WO1999017415A1 - Power breaker for power supply and distribution - Google Patents

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Erhard Baltzer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • Circuit breaker device for power supply and distribution
  • the invention relates to a circuit breaker device, in particular for low and medium voltage networks, for energy supply and distribution.
  • the object on which the invention is based is to provide a concept for realizing a circuit breaker device in which the effort for the control in both air-insulated and m gas-insulated systems is considerably reduced and, in particular n gas-insulated systems, gas-tight, mechanically complex bushings for controlling the Circuit breakers are unnecessary. According to the invention, this is achieved by features 1.1.
  • the circuit breaker device contains a semiconductor switch,
  • the high-temperature superconducting current limiter is connected to a quench detector
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) 1.4 the quench detector acts on control electronics in such a way that when a voltage drop at the current limiter is detected by means of the control electronics, the semiconductor switch controls the blocking state directly
  • the invention is based on the knowledge of short-circuit current limitation with superconducting current limiters n in conjunction with circuit breaker devices, in particular the
  • liquid nitrogen present for the current limiter can also be used to cool the semiconductors.
  • the semiconductor switch is formed from controllable semiconductors (thyristors).
  • the semiconductor switch can thereby be controlled in a particularly simple manner from the conductive state to the non-conductive state or vice versa.
  • the operating voltage of the circuit breaker devices can be realized by connecting the semiconductor switches in series. Circuit breakers for various operating voltages can thus be manufactured.
  • the operating current of the circuit breaker devices can be realized by a parallel connection of semiconductor switches. This allows circuit breakers to be designed for a wide range of different operating currents and operating voltages.
  • the circuit breaker device LS contains the semiconductor switch HS, which forms a series circuit with the high-temperature superconducting current limiter SB.
  • the high-temperature superconducting current limiter SB is connected to a quench detector QD, which influences the downstream control electronics SE with its output signal in the event of a transition from the superconducting state to the normally conducting state in such a way that when a voltage drop is detected at the current

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Abstract

The invention relates to a power breaker, especially for low and medium voltage networks, designed for power supply and distribution. The power breaker has a semiconductor switch (HS) to which a high-temperature supraconductive current limiter (SB) is connected downstream. The current limiter (SB) is connected to a quench detector (QD) which actuates a control electronics (SE) in such a way that it directly switches the semiconductor switch (HS) to an off-state mode when it detects a voltage drop in the current limiter (SB). The inventive power breaker is used for energy supply and distribution, especially in low and medium voltage networks.

Description

Beschreibungdescription
Leistungsschaltereinrichtung zur Energieversorgung und -VerteilungCircuit breaker device for power supply and distribution
Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -Verteilung.The invention relates to a circuit breaker device, in particular for low and medium voltage networks, for energy supply and distribution.
In den Nieder- und Mittelspannungsnetzen sind bisher zurIn the low and medium voltage networks have so far been used
Energieversorgung und -Verteilung luft- und gasisolierte Leistungsschalter eingesetzt. Zur Ein- und Ausschaltung dieser Leistungsschalter sind mechanisch betätigte Antriebe vorgesehen, die, insbesondere m Bezug auf die gasisolierten Anla- gen, mittels gasdichter Durchfuhrungen auf die Leistungsschalter einwirken.Power supply and distribution air and gas insulated circuit breakers used. Mechanically actuated drives are provided for switching these circuit breakers on and off, which act on the circuit breakers by means of gas-tight bushings, in particular in relation to the gas-insulated systems.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Konzept zur Realisierung einer Leistungsschaltereinrichtung anzugeben, be dem der Aufwand für die Steuerung sowohl in luft- als auch m gasisolierten Anlagen erheblich reduziert ist und, insbesondere n gasisolierten Anlagen, gasdichte, mechanisch aufwendige Durchfuhrungen zur Steuerung der Leistungsschalter entbehrlich sind. Erfmdungsgemaß wird dies durch die Merkmale 1.1 die Leistungsschaltereinrichtung enthalt einen Halbleiterschalter,The object on which the invention is based is to provide a concept for realizing a circuit breaker device in which the effort for the control in both air-insulated and m gas-insulated systems is considerably reduced and, in particular n gas-insulated systems, gas-tight, mechanically complex bushings for controlling the Circuit breakers are unnecessary. According to the invention, this is achieved by features 1.1. The circuit breaker device contains a semiconductor switch,
1.2 dem Halbleiterschalter ist ein hochtemperatur-supraleitender Strombegrenzer nachgeschaltet,1.2 the semiconductor switch is followed by a high-temperature superconducting current limiter,
1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer steht mit einem Quenchdetektor m Verbindung,1.3 the high-temperature superconducting current limiter is connected to a quench detector,
ERSATZBLÄIT (REGEL26) 1.4 der Quenchdetektor wirkt derart auf eine Steuerelektronik ein, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer mittels der Steuerelektronik der Halblei- terschalter unmittelbar m den Sperrzustand gesteuertREPLACEMENT BLADE (RULE 26) 1.4 the quench detector acts on control electronics in such a way that when a voltage drop at the current limiter is detected by means of the control electronics, the semiconductor switch controls the blocking state directly
erreicht .reached .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine Kurzschlußstrombegrenzung mit supraleitenden Strombegrenzern n Verbm- düng mit Leistungsschaltereinrichtungen, insbesondere derThe invention is based on the knowledge of short-circuit current limitation with superconducting current limiters n in conjunction with circuit breaker devices, in particular the
Nieder- und Mittelspannungstechnik, zu nutzen. Der Effekt der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer, beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (Quench) den Widerstandswert des Materials zu verandern, ist m einem Artikel der Fachzeitschrift „etz, Heft 12/1997, Seite 36, 37 beschrieben und dient im Zusammenhang mit der erfinderischen Leistungsschaltereinrichtung direkt zur Steuerung des Schaltelements, das durch die Unterbrechung des Stromflusses die Abschaltung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz bewirkt. Als erfindungswesentlich ist darüber hinaus anzusehen, daß die Leistungsschaltereinrichtung als Schaltelement statt des mechanisch zu betätigenden Schaltkontaktes einen Halbleiterschalter vorsieht, der im Zusammenwirken mit dem Quenchdetektor m sehr kurzer Zeit ohne mechanisch zu betätigende Schaltgestange in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden kann. Durch die kurze Reaktionszeit der Halbleiterschal- ter ist die Eigenerwärmung der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer gegenüber den herkömmlichen, mechanisch gesteuerten Leistungsschaltereinrichtungen erheblich reduziert. Bei einem etwa linearen Zusammenhang zwischen der Erwärmung und der Ruckkuhlzeit der supraleitenden Strombegrenzer er-Low and medium voltage technology. The effect of the high-temperature superconducting current limiter to change the resistance value of the material during the transition from the superconducting to the normal conducting state (quench) is described in an article in the specialist magazine "etz, issue 12/1997, pages 36, 37 and is used in connection with the inventive circuit breaker device directly for controlling the switching element, which causes the shutdown of the low or medium voltage network by interrupting the current flow. Essential to the invention is also to be seen that the circuit breaker device as a switching element instead of the mechanically operated switch contact provides a semiconductor switch that can be switched in cooperation with the quench detector m in a very short time without mechanically operated shift rod in the non-conductive state. Due to the short response time of the semiconductor switches, the self-heating of the high-temperature superconducting current limiters is considerably reduced compared to the conventional, mechanically controlled circuit breaker devices. With an approximately linear relationship between the heating and the cooling time of the superconducting current limiters,
ERSATZBLÄΓT (REGEL 26) niedπgt sich bei einer Reduzierung der normalleitendenSPARE BLADE (RULE 26) is reflected in a reduction in the normal conductivity
Stromflußdauer bei mechanisch steuerbaren Leistungsschaltereinrichtungen von ca. 50 ms (Millisekunden) bei elektronisch steuerbaren Halbleiterschaltern auf ca. 10 ms, so daß sich die Ruckkuhlzeit dementsprechend von 1 s (Sekunde) auf 0,2 s verringert.Current flow time for mechanically controllable circuit breaker devices from approx. 50 ms (milliseconds) for electronically controllable semiconductor switches to approx. 10 ms, so that the cooling time is reduced accordingly from 1 s (second) to 0.2 s.
Unterbrechungszeiten von 200 ms als Folge eines Kurzschlusses sind m den Netzen der Nieder- und Mittelspannungstechnik noch zulassig, so daß die Anwendung dieser Strombegrenzer allgemein m Schaltkreisen der Energieversorgung und -Verteilung möglich ist.Interruption times of 200 ms as a result of a short circuit are still permissible in the networks of low and medium voltage technology, so that the use of these current limiters is generally possible in m circuits for power supply and distribution.
Halbleiterschalter der verschiedensten Arten wurde wegen der hohen Verlustleistungen bisher für diese Anwendungszwecke j e- doch nicht eingesetztSemiconductor switches of various types have so far not been used for these applications because of the high power losses
Im Zusammenhang mit den hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzern und einem schnell reagierenden Quenchdetektor ist, wie bereits ausgeführt, eine sehr kurze Ruckkuhlzeit des Strombegrenzers erreichbar, so daß die Aufwendungen zur Kuh- lung der Halbleiterschalter in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen liegen.In connection with the high-temperature superconducting current limiters and a fast-reacting quench detector, a very short cooling time of the current limiter can be achieved, as already stated, so that the expenditure for cooling the semiconductor switches is in an economically justifiable range.
Bei entsprechender Positionierung kann zur Kühlung der Halbleiter auch der für den Strombegrenzer vorhandene flussige Stickstoff verwendet werden.With appropriate positioning, the liquid nitrogen present for the current limiter can also be used to cool the semiconductors.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das MerkmalAccording to an advantageous embodiment of the invention, the feature
2.1 der Halbleiterschalter ist aus steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) gebildet, vorgesehen.2.1 the semiconductor switch is formed from controllable semiconductors (thyristors).
ERSATZBLÄTT (REGEL26) Der Halbleiterschalter kann dadurch besonders einfach vom leitenden Zustand m den nicht leitenden Zustand bzw. umgekehrt gesteuert werden.SPARE BLADE (RULE 26) The semiconductor switch can thereby be controlled in a particularly simple manner from the conductive state to the non-conductive state or vice versa.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das MerkmalThe feature provides a further advantageous embodiment of the invention
3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für verschiedene Betriebsspannungen herstellen.3.1 the operating voltage of the circuit breaker devices can be realized by connecting the semiconductor switches in series. Circuit breakers for various operating voltages can thus be manufactured.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das MerkmalThe feature provides a further advantageous embodiment of the invention
4.1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen st durch eine Parallelschaltung von Halbleiterschaltern realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für ein breites Spektrum von unterschiedlichen Betriebsstromen und Betriebsspannungen konzipieren.4.1 the operating current of the circuit breaker devices can be realized by a parallel connection of semiconductor switches. This allows circuit breakers to be designed for a wide range of different operating currents and operating voltages.
Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestelltes Ausfuh- rungsbeispiel naher erläutert, m dem lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Schaltelemente dargestellt sind. Die Leistungsschaltereinrichtung LS enthalt den Halbleiter- Schalter HS, der mit dem hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer SB eine Reihenschaltung bildet. Der hochtemperatur- supraleitende Strombegrenzer SB ist mit einem Quenchdetektor QD verbunden, der mit seinem Ausgangssignal im Fall des Überganges vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zu- stand die nachgeschaltete Steuerelektronik SE derart beeinflußt, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombe-The invention is explained in more detail by means of a figurative exemplary embodiment, in which only the switching elements necessary for understanding the invention are shown. The circuit breaker device LS contains the semiconductor switch HS, which forms a series circuit with the high-temperature superconducting current limiter SB. The high-temperature superconducting current limiter SB is connected to a quench detector QD, which influences the downstream control electronics SE with its output signal in the event of a transition from the superconducting state to the normally conducting state in such a way that when a voltage drop is detected at the current
ERSATZBLAH (REGEL26) grenzer SB der Halbleiterschalter HS unmittelbar in denERSATZBLAH (REGEL26) limit SB of the semiconductor switch HS directly in the
Sperrzustand geschaltet ist. Mit dieser Schaltmaßnahme werden sowohl der Strombegrenzer SB als auch die nicht dargestellten Verbraucher vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz abgeschal- tet .Locked state is switched. With this switching measure, both the current limiter SB and the consumers (not shown) are switched off from the low or medium voltage network.
Im Gegensatz zu den konventionellen Kurzschlußstrombegrenzern, beispielsweise realisiert durch schnelle Schalter, sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschaltereinrichtungen keine zusätzlichen Einrichtungen zur Fehlererkennung und zur Auslösung des Strombegrenzers SB erforderlich. Das Verfahren arbeitet reversibel und ohne Austausch von Komponenten nach einem Ansprechen im Kurzschlußfall. Die reversible Wirkungsweise der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer SB ermöglicht darüber hinaus die automatische Wiederaufhebung der Abtrennung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz, nachdem der Fehlerzustand, beispielsweise ein Kurzschlußstrom, beseitigt ist . In contrast to the conventional short-circuit current limiters, for example implemented by fast switches, no additional devices for fault detection and for triggering the current limiter SB are required in the circuit breaker devices according to the invention. The method works reversibly and without replacement of components after a response in the event of a short circuit. The reversible mode of action of the high-temperature superconducting current limiter SB also enables the disconnection from the low-voltage or medium-voltage network to be automatically canceled after the fault condition, for example a short-circuit current, has been eliminated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -Verteilung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Merkmale1. Circuit breaker device, especially for low and medium voltage networks, for energy supply and distribution, g e k e n n e e i c h n e t d u r c h the features
1.1 die Leistungsschaltereinrichtung (LS) enthalt einen Halbleiterschalter (HS) ,1.1 the circuit breaker device (LS) contains a semiconductor switch (HS),
1.2 dem Halbleiterschalter (HS) ist ein hochtemperatur- supraleitender Strombegrenzer (SB) nachgeschaltet, 1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer (SB) steht mit einem Quenchdetektor (QD) in Verbindung, 1.4 der Quenchdetektor (QD) wirkt derart auf eine Steuerelektronik (SE) ein, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer (SB) mittels der Steuerelek- tronik (SE) der Halbleiterschalter (HS) unmittelbar m den Sperrzustand gesteuert ist.1.2 the semiconductor switch (HS) is followed by a high-temperature superconducting current limiter (SB), 1.3 the high-temperature superconducting current limiter (SB) is connected to a quench detector (QD), 1.4 the quench detector (QD) acts in this way on control electronics (SE) a that when the detection of a voltage drop at the current limiter (SB) by means of the control electronics (SE) the semiconductor switch (HS) is controlled directly m the blocking state.
2. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal 2.1 der Halbleiterschalter (HS) ist aus steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) gebildet.2. Circuit breaker device according to claim 1, the feature 2.1 of the semiconductor switch (HS) is formed from controllable semiconductors (thyristors).
3. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1 und den Patentansprüchen 1 und 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal3. Circuit breaker device according to claim 1 and claims 1 and 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h the feature
3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter (HS) realisierbar. 3.1 the operating voltage of the circuit breaker devices (LS) can be achieved by connecting the semiconductor switches (HS) in series.
4. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, den Patentansprüchen 1 und 2 und den Patentansprüchen 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal .1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Parallelschaltung von Halbleiterschaltern (HS) realisierbar. 4. Circuit breaker device according to claim 1, claims 1 and 2 and claims 1 to 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h the feature. 1 the operating current of the circuit breaker devices (LS) can be realized by a parallel connection of semiconductor switches (HS).
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