WO2010020411A1 - Begrenzungsvorrichtung für fehlerströme in einer wechselstrom-niederspannungsanlage - Google Patents

Begrenzungsvorrichtung für fehlerströme in einer wechselstrom-niederspannungsanlage Download PDF

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WO2010020411A1
WO2010020411A1 PCT/EP2009/006023 EP2009006023W WO2010020411A1 WO 2010020411 A1 WO2010020411 A1 WO 2010020411A1 EP 2009006023 W EP2009006023 W EP 2009006023W WO 2010020411 A1 WO2010020411 A1 WO 2010020411A1
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WO
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current
voltage
low
limiting device
medium voltage
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Application number
PCT/EP2009/006023
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English (en)
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Inventor
Andreas Schumacher
Original Assignee
Moeller Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/021—Details concerning the disconnection itself, e.g. at a particular instant, particularly at zero value of current, disconnection in a predetermined order
    • H02H3/023—Details concerning the disconnection itself, e.g. at a particular instant, particularly at zero value of current, disconnection in a predetermined order by short-circuiting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H39/00—Switching devices actuated by an explosion produced within the device and initiated by an electric current

Definitions

  • the invention relates to a limiting device for short circuits and arcing faults in an AC low-voltage system, in particular in a wind turbine.
  • electrical energy is passed from a power generator (wind energy installation) via a wiring harness (for example busbar) over a plurality of parallel power cabinets and via a wiring harness and a collecting string to a transformer.
  • the power cabinets are designed for a current of approx. 500 to 600 A and generate low voltage with a fixed frequency. In order to be able to feed in the full power of the power generator, several power cabinets must be used in parallel to handle the highest currents.
  • the transformer raises the voltage to medium voltage level for feeding into the medium voltage grid. On the medium-voltage side, there is a medium-voltage circuit breaker between transformer and medium-voltage network.
  • At full load of the current generator rated currents can occur on the low voltage side, which are in the range of 6,000 to 7,000 A.
  • a wind turbine with a rated output of 2 to 3 MW supplies currents of up to 7,000 A, so that a total of 14 power cabinets must be used.
  • the essence of the invention is that the system is equipped on the low-voltage side with a protection system which discriminates occurring fault or short-circuit currents according to the strength of their surge and these currents can be switched off by a circuit mechanism.
  • a protection system which discriminates occurring fault or short-circuit currents according to the strength of their surge and these currents can be switched off by a circuit mechanism.
  • the advantages of the invention are that the protection system is so effective that conductor strands in the low voltage installation can remain normally dimensioned, or even installed undersized.
  • the protection system on the low-voltage side is constructed as follows: In the protection system, a current detection device is integrated, wherein the current detection device is used to detect the current intensity on the manifold.
  • the protection system further comprises a protection circuit and a multi-phase, in particular three-phase fast short circuiter, which is arranged parallel to the collecting string, the protection circuit is acted upon by the current detection device, and on occurrence of a short circuit with current lying above the rated current switching signals to the quick-short-circuiter and a shutdown signal to the Medium voltage circuit breaker can be transmitted.
  • the invention has particular advantages in such wind power plants where converters (power cabinets) and transformers are at ground level, so that relatively long supply strings are present down from the generator at tower height.
  • converters power cabinets
  • transformers are at the level of the mast (in the nacelle).
  • the fast short-circuiter which is to be arranged as close as possible to the transformer connection straps, should have sufficient current-carrying capacity for a prospective current strength of a short circuit. Otherwise, other quick-closing devices could be used as individual devices with lower current carrying capacity, which are each connected and acted in parallel. Two or more short-circuiters as individual devices with lower current carrying capacity would then perform the switching operation safely and quickly.
  • Quick short-circuiters with the required properties are known. It should be mentioned here: short-circuiting over thyristors switching short-circuit switch (DE 4438593 A1) or switch type vacuum interrupter (DE 4404074 A1). Some types of quick-start Closers are multiple short-circuiters, while others can only be operated once (single short-circuiters).
  • a quick-action short-circuiter of the type of a pyrotechnically operated short-short closer (EP 1052 665 B1 or WO 2000 62320 A1) is proposed.
  • This short-circuit closer can cause a short circuit in an operating time of less than 3 ms.
  • the pyrotechnic drive drives a metallic bolt through a stack of connecting rails, so that the phases are electrically and mechanically contacted with each other within the operating time and a short circuit is generated.
  • Pyrotechnically operated short-circuiters are disposable short-circuiters that must be replaced after a switching operation. In a low-voltage system, the disassembly of the actuated disposable short-circuiter and the installation of a new quick-short closer can be carried out by a person trained in electrical engineering.
  • One or more detection thresholds of the current sensing device may be fixed, or may be variably adjustable.
  • the invention is based on two detection thresholds, one threshold below 3 times (eg 2 times) and the other threshold above 3 times (eg 4 times) the rated current.
  • the low threshold (or setting) should be effective if, in addition to a short-circuit detection, an arc fault is also detected.
  • the higher threshold (or setting) is the triggering criterion if there is no arc fault and thus no optical signal reaches the protection system.
  • the threshold lower than twice the rated current.
  • a current transformer for example, magnetic transducer, Rogowski type or Hall sensor
  • the protection system is thus combined on the low-voltage side with an arc-fault protection system.
  • the area from the transformer to the terminals of the power cabinets is thus monitored for the formation of arcs in the known manner by the use of light sensors and current transformers.
  • the fast short circuiter is activated and the fault current commutates in a few milliseconds to the quick short circuit breaker and relieves the system.
  • the switchgear is protected by the parallel short circuit. The system is then disconnected from the grid without delay and controlled via the circuit breaker in the medium-voltage switchgear.
  • the arc monitoring system detects a physical parameter (light, pressure, sound, magnetic field, etc.) of the arc generated in the system, preferably the light phenomenon. Therefore, optical detection means are proposed (usually optical waveguides).
  • the arc monitoring system consists of at least one arc sensor and an evaluation unit which emits an output signal, referred to as an arc signal, to the protection system via at least one monitoring line.
  • the detailed structure of elements of the arc detection and the short-circuiting device can be designed by the expert at will.
  • the central unit is the communication link between the protection system and the circuit breaker and short circuiter. It may also be specified in the central unit that the protection system is only activated when an arc fault occurs in a preselectable feed-in circuit or in a group of feed-in circuits of the system. Thus, several feed circuits, for example three power cabinets, can be combined into one group, whereby a protection zone is formed for each group.
  • the protection system can furthermore be designed so that a message of the fault occurs via a data line online to a message receiver, and is specified in the message in which feed circuit (or in which group) the error has occurred.
  • the quick-short-circuiter should be connected to terminal straps of the transformer on the low-voltage side or in its immediate vicinity. Local installation on or on the transformer output straps shortens the length of a low-side conductor rail to a minimum, thereby limiting the amount of potential damage.
  • the medium-voltage circuit breaker connected in the event of a short-circuit should be electronically controllable and lockable so that it can not be switched on again as long as the operated and possibly not re-actuable quick-closing device is still installed. is lier. This creates protection for renewed (unintentional) reconnection to the existing short circuit.
  • the voltage level of the low-voltage installation in which the arrangement according to the invention is to be used can be, for example, 400 or 690 V.
  • the medium voltage level can be 18 or 24 kV.
  • Fig. 1 shows schematically a protection system
  • Fig. 2 shows a circuit logic for threshold adjustment and evaluation.
  • Fig. 1 shows schematically the arrangement of a protection system in an AC low-voltage system.
  • the power generation and feeding is done by a wind turbine (power generator 6) via a supply line 7.
  • a wind turbine power generator 6
  • supply line 7 With increasing feed power (depending on wind strength) several power cabinets 8, 8 'connected in parallel. Ten to fifteen power cabinets can work in parallel.
  • a line sub-string can be led directly to the transformer 70 (or to a feed node 14 on the collective strand), so that the existing line sub-strands are all parallel.
  • 1, an alternative is selected in which line sub-strings 12.1 are routed to the cable line, and the sub-sections 12.2 ', 12.2 ", etc. are in series all the way to the collective cross-section node 14.
  • increasing the line thickness indicates that line sections 12.1, 12.2 ', 12.2" and collecting line 12 correspond to the high current levels with increasing conductor cross-sections (designed as a cable or as a busbar) are installed.
  • the power cabinets (in the form of circuit arrangements) essentially comprise a voltage-to-frequency converter which converts the voltage obtained from the wind turbine generator into a fixed-frequency alternating voltage (50 or 60 Hz) to low-voltage level.
  • a feed-in protection switch 10 is part of the power cabinets.
  • the switch-off times of these feed switches 10 are in the range 10 to 500 ms, depending on the power level.
  • Devices for controlling and / or controlling the wind turbines, the network situation, the wind conditions and other settings or events may also be present as part of a feed circuit.
  • the monitored variables can be linked via data lines with a remote monitoring. Line strands and collective strand of the low-voltage system can be designed as a cable and / or as a busbar.
  • the electrical energy is conducted to the transformer 70, which raises the voltage to medium voltage level for feeding into a medium voltage network 100.
  • a medium voltage circuit breaker 80 is present, which may have a turn-off time in the range of up to 500 ms.
  • a multi-phase rapid short-circuiter 60 is arranged in the system on the low-voltage side parallel to the collecting string 12 and a protective system is provided.
  • the current across the manifold 12 is monitored by a current sensing device (current sensor 50).
  • the protection system additionally includes linear optical arc fault sensors 40 (optical fibers), which transmit an optical detection signal to an arc fault relay 42.
  • the arc fault relay 42 sends an electrical trip signal 44 to an electronic central unit 45.
  • the current detection signal 52 passes from the current sensor 50, which detects the entire short-circuit situation 50.
  • the CPU 45 If the fault current (short circuit or arc fault) is above the first presettable threshold (S1), the CPU 45 transmits a detection signal to the protection circuit 48. From this, an overcurrent and simultaneous optical detection (40, 42, 44) (caused by an arc fault) a (first) trigger signal S1.54 to the Schnellkurzschtechniker 60 and a shutdown pulse 58 transmitted to the medium voltage circuit breaker.
  • the first switch or trip signal 54 to the quick-short-circuiter 60 should be set to the first current sense threshold (eg, I> 1.5 to 3 I N ).
  • a second switching or tripping signal S2.56 should be set to the second current detection threshold (eg greater than 3 I N or greater than 4 I N ).
  • the protection circuit 48 likewise gives a trigger signal 56 to the quick-short circuiter 60 and a shut-off pulse 58 to the magnetic release of the medium-voltage circuit breaker 80.
  • the protection system is associated with a device for evaluating the short-circuit current.
  • One element of the protection system or protection circuit 45 is the threshold value setting.
  • the core of the evaluation device are two comparators 63, 64 to which the current detection signal 50, 52, 45 respectively arrives.
  • the setting range of the threshold setting S1 may include values of 1.5 to 3 times the rated current I N.
  • the size S2 can be adjustable in the range of 3 times to 6 times.
  • the triggering mechanism of the medium-voltage circuit breaker 80 is always addressed via the switch-off pulse 58, so that its contacts open.
  • optical signaling signals 40, 44 from the respective power cabinets 8, 8 'or from one of the groups of power cabinets can be evaluated separately in the protective circuit. Since busbars, device or connection spaces, partitions, covers or device enclosures can be designed differently in the feed circuits, different groups can be defined.
  • S1 first switching signal (1, 5 I N ⁇ I ⁇ 3 I N ) at opt. detection

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Begrenzungsvorrichtung für Kurzschlüsse in einer Wechselstrom-Niederspannungsanlage, insbesondere in einer Windkraftanlage mit mindestens einem Stromgenerator (Windradgenerator 6) zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz 100. Hierbei wird elektrische Energie von mindestens einem Leistungsschrank 8,8' über Leitungsstrang 12.1,12.2' und Sammelstrang 12 an einen Transformator 70 geleitet, der die Spannung auf Mittelspannungsniveau zur Einspeisung in das Mittelspannungsnetz 100 anhebt. Auf der Mittelspannungsseite ist zwischen Transformator 70 und Mittelspannungsnetz 100 ein Mittelspannungsleistungsschalter 80 vorhanden. Die Anlage ist auf der Niederspannungsseite mit einem Lichtbogen- und Kurzschlussüberwachungssystem ausgerüstet. Dem Sammelstrang 12 ist eine Stromerfassungsvorrichtung 50 zugeordnet. Parallel zum Sammelstrang 12 ist ein mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger Schnellkurzschließer 60 angeordnet. Bei Vorliegen eines von der Stromerfassungsvorrichtung 50 ermittelten und durch einen Störlichtbogen oder Kurzschluss hervorgerufenen Überstroms wird von dem Überwachungssystem ein Auslösesignal an den Schnellkurzschließer 60 und ein Abschaltimpuls an den Mittelspannungsleistungsschalter 80 übermittelt.

Description

Begrenzungsvorrichtung für Fehlerströme in einer Wechselstrom-Niederspannungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Begrenzungsvorrichtung für Kurzschlüsse und Störlichtbögen in einer Wechselstrom-Niederspannungsanlage, insbesondere in einer Windenergieanlage.
Bei der im Rahmen der Erfindung betrachteten Niederspannungsanlage wird elektrische E- nergie von einem Stromgenerator (Windenergieanlage) über einem Leitungsstrang (z.B. Sammelschiene) verteilt über mehrere parallel-liegende Leistungsschränke und über einen Leitungsstrang und einen Sammelstrang an einen Transformator geleitet. Die Leistungsschränke sind auf eine Stromstärke von ca. 500 bis 600 A ausgelegt und erzeugen Niederspannung mit einer festen Frequenz. Um die volle Leistung des Stromgenerators einspeisen zu können, müssen mehrere Leistungsschränke in Parallel-Schaltung eingesetzt werden, um die höchsten Stromstärken zu bewältigen. Der Transformator hebt die Spannung auf Mittelspannungsniveau zur Einspeisung in das Mittelspannungsnetz an. Auf der Mittelspannungsseite ist zwischen Transformator und Mittelspannungsnetz ein Mittelspannungsleistungs- schalter vorhanden. Bei Voll-Last des Stromgenerators können auf der Niederspannungsseite Nennströme auftreten, die im Bereich von 6.000 bis 7.000 A liegen. So liefert ein Windrad mit einer Nennleistung von 2 bis 3 MW Ströme bis zu 7.000 A, so dass eine Zahl von 14 Leistungsschränke einzusetzen sind.
Auf der Mittelspannungsebene können mehrer Windräder zu einem Windpark zusammengeschaltet sein. Ein typisches Beispiel eines Windparks findet sich in der DE 10 2004 048341 A1. Durch Zusammen- und Parallelschalten mehrerer Windenergieanlagen zu einem Windparkverbund auf Mittelspannungsniveau entsteht die Problematik, dass niederspannungssei- tig von der Mittelspannungsebene gespeiste Kurzschlussströme von mehreren 10.000 A auftreten können. Vom Generator auf der Niederspannungsseite können derart hohe Kurzschlussströme nicht erzeugt werden. Im Fall eines von der Mittelspannungsebene gespeisten Kurzschlussstroms ist die Energieflussrichtung in umgekehrter Richtung wie im normalen Betriebszustand. Ein Mittelspannungsschalter agiert bei einem solchen Fehler zu träge und kann keinen effektiven Schutz bieten. Die Niederspannungsanlage, insbesondere ihre Stromleiter werden bei Überströmen extrem belastet.
Man könnte diesem Gefahrenpotential und Nachteil dadurch begegnen, in dem man die Stromleiter- Stränge in der Niederspannungsanlage mit hinreichender Stromtragfähigkeit für einen prospektiv zu erwartenden Stromstoß ausbildet. Dies bedeutet jedoch hohen Material- aufwand (ausreichende Leiterquerschnitte und verstärkte Schienenträger) für ein nur selten auftretendes Ereignis.
In Niederspannungsschaltanlagen ein Schutzsystem mit Kurzschluss-, insbesondere mit Störlichtbogenüberwachung und mit Niederspannungs-Leistungsschaltem vorzusehen, ist aus der DD 234 541 A1 bekannt.
Allerdings kann dies keine Lösung für die im Rahmen der Erfindung betrachteten Niederspannungsanlage sein. Der technische Unterschied zwischen Niederspannungsanlagen und Hoch- oder Mittelspannungsanlagen liegt insbesondere darin, darin dass bei vergleichbarer Leistung in Hoch- oder Mittelspannungsanlagen Stromstärken deutlich geringer sind als in Niederspannungsanlagen. Daher lassen sich Kurzschlüsse in Hoch- oder Mittelspannungsanlagen einfacher mit Leistungsschaltern beherrschen. Ein Beispiel eines Schutzsystems, bei dem auch ein Störlichtbogenüberwachungssystemen eingesetzt ist findet sich in der AT 209403 B.
Das besondere Problem liegt darin, dass für Kurzschluss-Ströme in der vorgenannten Stromstärke für Niederspannung keine Schutzschalter zur Verfügung stehen. Bei Voll-Last können sich Nennströme einstellen, die größer sind als Bemessungsströme von Nieder- spannungs-Leistungsschaltem. Man könnte zwar darauf zurückgreifen, statt einen Leistungsschalter zwei Niederspannungs-Leistungsschalter parallel zu legen. Dies ist jedoch extrem teuer und weiterhin mit dem Nachteil verbunden, dass technisch nicht sicher ist, dass im Störungsfall auch beide Leistungsschalter wirkungsvoll schalten. ,
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Schutzsystem in Form eines Fehlerstrom- oder Kurzschluss-Strom-Managements für eine Wechselstrom-Niederspannungsanlage vorzulegen, insbesondere bei Auftreten von Fehlerströmen (auf der Niederspannungsseite), die von der Mittelspannungsebene eingespeist werden, ohne bei der Anlage erhöhten Aufwand hinsichtlich ihrer Kurzschlussfestigkeit zu treiben.
Die Lösung der Aufgabe findet sich im Hauptanspruch, wobei in Unteransprüchen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen formuliert sind.
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Anlage auf der Niederspannungsseite mit einem Schutzsystem ausgerüstet ist, welches auftretende Fehler- oder Kurzschluss-Ströme nach der Stärke ihres Stromstosses diskriminiert und diese Ströme von einem Schaltungsmechanismus abschaltbar sind. Bei Auftreten eines Überstroms in dem Sammelstrang werden vom Schnellkurzschließer die Phasen des Sammelstrangs kurzgeschlossen. Hiernach fließt nur noch ein Bruchteil des Überstroms in die Niederspannungsanlage, so dass bis zum vollständigen Öffnen des Mittelspannungsleistungsschalters die Anlage, insbesondere die Stromleiterstränge entlastet werden. Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass auf der Niederspannungsseite kein Schutzschalter eingesetzt wird.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass das Schutzsystem so effektiv ist, dass Stromleiterstränge in der Niederspannungsanlage normal dimensioniert bleiben können, oder sogar unterdimensioniert installiert sein können.
Das Schutzsystem auf der Niederspannungsseite wird wie folgt aufgebaut: In dem Schutzsystem ist eine Stromerfassungsvorrichtung integriert, wobei die Stromerfassungsvorrichtung der Erfassung der Stromstärke auf dem Sammelstrang dient. Das Schutzsystem umfasst weiterhin eine Schutzschaltung und einen mehrphasiger, insbesondere dreiphasiger Schnellkurzschließer, der parallel zum Sammelstrang angeordnet ist, wobei die Schutzschaltung von der Stromerfassungsvorrichtung beaufschlagbar ist, und bei Auftreten eines Kurzschlusses mit über dem Nennstrom liegender Stromstärke Schaltsignale an den Schnellkurzschließer und ein Abschaltsignal an den Mittelspannungsleistungsschalter übermittelbar sind.
Die Erfindung hat besondere Vorteile in solchen Windenergieanlage, bei denen sich Umsetzer (Leistungsschränke) und Transformatoren auf Erdbodenniveau befinden, so dass relativ lange Versorgungsstränge vom Generator auf Turmhöhe herunter vorhanden sind. Es gibt andere Typen von Windrädern, bei denen sich Transformatoren und/oder Umsetzer auf der Höhe des Mastes (in der Gondel) befinden.
Der Schnellkurzschließer, welcher möglichst nah an den Transformatoranschlusslaschen anzuordnen ist, sollte eine ausreichende Stromtragfähigkeit für eine prospektiv zu erwartende Stromstärke eines Kurzschlusses aufweisen. Ansonsten könnten weitere Schnellkurzschließer als Einzelgeräte mit geringerer Stromtragfähigkeit eingesetzt werden, die jeweils parallel geschaltet und beaufschlagt sind. Zwei oder mehr Kurzschließer als Einzelgeräte mit geringerer Stromtragfähigkeit würden den Schaltvorgang dann sicher und schnell ausüben.
Schnellkurzschließer mit den geforderten Eigenschaften sind bekannt. Es sollen hier genannt werden: Kurzschließer über Thyristoren schaltende Kurzschluss-Schalter (DE 4438593 A1) oder Schalter vom Typ Vakuumschaltröhre (DE 4404074 A1 ). Einige Typen von Schnellkurz- Schließern sind Mehrfach-Kurzschließer, andere wiederum können nur ein einziges Mal betätigt werden (Einmal-Kurzschließer).
Vorzugsweise wird ein Schnellkurzschließer vom Typus eines pyrotechnisch betriebenen Schnellkurzschließers (EP 1052 665 B1 oder WO 2000 62320 A1 ) vorgeschlagen. Dieser Schnellkurzschließer kann in einer Betätigungszeit von kürzer als 3 ms einen Kurzschluss herbeiführen. Der pyrotechnische Antrieb treibt einen metallischen Bolzen durch einen Stapel von Anschluss-Schienen, so dass die Phasen innerhalb der Betätigungszeit untereinander elektrisch und mechanisch kontaktiert werden und ein Kurzschluss erzeugt wird. Pyrotechnisch betriebene Schnellkurzschließer sind Einmal-Kurzschließer, die nach einem Schaltvorgang ausgewechselt werden müssen. In einer Niederspannungsanlage kann die Demontage des betätigten Einmal-Kurzschließers und die Montage eines neuen Schnellkurzschließers von einer elektrotechnisch unterwiesenen Person vorgenommen werden.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben, die einzeln oder in Kombination miteinander verwirklicht sein können.
Eine oder mehrere Erfassungsschwellen der Stromerfassungsvorrichtung können fest eingestellt, oder können veränderlich einstellbar sein. Vorzugsweise geht die Erfindung von zwei Erfassungsschwellen aus, wobei die eine Schwelle unterhalb des 3fachen (beispielsweise dem 2fachen) und die andere Schwelle über dem 3fachen (beispielsweise dem 4fachen) des Nennstroms beträgt. Die niedrige Schwelle (oder Einstellung) soll greifen, wenn neben einer Kurzschluss-Erkennung auch ein Störlichtbogen erfasst wird. Die höhere Schwelle (o- der Einstellung) gilt als Auslösekriterium, wenn kein Störlichtbogen auftritt und somit kein optisches Signal an das Schutzsystem gelangt. Für bestimmte Aufbauten der Schaltanlage, die beispielsweise durch hohe Impedanzen der Leiterzüge gekennzeichnet sind, würde man die Schwelle niedriger als das Doppelte des Nennstroms einstellen. Als Stromerfassungsvorrichtung wird ein Stromwandler (beispielsweise magnetischer Wandler, Rogowski-Typ oder Hallsensor) vorgeschlagen.
Das Schutzsystem ist somit auf der Niederspannungsseite mit ein Störlichtbogenschutzsystem kombiniert. Der Bereich vom Transformator bis zu den Anschlüssen der Leistungs- schränke wird damit hinsichtlich der Entstehung von Störlichtbögen in der bekannten Art und Weise durch den Einsatz von Lichtsensoren und Stromwandlern überwacht. Im Falle eines Störlichtbogens wird der Schnellkurzschließer aktiviert und der Fehlerstrom kommutiert in wenigen Millisekunden auf den Schnellkurzschließer und entlastet die Anlage. Bei einem konventionellen Kurzschluss arbeitet das System auf gleiche Weise, wird aber erst nach Ü- berschreiten einer zweiten höheren Stromschwelle - ohne die Detektion eines Lichtsignals - aktiviert. Auch in diesem Fall wird die Schaltanlage durch den parallelen Kurzschluss geschützt. Die Trennung der Anlage vom Netz erfolgt dann unverzögert und kontrolliert über den Leistungsschalter in der Mittelspannungsschaltanlage.
Das Lichtbogenüberwachungssystem erfasst einen physikalischen Parameter (Licht, Druck, Schall, Magnetfeld u.a.) des in der Anlage entstehenden Störlichtbogens, vorzugsweise die Lichterscheinung. Es werden daher optische Erfassungsmittel vorgeschlagen (in der Regel Lichtwellenleiter). Im Einzelnen besteht das Lichtbogenüberwachungssystem aus mindestens einem Lichtbogensensor und einer Auswerteeinheit, welche ein als Lichtbogensignal bezeichnetes Ausgangssignal über mindestens eine Überwachungsleitung an das Schutzsystem abgibt.
Der detaillierte Aufbau von Elementen der Lichtbogenerfassung und der Kurzschließereinrichtung kann vom Fachmann nach Belieben gestaltet werden. Vorteilhaft ist der Einsatz einer elektronischen Zentraleinheit, über welche die Kurzschließereinrichtung mit einem Betätigungssignal angesteuert wird. Die Zentraleinheit ist das Kommunikationsglied zwischen Schutzsystem und Leistungsschalter und Kurzschließer. In der Zentraleinheit kann auch festgelegt werden, dass das Schutzsystem nur aktiviert wird, wenn ein Störlichtbogen in einer vorwählbaren Einspeiseschaltung oder in einer Gruppe von Einspeiseschaltungen der Anlage auftritt. So können mehrere Einspeiseschaltungen, beispielsweise drei Leis- tungsschränke zu einer Gruppe zusammengefasst werden, wodurch für jede Gruppe eine Schutzzone gebildet wird. Das Schutzsystem kann weiterhin so ausgestaltet sein, dass eine Meldung des Fehlerfalls über eine Datenleitung online an einen Meldeempfänger erfolgt, und in der Meldung angegeben ist, in welcher Einspeiseschaltung (oder in welcher Gruppe) der Fehlerfall aufgetreten ist.
Vorzugsweise sollte der Schnellkurzschließer an Abgangslaschen des Transformators auf der Niederspannungsseite oder in deren unmittelbare Nachbarschaft angeklemmt sein. Durch die ortsnahe Installation an oder auf den Abgangslaschen des Transformators wird die Länge eines Stromleiterstrangs auf der Niederspannungsseite auf ein Minimum verkürzt, wodurch sich der Umfang eines möglichen Schadens begrenzen lässt.
Der im Kurzschlussfall geschaltete Mittelspannungsleistungsschalter soll elektronisch ansteuerbar und verriegelbar sein, so dass sein Wiedereinschalten nicht möglich ist, solange der betätigte und möglicherweise nicht erneut betätigbare Schnellkurzschließer noch instal- liert ist. Es entsteht damit Schutz für erneutes (unbeabsichtigtes) Wiedereinschalten auf den vorhandenen Kurzschluss.
Das Spannungsniveau der Niederspannungsanlage, in der die erfindungsgemäße Anordnung eingesetzt werden soll, kann beispielsweise 400 oder 690 V betragen. Das Mittelspannungsniveau kann auf 18 oder 24 kV liegen.
Die Erfindung wird in den Figuren näher dargestellt, wobei diese im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Schutzsystem und
Fig. 2 eine Schaltungslogik zur Schwellwerteinstellung und -Auswertung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Schutzsystems in einer Wechselstrom- Niederspannungsanlage. Die Stromerzeugung und Einspeisung erfolgt von einem Windkraftrad (Stromgenerator 6) über einen Versorgungsstrang 7. Mit zunehmender Einspeiseleistung (je nach Windstärke) werden mehrere Leistungsschränke 8, 8' parallel zugeschaltet. Es können zehn bis zu fünfzehn Leistungsschränke parallel arbeiten. Von jedem Leistungsschrank 8,8' kann ein Leitungsteilstrang direkt zum Transformator 70 (oder zu einem Einspeiseknoten 14 am Sammelstrang) geführt sein, so dass die vorhandenen Leitungsteilstränge jeweils alle parallel liegen. In der Darstellung der Fig. 1 ist eine Alternative gewählt, in der Leitungsteilstränge 12.1 an den Leitungsstrang geführt sind, und die Teilabschnitte 12.2', 12.2" usw. bis hin zum Sammeileiterknoten 14 in Reihe liegen. Einspeiseströme in den in Reihe liegenden Leitungsteilsträngen 12.2', 12.2" ... addieren sich und erreichen am Einspeiseknoten 14 und auf dem Sammelstrang 12 Stromstärken bis zu 7.000 A. In der Figur ist durch Zunahme der Strichdicke angedeutet, dass Leitungsstränge 12.1 , 12.2', 12.2" und Sammelstrang 12 entsprechend den hohen Stromstärken mit zunehmenden Leiterquerschnitten (als Kabel oder als Stromschiene ausgebildet) installiert sind.
Die Leistungsschränke (in Form von Schaltungsanordnungen) umfassen im wesentlichen einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer, der die vom Windrad-Generator erhaltene Spannung in eine festfrequente Wechselspannung (50 oder 60 Hz) auf Niederspannungsniveau umwandelt. Bestandteil der Leistungsschränke ist jeweils ein Einspeiseschutzschalter 10. Die Ausschaltzeiten dieser Einspeiseschalter 10 liegen je nach Leistungsebene im Bereich 10 bis 500 ms. Als Bestandteil einer Einspeiseschaltung können noch Vorrichtungen zur Kontrolle und/oder Steuerung der Windkrafträder, der Netzsituation, der Windverhältnisse und weiterer Einstellungen oder Ereignisse vorhanden sein. Die überwachten Größen können über Datenleitungen mit einer Fernüberwachung verknüpft sein. Leitungsstränge und Sammelstrang der Niederspannungsanlage können als Kabel und/oder als Stromschiene ausgebildet sein. Die elektrische Energie wird an den Transformator 70 geleitet, der die Spannung auf Mittelspannungsniveau zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz 100 anhebt. Auf Mittelspannungsseite ist zwischen Transformator 70 und Mittelspannungsnetz 100 ein Mittelspannungsleistungsschalter 80 vorhanden, der eine Ausschaltzeit im Bereich von bis zu 500 ms aufweisen kann. Als Besonderheit soll hervorgehoben werden, dass auf der Niederspannungsseite kein Niederspannungsschutzschalter für Überströme vorhanden ist.
Erfindungsgemäß ist in der Anlage auf der Niederspannungsseite parallel zum Sammelstrang 12 ein mehrphasiger Schnellkurzschließer 60 angeordnet und ein Schutzsystem vorhanden. Der Strom über den Sammelstrang 12 wird von einer Stromerfassungsvorrichtung (Stromsensor 50) überwacht.
Zum Schutzsystem gehören ergänzend lineare, optische Störlichtbogensensoren 40 (Lichtwellenleiter), welche ein optisches Erfassungssignal an ein Störlichtbogenrelais 42 übermitteln. Das Störlichtbogenrelais 42 schickt ein elektrisches Auslösesignal 44 an eine elektronische Zentraleinheit 45. Ebenfalls an die Zentraleinheit 45 gelangt das Stromerfassungssignal 52 vom Stromsensor 50, der die gesamte Kurzschluss-Situation 50 erfasst.
Falls der Fehlerstrom (Kurzschluss oder Störlichtbogen) über der ersten voreinstellbaren Schwelle (S1 ) liegt, übermittelt die Zentraleinheit 45 ein Erfassungssignal an die Schutzschaltung 48. Von dieser wird bei Auftreten eines Überstroms und gleichzeitiger optischer Detektion (40,42,44) (hervorgerufen durch einen Störlichtbogen) ein (erstes) Auslösesignal S1.54 an den Schnellkurzschließer 60 und ein Abschaltimpuls 58 an den Mittelspannungs- leistungsschalter übermittelt. Das erstes Schalt- oder Auslösesignal 54 an den Schnellkurzschließer 60 sollte auf die erste Stromerfassungsschwelle (beispielsweise I > 1 ,5 bis 3 IN) eingerichtet sein.
Durch den erzwungenen metallischen (galvanischen) Kurzschluss des Schnellkurzschließers wird einem Fehlerstrom auf dem Sammelstrang ein sehr großer Teil der elektrischen Energie entzogen und die Anlage dadurch signifikant entlastet. Nach Aktivierung des Schnellkurzschließers fließen nur noch ca. 20 % des ursprünglichen Kurzschluss-Stroms in der Anlage. Die restlichen 80 % fließen in den Schnellkurzschließer, der den Fehlerstrom bis zum Abschalten des Mittelspannungsleistungsschalters führt. Ein zweites Schalt- oder Auslösesignal S2.56 sollte auf die zweite Stromerfassungsschwelle (beispielsweise größer 3 IN oder größer 4 IN) eingestellt sein. Erfasst das Schutzsystem lediglich einen Überstrom (hervorgerufen durch einen metallischen Kurzschluss, ohne optische Detektion), gibt die Schutzschaltung 48 ebenfalls ein Auslösesignal 56 an den Schnellkurzschließer 60 und einen Abschaltimpuls 58 an den Magnetauslöser des Mittelspan- nungsleistungsschalters 80.
Nach Fig. 2 ist dem Schutzsystem eine Einrichtung zur Bewertung des Kurzschluss-Stroms zugeordnet. Ein Element des Schutzsystems, bzw. der Schutzschaltung 45 ist die Schwellwerteinstellung. Kern der Bewertungseinrichtung sind zwei Vergleicher 63,64, an die jeweils das Stromerfassungssignal 50,52,45 gelangt. Über die Einstellschaltung S sind mindestens zwei Größen S1 , S2 einstellbar, beispielsweise auf S1 mit I = 2 • IN und auf S2 mit I = 4 • IN. Der Stellbereich der Schwellwerteinstellung S1 kann Werte von 1 ,5- bis zum 3-fachen des Nennstroms IN umfassen. Die Größe S2 kann im Bereich vom 3-fachen bis zum 6-fachen einstellbar sein.
Das optische Erfassungssignal 40,44,45 wird mit dem Signal S1 des auf niedriger Schwelle (I = 2 • IN) eingestellten Vergleichers 63 UND-verknüpft. Der Vergleicher 64 (mit der höheren Schwelle S2: I = 4 • IN gibt keinen Auslöseimpuls 56 weiter, wenn der Kurzschluss-Strom kleiner bleibt als die höhere Schwelle S2.
Mit Auftreten eines Kurzschlusses oberhalb der Schwelle S2 wird immer über den Abschaltimpuls 58 der Auslösemechanismus des Mittelspannungsleistungsschalters 80 angesprochen, so dass sich dessen Kontakte öffnen.
Mit einer Aufteilung des Schutzsystems in Gruppen von mehreren Leistungsschränken 8,8' - beispielsweise drei pro Gruppe - können unterschiedliche Bereiche definiert werden. Die optischen Meldesignale 40,44 aus den jeweiligen Leistungsschränken 8,8', bzw. aus einer der Gruppen von Leistungsschränken können in der Schutzschaltung getrennt bewertet werden. Da in den Einspeiseschaltungen jeweils Sammelschienen, Geräte- oder Anschlussräume, Trennwände, Abdeckungen oder Geräteumhüllungen unterschiedlich gestaltet sein können, lassen sich unterschiedliche Gruppen definieren.
Nach der Schnellabschaltung muss eine Fehlersuche stattfinden, bei der sich herausstellt, wo und wodurch der Fehler aufgetreten ist. Nach Beheben des Fehlers und Austausch des betätigten Schnellkurzschließers gegen einen funktionstüchtigen Schnellkurzschließer kann in der Anlage die Spannung wieder hochgefahren werden. Liste der Bezugszeichen
6 Stromgenerator, Windkraftrad
7 Versorgungsstrang 8, 8' Leistungsschrank
10 Einspeiseschalter, Schutzschalter
12 Sammelstrang (Kabel, Sammelschiene)
12.1 , 12.21, 12.2" Leitungsstränge (Kabel, Sammelschiene)
14 Einspeiseknoten
40 optischer Störlichtbogensensor
42 Lichtbogenrelais
44 Lichtbogensignal (elektr.)
45 elektronische Zentraleinheit 48 Schutzschaltung
50 Stromsensor
52 Fehlerstromsignal
54, S1 erstes Schaltsignal (1 ,5 IN < I < 3 IN) bei opt. Detektion
56, S2 zweites Schaltsignal (I > 3 IN) ohne opt. Detektion
58 Abschaltimpuls
60 Schnellkurzschließer
63 64 Vergleicher
70 Transformator
80 Mittelspannungsleistungsschalter
100 Mittelspannung
S Schwellwerteinstellung
51 S2 Schwellwertsignale

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Begrenzung eines Fehlerstroms in einer Wechselstrom-Niederspannungsanlage mit einem, vorzugsweise als Windgenerator ausgebildeten Niederspannungsstromgenerator (6), dessen elektrische Energie verteilt über mehrere parallel-liegende Leis- tungsschränke (8,8') und über Leitungsstränge (12.1 , 12.2',12.2") und einen Sammelstrang (12,14) an einen Transformator (70) geleitet wird, der Niederspannung auf Mittelspannungsniveau zur Einspeisung in ein Mittelspannungsnetz anhebt, und auf Mittelspannungsseite zwischen Transformator (70) und Mittelspannungsnetz (100) ein Mittelspannungsleistungs- schalter (80) vorhanden ist,
• wobei ein Schutzsystem vorhanden ist, in dem eine Stromerfassungsvorrichtung (50) integriert ist, die zur Erfassung der Stromstärke auf dem Sammelstrang (12) dient,
• wobei das Schutzsystem weiterhin eine Schutzschaltung (48) und einen mehrphasiger Schnellkurzschließer (60) umfasst, der parallel zum Sammelstrang (12) angeordnet ist,
• wobei die Schutzschaltung (48) von der Stromerfassungsvorrichtung (50) beaufschlagbar ist, und von der Schutzschaltung (48) bei Auftreten einer über dem Nennstrom (IN) liegenden Stromstärke eines Fehlerstroms Schaltsignale (54,56,58) an den Schnellkurzschließer (60) und an den Mittelspannungsleis- tungsschalter (80) übermittelbar sind.
2. Begrenzungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungs- schränke (8,8') zu einem Bruchteil der Nennleistung des Niederspannungsstromgenerators (6) ausgelegt sind.
3. Begrenzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnellkurzschließer (60) an Abgangslaschen des Transformators (70) auf der Niederspannungsseite oder in deren unmittelbare Nachbarschaft angeklemmt ist.
4. Begrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (48, S) zur Klassifikation von Fehlerstrom-Stromstärken durch Einstellen von mindestens zwei Schwellen (S1 , S2) eingerichtet ist.
5. Begrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzsystem ein Lichtbogenüberwachungssystem (40,42,44) zur Überwachung von in der Niederspannungsanlage auftretenden Störlichtbögen umfasst.
6. Begrenzungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenüberwachungssystem (40,42,44) mindestens einen optischen Störlichtbogensensor (40), ein Störlichtbogenrelais (42), und eine Zentraleinheit (45) umfasst.
7. Begrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Schutzsystem bei Auftreten einer bis zu dreifach über dem Nennstrom (IN) liegenden Fehlerstrom-Stromstärke und bei gleichzeitiger Erfassung (40,42,44) eines Störlichtbogens die Schaltsignale (54,56,58) übermittelt werden.
8. Begrenzungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vom Schutzsystem bei Auftreten einer mindestens dreifach über dem Nennstrom (IN) liegenden Fehlerstrom-Stromstärke und ohne gleichzeitige Erfassung (40,42,44) eines Störlichtbogens die Schaltsignale (54,56,58) übermittelt werden.
9. Begrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Leistungsschrank (8,8') ein Leitungsteilstrang (12.2', 12.2") zum Transformator (70) führt.
10. Begrenzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Fehlerstromfall geschaltete Mittelspannungsleistungsschalter (80) e- lektronisch ansteuerbar und verriegelbar ist, so dass sein Wiedereinschalten nicht möglich ist, solange der betätigte Schnellkurzschließer (60) noch installiert ist.
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