WO2018192826A1 - Fehlerstrombegrenzer - Google Patents

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WO2018192826A1
WO2018192826A1 PCT/EP2018/059326 EP2018059326W WO2018192826A1 WO 2018192826 A1 WO2018192826 A1 WO 2018192826A1 EP 2018059326 W EP2018059326 W EP 2018059326W WO 2018192826 A1 WO2018192826 A1 WO 2018192826A1
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current
voltage
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Kaveh Niayesh
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Abb Schweiz Ag
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    • 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
    • H02H3/08—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 responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Definitions

  • the invention relates to a fault current limiter according to the preamble features of claim 1.
  • Such a fault current limiter is known from US 2010/0165532 AI.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • Fault limiting is proportional to the increase of the fault current.
  • the object is in a fault current limiter of the generic type according to the invention by the
  • the core of the invention is that as the fault current
  • limiting means is provided in the circuit serially arranged, electromotive component.
  • the fault current limiter according to the invention is based on an energy conversion according to claim 1, in which
  • Rotational energy is converted, with the aim of generating a large negative voltage, with the consequence of the reduction of the short-circuit current.
  • stator winding and the rotor winding are connected in series.
  • a homopolar motor-generator arrangement is used for this purpose.
  • the said fault current limiter is used in low-voltage technology. Low voltage means up to 1 KV.
  • the said fault current limiter is used in medium voltage technology.
  • Medium voltage means up to 70 KV.
  • FIG. 5 prospective and limited short-circuit current (symmetrical)
  • FIG. 6 prospective and limited short-circuit current (asymmetrical)
  • FIG. 8 rotational speed of the current limiter
  • Figure 9 embodiment of the rotating rotating
  • FIG. 10 Rotor of the rotating fault current limiter
  • the basic mode of operation of the current limiter according to the invention can be represented on the basis of series-wound electric motors.
  • the stator and rotor windings shown in Figure 1 are connected in series.
  • MMF of the serial electric motor is proportional to its rotational speed and the magnetic field generated by its stator windings.
  • Electric motor for very high currents is a homopolar generator / motor.
  • the magnetic field can be generated by permanent magnets or current-carrying coils. Consider first the case where the magnetic field is generated by an air cooled coil connected in series with the disk in a high current circuit.
  • This configuration is independent of the polarity. For both, ie positive and negative currents results in the same direction of rotation, so that the polarity of the generated MMF changes in this regard, and thus is independent of the polarity of the current, and so on Current limiting effect can be generated.
  • DC motors are used to maintain the rotor current in the desired direction of rotation are
  • Ripple can be high if the contact radius remains small. This disadvantage can be compensated, however, if the speed is increased, and instead of a
  • Rotation speed can be calculated if the friction moments are neglected:
  • Rotation speed is zero, and the current increases linearly with time, the rotational speed can be
  • FIG. 5 shows the current limitation in medium-voltage energy networks (symmetrical short-circuit case).
  • FIG. 6 shows the current limitation in medium-voltage energy networks (asymmetrical short-circuit case)
  • FIG. 7 shows the induced magnetomechanical force during the limitation of the o asymmetric current of FIG. 6.
  • the rotating part is accelerated to high rotational speeds, but after clarifying the error, it is braked within a few 10 milliseconds by the available friction torque.
  • the ratio of inner to outer radius is important, and there is an optimal value at 0, 7 to 0.8, but the radius of the disk usually has no effect on the generated electrical voltage, if only the maximum rotational speed and if the radius is chosen smaller.
  • FIG. 1 A concrete embodiment for a fault current limiter according to the invention is shown in FIG. Of the
  • Outer diameter of the rotor 10 is dimensioned at 30 cm. This is wound with aluminum wires.
  • Component 10 which consists of electrically insulating material and identifies windings of aluminum wires. All in all results with the invention
  • Fault current limiter a system on the configuration of a rotating system.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fehlerstrombegrenzer für Mittelspannungsschaltanlage, bei welchem Mittel zur Begrenzung des Fehlerstromes vorgesehen sind, die spätestens bei Vorliegen eines Fehlerstromes aktivierbar oder inhärent aktiv sind, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1. Um einen Fehlerstrombegrenzer derart weiterbilden, dass die dynamische Reaktionszeit zur Betätigung des Fehlerstrombegrenzer proportional mit dem Anwachsen des Fehlerstromes ist, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass als den Fehlerstrom begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes, elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist.

Description

Fehlerstrom egrenzer
Die Erfindung betrifft einen Fehlerstrombegrenzer gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen des Anspruches 1.
Fehlerstrombegrenzer sind in der Regel mechanische
Schalter, die über bspw Federpakete oder elektrochemische explosionsantriebe prospektiv eine Kurzschluss
herbeiführen . Prospektiv bedeutet dabei , dass der Schalter schon beim physikalischen Aufbau eines Kurzschlusses prospektiv reagieren muss .
Ein solcher Fehlerstrombegrenzer ist bekannt aus der US 2010/0165532 AI .
Genau aus den genannten Gründen der prospektiven Wirkung, kommt es jedoch darauf an, dass ein solcher
Fehlerstrombegrenzer extrem schnell reagiert .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Fehlerstrombegrenzer derart weiterbilden, dass die
dynamische Reaktionszeit zur Betätigung des
Fehlerstrombegrenzer proportional mit dem Anwachsen des Fehlerstromes ist . Die gestellte Aufgabe ist bei einem Fehlerstrombegrenzer der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Kern der Erfindung ist, dass als den Fehlerstrom
begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes , elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist .
Dies bedeutet grundsätzlich, dass jedes elektromotorische System in Sinne der Erfindung einsetzbar ist .
Der erfindungsgemäße FehlerStrombegrenzer basiert gemäß Anspruch 1 auf einer Energieumwandlung, bei welcher
zumindest ein Teil der elektrischen Energie, die aus dem Kurzschlussstrom selbst kommt , in eine mechanische
Rotationsenergie umgewandelt wird, mit dem Ziel , eine große GegenSpannung zu erzeugen, mit der Konsequenz der Reduktion des Kurzschlusstromes .
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Statorwicklung und die Rotorwicklung in Serie geschaltet sind .
In entsprechender vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgeschlagen, dass eine homopolare Motor-Generator- Anordnung hierfür eingesetzt wird . In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der besagte FehlerStrombegrenzer in der Niederspannungstechnik eingesetzt ist . Niederspannung bedeutet bis 1 KV .
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der besagte FehlerStrombegrenzer in der Mittelspannungstechnik eingesetzt ist . MittelSpannung bedeutet bis 70 KV .
Ein Ausgestaltungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert .
Es zeigt :
Figur 1 : Gleichstrom-Reihenschlussmotor Figur 2 : homopolar Generator
Figur 3 : BasiSausgestaltung eines strombegrenzenden homopolaren Generators
Figur 4: modifizierter homopolarer motor mit mehrfachen Windungen
Figur 5: Prospektiver und begrenzter Kurzschlussstrom (symmetrisch)
Figur 6: Prospektiver und begrenzter Kurzschlussstrom ( asymmetrisch)
Figur 7 : Erzeugte Spannung des Strombegrenzers
Figur 8 : Rotationsgeschwindigkeit des Strombegrenzers Figur 9: Ausgestaltung des rotierenden
FehlerStrombegrenzerSystems
Figur 10: Rotor des rotierenden Fehlerstrombegrenzers
Ein Ausgestaltungsbeispiel für ein solches System und für eine mögliche Stormbegrenzung im Falle eines 12 KV/40kA
Netzwerkes ist nachfolgend beschrieben .
Dieses Konzept ist effizient zur Limitierung von
Kurzschlusströmen in Stromnetzwerken .
Die grundlegende Wirkungsweise des erfindungsgemäßigen Strombegrenzers kann auf der Basis von Reihenschluss- Elektromotoren dargestellt werden . In diesen Elektromotoren sind die Stator und Rotorwicklungen gemäß Figur 1 in Serie geschaltet .
Die entsprechenden Gleichungen für ein solches System sind wie folgt :
Figure imgf000006_0001
MMF des seriellen Elektromotors ist proportional zu seiner Rotationsgeschwindigkeit und dem magnetischen Feld, erzeugt durch seine Statorwindungen .
Das elektrische (elektromechanische) Drehmoment ist
proportional zum Quadrat des Stromes , so dass wenn das elektrische (elektromechanische) Drehmoment sehr viel größer ist als das Friktionsmoment und der Elektromotor ohnen Last läuft, dann ist die Abweichung der Rotationsgeschwindigkeit proportional zum Quandrat des Stromes . Das bedeutet, dass wenn der Reihenschluss- Elektromotor einen plötzlichen Anstieg seines Stromes erfährt - bspw im Falle eine Kurzschlusses - dann steigt seine Rotationsgeschwindigkeit , und konsequenterweise sein MMF sehr schnell an .
Wie schnell dies geschieht, hängt vom Verhältnis des elektrisch erzeugten Drehmomentes zur Rotorträgheit . Wenn die Rotorträgheit abnimmt und zeitgleich das erzeugte Drehmoment steigt, dann wird die Zeitkonstante des Motors klein . Das fordert hohe Ströme, um in der Lage zu sein, hohe magnetische Feldstärken im Falle eines Kurzschlusses erzeugen zu können, sowie die leichtbauende Konstruktion des Rotors .
Eine sehr effektive Realisierung eines solchen
Elektromotors für sehr hohe Ströme ist ein homopolarer Generator/Motor .
Die grundlegende Bauform eine solchen homopolaren
Generator/Motors ist in Figur 2 dargestellt .
Das magnetische Feld kann durch Permanentmagnete oder stromdurchflossene Spulen erzeugt werden . Betrachtet man zunächst den Fall , bei dem das magnetische Feld durch eine luftgekühlte Spule erzeugt wird, die in Reihe mit der Scheibe in einen Hochstromkreis geschaltet ist .
Diese Konfiguration ist unabhängig von der Polarität . Für beide, d.h. positive und negative Ströme ergibt sich dieselbe Rotationsrichtung, so dass die Polarität des erzeugten MMF sich diesbezüglich ändert, und somit dann unabhängig von der Polarität des Stromes ist, und so ein Strombegrenzungseffekt erzeugbar ist.
Die Kommutatoren als solche, die in konventionellen
Gleichstrommotoren zur Erhaltung des Rotorstromes in der gewünschten Drehrichtung verwendet werden, sind
verzichtbar, und stattdessen sind nur Stromkollektoren notwendig, die in Kontakt mit der rotierenden Scheibe stehen .
Der Nachteil von homopolaren Generator/Motor Anordungen ist, dass der erzeugte MMF
Figure imgf000008_0001
sehr klein ist, und der elektrische Widerstand des
Strompfades kann hoch sein, wenn der Kontaktradius klein bleibt . Dieser Nachteil kann aber kompensiert werden, wenn die Drehzahl erhöht wird, und statt einer
VollScheibenanordnung eine Ringscheibenanordnung verwendet wird .
Um das Drehmoment rückkehrender Strompfade in dieselbe Richtung zu bringen, muss die Magnetfeldrichtung an den unteren Teil der Anordnung entsprechend angepasst werden . Für diesen Fall muss die Basiskonfiguration modifiziert werden .
Eine solche Modifikation ist in Figur 4 dargestellt . Für die Dimensionierung gilt folgender Zusammenhang : Auf diesem Weg ist es möglich, das Drehmoment anzuheben sowie den MMF, auf Kosten ansonsten steigenden elektrischen Widerstandes durch die Windungen .
Die Grundlegenden Gleichungen hierfür sind .
Figure imgf000009_0001
Im Ergebnis dazu, die zeitliche Ableitung der
Rotationsgeschwindigkeit kann errechnet werden, wenn die Reibungsmomente vernachlässigt werden :
Figure imgf000009_0002
Unter der Annahme, dass die anfängliche
Rotationsgeschwindigkeit Null ist, und der Strom linear mit der Zeit steigt, kann die Rotationsgeschwindigkeit
ausgedrückt werden zu :
Figure imgf000009_0003
Der korrespondierende Wert von MMF wird zu:
Figure imgf000010_0003
Auf den ersten Blick scheint es so, dass die Spannung beliebig angehoben warden kann, aber es muss beachtet werden, dass dies lediglich möglich ist auf Kosten eines Anstieges des elektrischen Widertandes . Für den maximal tolerierbaren Widerstand (Rmax) , folgt die erzeugte
Spannung zu :
Figure imgf000010_0001
Wobei die spezifische elektrische Widerstand des Leites ist, sein Dicke,
Figure imgf000010_0005
seine Massendichte,
Figure imgf000010_0006
die Dicke der Struktur, und seine durchschnittliche Massendichte ist .
Figure imgf000010_0004
Für große Scheibenradien und dünne Strukturen und hohe Umdrehungs Zahlung kann approximiert werden zu :
Figure imgf000010_0002
Für einen Widerstand von 1 mOhm, für die
Materialeigenschfaten von bspw Aluminium für den Leiter, ergibt sich und
Figure imgf000010_0007
einen Reduktionsfaktor von 0.8, ausgehend von einer
Struktur mit der erzeugte Wert für MMF kann
Figure imgf000011_0001
näherungsweise ausgedrückt werden als :
Figure imgf000011_0006
Wenn man eine lineare Beziehung zwischen B und I in der Form von
Figure imgf000011_0003
annimmt, dann kann für die daraus folgende Spannung - Stromcharakteristiken können abgeleitet werden- zu :
Figure imgf000011_0004
Für den Fall , bei dem K= 2 x 10~4 T/A (das bedeutet 2 Tesla bei 10000 Ampere) und = 17 x 106 A/s (dies ist die
Stromanstiegsrate bei Isc = 40 kA) . Die erzeugte Spannung ergibt sich in etwa zu
Figure imgf000011_0005
Es muss angemerkt werden, dass die Stromreduzierung zu Spannungserzeugung nicht berücksichtigt wurde, und
angenommen wurde, dass die Netzspannung so hoch ist, dass die Spannungserzeugung nicht der Strom ändert, in realen Netzwerken, die Stromerzeugung resultiert in eine
Stromreduktion . Dies kann berechnet werden durch den
Gebrauch folgender Gleichung :
Figure imgf000011_0002
Exemplarisch für ein Mittelspannungsnetzwerk ergibt sich folgendes . Für ein Mittelspannungs-Energienetzwerk mit einer nominalen Spannung von 12 kV und einer Kurzschluss- Induktivität von 1 milli Henry, sind die vohersehbaren und begrenzten Ströme in Figur 5 gezeigt .
Die Parameter dieser Kalkulation sind wie folgt:
Figure imgf000012_0003
(ein Spannungsabfall von 1 V für einen nominalen Strom von 2000 A) ,
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0001
und
die Leiter bestehen aus Aluminium, und warden angenommen zu 2 T, und wird erzeugt wenn 10000 A durch die Spulen fließt, (solche Magnetfelder sind einfach realisierbar mit wenigen Umdrehungen) . In diesem Fall ist eine Reduktion um 35% des maximalen Stromes erreicht . Figur 5 zeigt die Stromlimitierung in MittelSpannungs- Energienetzwerken (symmetrischer Kurzschlussfall) .
Die Stromlimitierung ist sogar noch effizienter, wenn der asymmetrische Fall berücksichtigt wird . In diesem Fall ist eine 50% Reduktion des Kurzschlussstromes erreicht .
Figur 6 zeigt die Stromlimitierung in Mittelspannungs- Energie Netzwerken (asymmetrischer Kurzschlussfall )
Die erzeugte Spannung über der Stromlimitierung ist in Figur 7 gezeigt .
Figur 7 zeigt die induzierte magnetomechanische Kraft wärhend der Limitierung des o asymmetrischen Stromes von Figur 6.
Während der ersten Millisekunden ist der rotierende Teil hin zu hohen Rotationsgeschwindigkeiten beschleunigt, aber nach Klärung des Fehlers , wird es innerhalb weniger 10 Millisekunden gebremst durch das verfügbare Reibungsmoment . Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors im Fall der
Limitierung des asymmetrischen Stromes ist in Figur 8 gezeigt .
Während dieser Zeit, rotiert der Rotor nur wenige
Umdrehungen, so dass kein kontinuierliche Reibung auf die Stromkollektoren und tragenden Elemente erfolgt .
Es ist ersichtlich, dass die Leistungsfähigkeit der
Einrichtung sehr sensitive auf auf den maximal
tolerierbaren elektrischen Widerstand ist . Je größer der maximale Widerstand ist, umso besser ist die Perfomance . Je höher das magnetische Feld ist, ergibt sich, dass der erzeugte MMF-Wert größer ist und die Limitierung is sehr viel effizienter .
Das Verhältnis von innerem zum äußerem Radius ist wichtig, und es liegt ein optimaler Wert bei 0 , 7 bis 0,8, aber der Radius der Scheibe hat für gewohnlich keinen Einfluss auf die erzeugte elektrische Spannung, wenn lediglich die maximale Rotationsgeschwindigkeit und wenn der Radius kleiner gewählt wird .
Eine konkrete Ausgestaltung für einen erfindungsgemäßen FehlerStrombegrenzer ist in Figur 9 gezeigt . Der
Außendurchmesser des Rotors 10 is mit 30 cm dimensioniert . Dieser ist mit Aluminiumdrähten gewickelt . Die
Potentialdifferenz wird zwischen oberer und unterer Platte 30 erzeugt, welche durch elektrische Isolation 50
voneinander getrennt sind . In ersten Tests wurde die notwendige magnetische Feldstärke durch ein
PermanentmagnetSystem erzeugt, das zwischen den leitenden Platten 30 und dem rotierenden Bauteil 10 lokalisiert wurde . Figur 10 zeigt nochmal im Detail, das das rotierende
Bauteil 10 , welches aus elektrisch isolierendem Material besteht und Windungen aus Aluminium Drähten ausweist . Alles in Allem ergibt sich mit den erfindungsgemäßen
FehlerStrombegrenzer ein System auf der Konfiguration eines rotierenden Systems .
Diese Konzept kann auch in Verbindung mit einem
konventionellen LeistungsSchalter eingesetzt werden, um einen strombegrenzenden LeistungsSchalter für AC Netzwerke, aber auch für DC Strom-Schaltungen zu realisieren . Für diese Anwendung kann das Spannung-über-Strom
Begrenzungsteil zur Triggerung von in Serie geschaltenen LeistungsSchaltern eingesetzt werden .
Die Einsatz liegt somit im Nieder- und
Mittelspannungsbereich .

Claims

Patentansprüche
1. Fehlerstrombegrenzer für Mittelspannungsschaltanlage, bei welchem Mittel zur Begrenzung des Fehlerstromes vorgesehen sind, die spätestens bei Vorliegen eines Fehlerstromes aktivierbar oder inhärent aktiv sind, dadurch gekennzeichnet ,
dass als den Fehlerstrom begrenzendes Mittel ein im Stromkreis seriell angeordnetes , elektromotorisches Bauteil vorgesehen ist .
2. Fehlerstrombegrenzer nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Statorwicklung und die Rotorwicklung in Serie geschaltet sind .
3. Fehlerstrombegrenzer nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet ,
dass das elektromotorische Bauteil eine
Homopolarmaschine ist .
4. Fehlerstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet ,
dass der besagte Fehlerstrombegrenzer in der
Niederspannungstechnik eingesetzt ist .
5. Fehlerstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet ,
dass der besagte Fehlerstrombegrenzer in der
Mittelspannungstechnik eingesetzt ist .
PCT/EP2018/059326 2017-04-18 2018-04-11 Fehlerstrombegrenzer WO2018192826A1 (de)

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DE202017102286.2 2017-04-18
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DE202017102354.0 2017-04-20

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