarande enligt något av patentkraven 9 - 11, där strömbegränsaren återställs efter avkänning samt, i det fall strömmen har brutits, efter brytningen av strömmen.

13. kraven 1 - 7 för att förhindra skada som orsakas av felström och för att undvika Användning av den elektriska skyddsanordningen enligt något av patent- onödig brytning när den förhöjda strömnivån har nåtts på grund av andra orsaker.