WO2020064558A1 - Kurzschlussstrombegrenzer - Google Patents

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WO2020064558A1
WO2020064558A1 PCT/EP2019/075363 EP2019075363W WO2020064558A1 WO 2020064558 A1 WO2020064558 A1 WO 2020064558A1 EP 2019075363 W EP2019075363 W EP 2019075363W WO 2020064558 A1 WO2020064558 A1 WO 2020064558A1
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WO
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short
current
circuit current
current limiter
component
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Application number
PCT/EP2019/075363
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French (fr)
Inventor
Hans-Peter KRÄMER
Christian Schacherer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/10—Adaptation for built-in fuses
    • H01H9/106—Adaptation for built-in fuses fuse and switch being connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
    • H01H33/16—Impedances connected with contacts

Definitions

  • the invention relates to a short-circuit current limiter according to the preamble of patent claim 1.
  • the nominal current path In the event of a short circuit, the nominal current path is opened, which creates an arc.
  • the arc voltage effects a complete commutation of the current into the parallel path with the fuse, whereby the arc extinguishes.
  • the impedance of the parallel current path and that of the nominal current path must be matched to enable the commutation of the short-circuit current.
  • the current through the fuse should not become too large during rated operation so that the fuse does not trip prematurely. There is therefore a conflict of objectives between the highest possible impedance of the parallel current path in nominal operation so as not to overload the fuse and the lowest possible impedance in the event of a short circuit in order to be able to commutate the current in the parallel current path.
  • the object of the invention is to provide a short-circuit current limiter which, compared with the prior art, is suitable with little technical outlay in such a way that, in the event of a short-circuit, the current flow commutes from the nominal current path into the parallel current path.
  • the short-circuit current limiter according to claim 1 comprises an interrupter unit and a current limiting unit connected in parallel therewith.
  • the current limitation unit comprises a fuse element.
  • the invention is characterized in that the current limiting unit also comprises a component with a non-linear conductivity, this component being connected in series with the securing element.
  • the sub- Crusher unit in a nominal current path and the securing element with the component connected in series in a parallel current path.
  • the short-circuit current limiter In rated operation, the short-circuit current limiter is embedded in a functioning electricity network. Both the fuse element and the interrupter unit have a low resistance in nominal operation, so that the current would be divided over both paths if no further measures are taken.
  • the additional component with the non-linear conductivity has a high resistance at low voltages, i.e. with low resistance in the nominal current path, and prevents a significant proportion of the current from flowing through the limiting unit during nominal operation. If a fault or short-circuit current occurs, the contacts of the interrupter unit in the nominal current path are opened. Due to the current rise and especially due to the arcing voltage occurring in the interrupter unit between the two contacts, the voltage occurring there exceeds the threshold voltage of the nonlinear component. This non-line device is low ohmic above the threshold voltage and the current commutates into the parallel current path.
  • the conflict of objectives that existed up to now to have to design the impedance of the fuse element in nominal operation as high as possible is eliminated by the described invention. Due to the strong non-linearity of the current-voltage characteristic of the component, a current flow through the parallel current path is almost prevented in normal operation. This eliminates the undesirable requirement to design the fuse for the maximum current and the impedance of the fuse can be chosen to be as low as possible.
  • the fuse element connected in series therefore does not have to be designed for a continuous current, as is necessary for devices according to the prior art.
  • a technically complex blasting device for the nominal current path can also be dispensed with.
  • the component is a semiconductor component.
  • a diode, a thyristor, an IGBT (bipolar transistor with insulated gate electrode, English insulated-gate bipolar transistor), an IGCT (integrated gate-commutated thyristor) or a field-effect transistor is particularly suitable for this purpose.
  • a diode is particularly preferred because it can be produced inexpensively.
  • a diode is an electrical component that allows current to pass in one direction and blocks the flow of current in the other direction.
  • a thyristor is a switchable component, in particular a semiconductor component, which means that the thyristor in an output state is not conductive and is switched on by a small current at an electrode, a gate electrode. After switching on, the thyristor remains conductive until the next current zero crossing, even without gate current.
  • the current limiting unit has at least two anti-parallel ge directed components. This enables the described invention to be used in an AC voltage circuit. Depending on the prevailing current direction, one component is always switched in the blocking or through direction. It has been found that two antiparallel diodes are particularly advantageous since the voltage across the closed nominal current path is below the forward voltage of a diode. However, all other possible components mentioned can be used in this described NEN anti-parallel circuit.
  • the short-circuit current limiter is designed in such a way that the short-circuit current II to be limited is between 10 kiloamperes and 80 kiloampere, in particular between 10 kiloampere and 50 kiloampere. These are comparatively large currents, which lead to a low voltage drop with a corresponding contact system with a low contact resistance. ren, and the corresponding components can be designed with a relatively low threshold voltage. It is also expedient that the voltage drop Ull across the interrupter unit is less than the threshold voltage of the non-linear component. Only when the
  • Threshold voltage of the component is exceeded, the current commutes into the parallel current path.
  • the threshold voltage of the component is preferably in a range from 0.1 volt and 1.5 volt, particularly preferably in a range between 0.2 volt and 0.8 volt. In this voltage range, inexpensive components are available, which can also be connected in series, if necessary. Two antiparallel components can also be connected in series.
  • the contact resistance of the interrupter unit of the short-circuit current limiter is corresponding to the flowing current and the falling voltage, preferably between 5 mW and 200 mW, particularly preferably between 10 mW and 60 mW.
  • the short-circuit current limit is particularly preferably designed for use in a high-voltage or medium-voltage network.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a short-circuit current limiter with an interrupter unit and a safety element according to the prior art
  • FIG. 2 shows a short-circuit current limiter with an interrupter unit and a current limiting unit comprising a fuse element and a further component
  • Figure 3 is an equivalent circuit diagram for the short-circuit current
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram according to FIG. 3 when open
  • FIG. 1 A short-circuit current limiter according to the prior art is shown in FIG. On the one hand, this comprises a nominal current path 12 which can be broken by an interrupter unit 4.
  • the interrupter unit 4 is generally a one-time switch with a gas insulation section.
  • the current limiter 2 comprises a parallel current path 14, in which a current limiting unit 6 is arranged, which essentially comprises a fuse element 8.
  • the nominal current path 12 is opened, an arc being formed. The arc voltage brings about a complete commutation of the current into the parallel current path 14 with the securing element 8, the arc extinguishing and the securing element beginning to melt.
  • the fuse element only begins to limit the current when the nominal current path is safely isolated by the interrupter unit. It is necessary for the impedance of the parallel current path and that of the nominal current path to be matched accordingly so that commutation takes place from the nominal current path 12 into the parallel current path 14 in the event of a short circuit. Another challenge when selecting the fuse element and the resulting impedance is that in rated operation the current that flows through the fuse element 8 does not become too high, so that the fuse element is not destroyed during the nominal operation by melting.
  • At least one component 10 with a non-linear conductivity is connected in series with the fuse element 8 and as part of the current limiting unit 6 in parallel with the nominal current path 12.
  • two diodes 1 1, 13 are connected antiparallel and thus form the construction element 1 0.
  • the diodes 11 or 13 conduct in one direction along the parallel current path 14.
  • 2 shows the nominal operation of the short-circuit current limiter 2 in the basic position, the interrupter unit 4 is closed, which is why the current flows along the nominal current path 12.
  • a voltage Un drops due to a contact resistance R, which is, however, relatively low due to the low contact resistance R, which is preferably in the range between 5 mW and 2 0 0 mW, particularly preferably between 1 0 mW and 60 mW.
  • the voltage Un is between 0.1 volts and 1.5 volts, preferably between 0.2 volts and 0.8 volts. This low resistance and the resulting low voltage drop mean that a relatively high current flow can take place.
  • the current Ii which flows along the nominal current path 12 during nominal operation, can be between 0.8 kA and 4 kA, preferably between 1 kA and 4 kA.
  • the resistance Ri results from the sum of the contact resistance between two contacts not shown here and the resistance of the connection or the contact bolt of the interrupter unit 4, which is preferably designed in the form of a vacuum interrupter, and the resistance of the connecting lines.
  • the diode 11 or the diode 13 blocks the parallel current path 14, so that no or only a very small current can commutate from the nominal current path 12 into the parallel current path 14.
  • the fuse element 8 can be designed with a relatively low impedance so that the current can commutate in the event of a short circuit and when the threshold voltage U 15 is exceeded in the parallel current path 14.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of the representation according to FIG. 2, in which the impedance Z, the voltage Un and U 15 and the current flows Ii and the current flow I2 to be described are shown.
  • the current flow I3 describes the mains current flow, which is divided into the currents Ii and I 2 depending on the switching state of the short-circuit current limiter 2.
  • FIG. 4 shows the occurrence of a fault or short-circuit current in which the interrupter unit 4 opens in a very short time, in particular less than 3 ms, as a result of which an arc arises between two contacts of the interrupter unit 4 (not shown here).
  • This arcing also creates an arc voltage U12, which is higher than the threshold voltage U15 of the component 10. That is, the nominal voltage Un rises so much due to the current rise and the arc that it becomes the voltage U12 and the threshold voltage U15 of the component 10 is exceeded, which in addition leads that the diode 11 or the diode 13 becomes conductive depending on the current polarity of the alternating current and the current I3 commutates in the form of the current I2 in the parallel current path 14. If the current in the main current path Ii is close to zero, the arc extinguishes. As soon as the isolating section of the interrupter unit has reached its voltage resistance, the fuse element melts and limits the short-circuit current.
  • diodes 11 and 13 actively controlled components such as thyristors, spark gaps or triggered vacuum switches can also be used.
  • IGBTs or IGCTs as well as field effect transistors can also be used.
  • the advantage of diodes is that they are relatively cheap compared to the active components mentioned and even diodes 11, 13 with relatively low threshold voltages of 0.3 V to 4 V can be used. This is again due to the fact that the contact resistance Ri, which drops via the contact in the interrupter unit 4, in particular in the vacuum interrupter, is also very low, which in turn enables the use of a diode with a low threshold voltage.
  • the impedances of the parallel circuit 14 must be designed as a compromise for the nominal conditions and for the current commutation. Due to the arrangement described, which is based on the strong non-linearity based on the component characteristics, in particular the diode characteristics, an excessive current flow I 2 through the parallel path 14 is prevented in nominal operation. The boundary condition of the maximum current during nominal operation for the fuse element 8 is thus eliminated and the impedance of the fuse element can be designed as low as possible.
  • Typical threshold voltages U 15 of conventional diodes 11, 13 are of the same order of magnitude as the voltage drop in an interrupter unit 4, in particular in a vacuum interrupter at typical nominal currents in medium-voltage networks and high-voltage networks.
  • inexpensive conventionally available components 10, in particular diodes 11 and 13 can be used, which makes the arrangement described particularly inexpensive compared to the prior art.

Landscapes

  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussstrombegrenzer umfassend eine Unterbrechereinheit (4) in einem Nennstrompfad (12) und eine hierzu in einem Parallelstrompfad (14) parallel geschaltete Strombegrenzungseinheit (6), wobei die Strombegrenzungseinheit (6) ein Sicherungselement (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) zudem ein Bauelement (10) mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit umfasst und das mit dem Sicherungselement (8) im Parallelstrompfad (14) in Reihe geschaltet ist.

Description

Beschreibung
Kurzschlussstrombegrenzer
Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In elektrischen Stromkreisen, insbesondere zur Energieversor gung im Mittelspannungsbereich und im Hochspannungsbereich, kommt es beispielsweise bei Versagen einer Isolation zu Kurz schlüssen. Durch den Kurzschluss fließen große Ströme, die gegebenenfalls Betriebsmittel im Energieversorgungsnetz be schädigen oder zerstören können. Durch den Ausbau von dezent ralen Einspeiseanlagen kann der Kurzschlussstrom so weit an- steigen, dass die Bemessungswerte der bestehenden Betriebs mittel überschritten werden. Eine Möglichkeit, einen unzuläs sig hohen Kurzschlussstrom zu verhindern, ist der Einsatz von strombegrenzenden Geräten. Das Prinzip einiger kurzschluss strombegrenzender Geräte besteht darin, dass schnelle Unter brechereinheiten das Abschalten des Kurzschlussstroms gewähr leisten. Für den Normalbetrieb existiert dabei ein Nennstrom pfad, der im Kurzschlussfall geöffnet werden kann. Parallel zum Nennstrompfad befindet sich ein weiterer Strompfad mit einer Sicherung, beispielsweise einer Schmelzsicherung, die den Kurzschlussstrom abschalten kann.
Bei einem Kurzschluss wird der Nennstrompfad geöffnet, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung be wirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Paral lelpfad mit der Sicherung, wodurch der Lichtbogen erlischt. Bei dieser Anordnung müssen die Impedanz des Parallelstrom pfades und die des Nennstrompfades aufeinander abgestimmt sein, um die Kommutierung des Kurzschlussstroms zu ermögli chen. Zudem sollte im Nennbetrieb der Strom durch die Siche rung nicht zu groß werden, damit die Sicherung nicht vorzei tig auslöst. Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz des Parallelstrompfades im Nennbetrieb, um die Si cherung nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Im pedanz im Kurzschlussfall, um den Strom im Parallelstrompfad kommutieren zu können.
Um diesem Zielkonflikt entgegenzutreten, gibt es Anwendungen, bei denen der Hauptstrompfad bei Auftreten eines Fehlers im Netz aufgesprengt wird. Dies führt zu einer sehr hohen Licht bogenspannung, die den Strom auch in den Parallelstrompfad mit einer vergleichsweisen hohen Impedanz kommutieren lässt. Die Sicherung im Parallelstrompfad muss den Strom so lange tragen, bis die Trennstrecke im Nennstrompfad die auftretende Spannung isolieren kann. Danach unterbricht die Sicherung den Strompfad und der Kurzschlussstrom ist ausgeschaltet. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen hohen technischen Auf wand, in sehr kurzer Zeit den Hauptstrompfad zu sprengen. Ei ne zusätzliche Sprengladung oder Sprengvorrichtung im Haupts trompfad ist erforderlich. Diese muss in sehr kurzer Zeit ge zündet werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kurzschluss strombegrenzer bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik mit einem geringen technischen Aufwand dazu geeignet ist, dass in einem Kurzschlussfall der Stromfluss vom Nenns trompfad in Parallelstrompfad kommutiert.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kurzschlussstrombe grenzer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Kurzschlussstrombegrenzer nach Patentan spruch 1 umfasst eine Unterbrechereinheit und eine hierzu pa rallel geschaltete Strombegrenzungseinheit. Die Strombegren zungseinheit umfasst dabei ein Sicherungselement. Die Erfin dung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strombegrenzungsein heit zudem ein Bauelement mit einer nichtlinearen Leitfähig keit umfasst, wobei dieses Bauelement mit dem Sicherungsele ment in Reihe geschaltet ist. Dabei befindet sich die Unter- brechereinheit in einem Nennstrompfad und das Sicherungsele ment mit dem in Reihe geschalteten Bauelement in einem Paral lelstrompfad .
Im Nennbetrieb ist der Kurzschlussstrombegrenzer in ein funk tionierendes Stromnetz eingebettet. Sowohl das Sicherungsele ment als auch die Unterbrechereinheit haben im Nennbetrieb einen niedrigen Widerstand, so dass sich der Strom auf beide Pfade aufteilen würde, wenn keine weiteren Maßnahmen getrof fen werden. Das zusätzliche Bauelement mit der nichtlinearen Leitfähigkeit hat bei niedrigen Spannungen, also bei geringem Widerstand im Nennstrompfad, einen hohen Widerstand und ver hindert, dass im Nennbetrieb ein signifikanter Anteil des Stromes durch die Begrenzungseinheit fließt. Beim Auftreten eines Fehler- oder Kurzschlussstroms werden die Kontakte der Unterbrechereinheit im Nennstrompfad geöffnet. Durch den Stromanstieg und vor allem durch die auftretende Lichtbogen spannung in der Unterbrechereinheit zwischen den zwei Kontak ten überschreitet die dort auftretende Spannung die Schwel lenspannung des nichtlinearen Bauelementes. Dieses nichtline are Bauelement wird oberhalb der Schwellenspannung niederoh mig und der Strom kommutiert in den Parallelstrompfad.
Der bisher bestehende Zielkonflikt, die Impedanz des Siche rungselementes im Nennbetrieb möglichst hoch auslegen zu müs sen, fällt durch die beschriebene Erfindung weg. Durch die starke Nichtlinearität der Strom-Spannungskennlinie des Bau elementes wird ein Stromfluss durch den Parallelstrompfad im Normalbetrieb nahezu verhindert. Somit fällt die unerwünschte Anforderung, die Sicherung auf den Maximalstrom auszulegen, weg und die Impedanz der Sicherung kann so gering wie möglich gewählt werden. Das in Serie geschaltete Sicherungselement muss daher nicht auf einen Dauerstrom ausgelegt werden, wie dies bei Geräten gemäß des Standes der Technik notwendig ist. Auch kann auf eine technisch aufwendige Sprengvorrichtung für den Nennstrompfad verzichtet werden. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement. Hierzu ist insbesondere eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Ga te-Elektrode, englisch insulated-gate bipolar transistor) , ein IGCT (integrated gate-commutated thyristor) oder ein Feldeffekttransistor geeignet. Besonders bevorzugt ist eine Diode geeignet, da diese kostengünstig darstellbar ist.
Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom in eine Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Unter einem Thyristor wird ein einschalt- bares Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement verstan den, was bedeutet, dass der Thyristor in einem Ausgangszu stand nichtleitend ist und durch einen kleinen Strom an einer Elektrode, einer Gateelektrode eingeschaltet wird. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom bis zum nächsten Stromnulldurchgang leitend.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Strombegrenzungseinheit mindestens zwei antiparallel ge richtete Bauelemente auf. Dies ermöglicht eine Anwendung der beschriebenen Erfindung in einem Wechselspannungskreis. Je nach vorherrschender Stromrichtung ist immer ein Bauelement in Sperr- bzw. Durchgangsrichtung geschaltet. Es hat sich da bei herausgestellt, dass hierbei zwei antiparallel geschalte te Dioden besonders vorteilhaft sind, da die auftretende Spannung über dem geschlossenen Nennstrompfad unterhalb der Vorwärtsspannung einer Diode liegt. Jedoch auch alle anderen genannten möglichen Bauelemente können in dieser beschriebe nen antiparallelen Schaltung eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Kurzschluss strombegrenzer in der Art ausgestaltet, dass der zu begren zende Kurzschlussstrom II zwischen 10 Kiloampere und 80 Kilo ampere, insbesondere zwischen 10 Kiloampere und 50 Kiloampere liegt. Hierbei handelt es sich um vergleichsweise große Strö me, die bei einem entsprechenden Kontaktsystem mit einem ge ringen Kontaktwiderstand zu einem geringen Spannungsfall füh- ren, wobei auch die entsprechenden Bauelemente mit einer re lativ geringen Schwellenspannung ausgestaltet sein können. Dabei ist es ferner zweckmäßig, dass der Spannungsfall Ull über der Unterbrechereinheit kleiner ist als die Schwellen spannung des nichtlinearen Bauelementes. Erst wenn die
Schwellenspannung des Bauelementes überschritten ist, kommu- tiert der Strom in den Parallelstrompfad.
Besonders zweckmäßig ist die Anwendung einer Vakuumschaltröh re im Nennstrompfad, da hierbei geringe Kontaktwiderstände realisiert werden können und gleichzeitig eine hohe Schaltge schwindigkeit erreicht werden kann.
Die Schwellenspannung des Bauelementes liegt bevorzugt in ei nem Bereich von 0,1 Volt und 1,5 Volt, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,2 Volt und 0,8 Volt. In diesem Span nungsbereich sind kostengünstige Bauteile erhältlich, die ge gebenenfalls auch in Reihe hintereinander geschaltet sein können. Dabei können auch jeweils zwei antiparallele Bauteile in Reihe hintereinander geschaltet sein.
Der Kontaktwiderstand der Unterbrechereinheit des Kurz schlussstrombegrenzers liegt korrespondierend mit dem flie ßenden Strom und der abfallenden Spannung bevorzugt zwischen 5 mW und 200 mW, besonders bevorzugt zwischen 10 mW und 60 mW .
Besonders bevorzugt ist der Kurzschlussstrombegrenze für den Einsatz in einem Hochspannungs- oder Mittelspannungsnetz aus gelegt .
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere vor teilhafte Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um reine schematische Ausge staltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen .
Dabei zeigen: Figur 1 ein Schaltbild eines Kurzschlussstrombegrenzers mit einer Unterbrechereinheit und einem Sicherungsele ment gemäß des Standes der Technik,
Figur 2 einen Kurzschlussstrombegrenzer mit einer Unterbre chereinheit und einer Strombegrenzungseinheit um fassend ein Sicherungselement und ein weiteres Bau element,
Figur 3 ein Ersatzschaltbild für den Kurzschlussstrombe
grenzer gemäß Figur 2 und
Figur 4 ein Ersatzschaltbild gemäß Figur 3 bei geöffneter
Unterbrechereinheit .
In Figur 1 ist ein Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Stand der Technik abgebildet. Dieser umfasst zum einen einen Nenn strompfad 12, der durch eine Unterbrechereinheit 4 unter brechbar ist. Bei der Unterbrechereinheit 4 handelt es sich gemäß dem Stand der Technik in der Regel um einen Einmal- Schalter mit Gasisolationsstrecke. Ferner umfasst der Strom begrenzer 2 einen Parallelstrompfad 14, in dem eine Strombe grenzungseinheit 6 angeordnet ist, die im Wesentlichen ein Sicherungselement 8 umfasst. Bei einem Kurzschlussfall wird der Nennstrompfad 12 geöffnet, wobei ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung bewirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Parallelstrompfad 14 mit dem Sicherungsele ment 8, wobei der Lichtbogen erlischt und das Sicherungsele ment beginnt aufzuschmelzen. Das Sicherungselement beginnt erst mit der Strombegrenzung, wenn der Nennstrompfad durch die Unterbrechereinheit sicher isoliert ist. Dabei ist es notwendig, dass die Impedanz des Parallelstrompfades und die des Nennstrompfades entsprechend aufeinander abgestimmt sind, damit die Kommutierung im Kurzschlussfall vom Nennstrompfad 12 in den Parallelstrompfad 14 erfolgt. Eine weitere Heraus forderung bei der Auswahl des Sicherungselementes und der da raus entstehenden Impedanz besteht darin, dass im Nennbetrieb der Strom, der durch das Sicherungselement 8 fließt, nicht zu hoch wird, damit das Sicherungselement nicht bereits während des Nennbetriebs durch Aufschmelzen zerstört wird.
Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz im Parallelstrompfad relativ zum Nennstrompfad, um Sicherungen nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Impedanz relativ zum Nennstrompfad bei einem auftretenden Kurzschlussfall, um den Strom in den Parallelstrompfad kommu- tieren zu lassen.
Dieser Zielkonflikt wird dadurch gelöst, dass gemäß Figur 2 mindestens ein Bauelement 1 0 mit einer nichtlinearen Leitfä higkeit in Serie zum Sicherungselement 8 und als Bestandteil der Strombegrenzungseinheit 6 parallel zum Nennstrompfad 12 geschaltet ist. In der Abbildung gemäß Figur 2 sind zwei Dio den 1 1 , 13 antiparallel geschaltet und bilden somit das Bau element 1 0 . Somit ist auch in einer Wechselstromanwendung ge währleistet, dass je nach Stromrichtung die jeweiligen Teil bauelemente des Bauelementes 1 0 , in dem Beispiel gemäß Figur 2 die Dioden 1 1 oder 13 in eine Richtung entlang des Paral lelstrompfades 14 leiten. In Figur 2 ist in der Grundstellung der Nennbetrieb des Kurzschlussstrombegrenzers 2 dargestellt, die Unterbrechereinheit 4 ist geschlossen, weshalb der Strom fluss entlang des Nennstrompfades 12 erfolgt. Hierbei fällt aufgrund eines Kontaktwiderstandes R eine Spannung Un ab, die allerdings aufgrund des geringen Kontaktwiderstandes R, der bevorzugt im Bereich zwischen 5 mW und 2 0 0 mW , besonders bevorzugt zwischen 1 0 mW und 60 mW liegt, relativ gering ist. Die Spannung Un liegt dabei zwischen 0 , 1 Volt und 1 , 5 Volt, bevorzugt zwischen 0 , 2 Volt und 0 , 8 Volt. Dieser gerin ge Widerstand und die dadurch geringe abfallende Spannung führen dazu, dass ein relativ hoher Stromfluss erfolgen kann. Der Strom Ii, der bei Nennbetrieb entlang des Nennstrompfades 12 fließt, kann zwischen 0 , 8 kA und 4 kA, bevorzugt zwischen 1 kA und 4 kA liegen. Dabei errechnet sich die Nennspannung Un über die Gleichung Gleichung 1 Un = Ri x Ii.
Der Widerstand Ri ergibt sich dabei aus der Summe des Kon taktwiderstandes zwischen zwei hier nicht dargestellten Kon takten und dem Widerstand des Anschlusses bzw. der Kontakt bolzen der Unterbrechereinheit 4, die bevorzugt in Form einer Vakuumschaltröhre ausgestaltet ist, sowie der Widerstand der Anschlussleitungen. Das Bauelement 10, das gemäß Figur 2 in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden 11 und 13 aus gestaltet ist, weist dabei eine Schwellenspannung oder
Schleusenspannung U15 auf, die im Nennbetrieb höher ist, als die Nennspannung Un, die aufgrund des Kontaktwiderstandes entlang der Unterbrechereinheit 4 abfällt.
Gleichung 2 Un < U
Solange diese Bedingung erfüllt ist, sperrt die Diode 11 oder die Diode 13 den Parallelstrompfad 14, sodass kein oder nur ein sehr geringer Strom vom Nennstrompfad 12 in den Paral lelstrompfad 14 kommutieren kann. Somit kann das Sicherungs element 8 mit einer relativ geringen Impedanz ausgestaltet sein, sodass der Strom im Kurzschlussfall und bei Überschrei ten der Schwellenspannung U15 in den Parallelstrompfad 14 kommutieren kann.
In Figur 3 ist ein Ersatzschaltbild der Darstellung gemäß Fi gur 2 gegeben, in dem die Impedanz Z, die Spannung Un und U15 sowie die Stromflüsse Ii und der noch zu beschreibende Strom fluss I2 dargestellt ist. Der Stromfluss I3 beschreibt den Netzstromfluss, der je nach Schaltzustand des Kurzschluss strombegrenzers 2 sich in die Ströme Ii und I2 aufteilt.
In Figur 4 ist das Auftreten eines Fehlers oder Kurzschluss stromes dargestellt, bei dem die Unterbrechereinheit 4 in sehr kurzer Zeit, insbesondere weniger als 3 ms öffnet, wodurch zwischen zwei hier nicht dargestellten Kontakten der Unterbrechereinheit 4 ein Lichtbogen entsteht. Durch diesen auftretenden Lichtbogen entsteht auch eine Lichtbogenspannung U12, die höher ist, als die Schwellenspannung U15 des Bauele mentes 10. Das heißt die Nennspannung Un steigt durch den Stromanstieg und den Lichtbogen so stark an, dass sie zur Spannung U12 wird und die Schwellenspannung U15 des Bauelemen tes 10 überschritten wird, was dazu führt, dass die Diode 11 oder die Diode 13 in Abhängigkeit der Strompolarität des Wechselstroms leitend wird und der Strom I3 in Form des Stro mes I2 in den Parallelstrompfad 14 kommutiert. Wenn der Strom im Hauptstrompfad Ii nahe null ist, erlischt der Lichtbogen. Sobald die Trennstrecke der Unterbrechereinheit ihre Span nungsfestigkeit erreicht hat, schmilzt das Sicherungselement und begrenzt den Kurzschlussstrom.
Anstelle von Dioden 11 und 13 können auch aktivgesteuerte Bauelemente, wie Thyristoren, Funkenstrecken oder Triggered Vacuum Switches verwendet werden. Grundsätzlich können auch IGBTs oder IGCTs, sowie Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen. Der Vorteil an Dioden besteht darin, dass diese ge genüber den genannten aktiven Bauelementen relativ günstig sind und selbst Dioden 11, 13 mit relativ geringen Schwellen spannungen von 0,3 V bis 4 V anwendbar sind. Dies liegt wie derum daran, dass auch der Kontaktwiderstand Ri, der über den Kontakt in der Unterbrechereinheit 4, insbesondere in der Va kuumschaltröhre, abfällt, ebenfalls sehr gering ist, was wie derum den Einsatz einer Diode mit einer geringen Schwellen spannung ermöglicht. Sollte der Kontaktwiderstand höher sein oder aus einem anderen Grund die Schwellenspannung U15 der Diode 11, 13 oder eines ähnlichen Bauelementes 10 nicht aus reichend sein, so können diese Bauelemente 10 entlang des Pa rallelstrompfades 14 in Reihe geschaltet werden. Bei der An wendung von Wechselstrom sollten dann wiederum jeweils anti parallel geschaltete Bauelemente, analog der Dioden 11 und 13 in Reihe entlang des Nennstrompfades 14 geschaltet sein.
Gemäß des Standes der Technik müssen jeweils die Impedanzen des Parallelstromkreises 14 als Kompromiss für die Nennbedin gung und für die Stromkommutierung ausgelegt sein. Durch die beschriebene Anordnung, die auf der starken Nichtlinearität der Bauelementkennlinien, insbesondere der Diodenkennlinien beruht, wird ein zu großer Stromfluss I2 durch den Parallels trompfad 14 im Nennbetrieb verhindert. Somit fällt die Rand bedingung des Maximalstroms im Nennbetrieb für das Siche- rungselement 8 weg und die Impedanz des Sicherungselementes kann so gering wie möglich ausgelegt werden. Typische Schwel lenspannungen U15 von herkömmlichen Dioden 11, 13 befinden sich in derselben Größenordnung wie der Spannungsfall in ei ner Unterbrechereinheit 4, insbesondere in einer Vakuum- schaltröhre bei typischen Nennströmen im Mittelspannungsnet zen und Hochspannungsnetzen. Somit kann bei der beschriebenen Anordnung auf kostengünstige herkömmlich erhältliche Bauele mente 10, insbesondere Dioden 11 und 13 zurückgegriffen wer den, was die beschriebene Anordnung gegenüber dem Stand der Technik besonders kostengünstig macht.
Bezugszeichenliste
2 Kurzschlussstrombegrenzer
4 Unterbrechereinheit
6 Strombegrenzungseinheit
8 Sicherungselement
Ri Kontaktwiderstand
Uu Nennspannung
Ul2 LichtbogenSpannung
Ui3 KommutierungsSpannung
Ul4 BegrenzungsSpannung
Ul5 Schwellspannung Bauelement z Impedanz Parallelstrompfad
11 Nennstrom
I2 Kommutierström
13 Netzstromfluss
10 Bauelement
11 Diode
12 Nennstrompfad
13 Diode
14 Parallelstrompfad

Claims

Patentansprüche
1. Kurzschlussstrombegrenzer umfassend eine Unterbrecherein heit (4) in einem Nennstrompfad (12) und eine hierzu in einem Parallelstrompfad (14) parallel geschaltete Strombegrenzungs einheit (6), wobei die Strombegrenzungseinheit (6) ein Siche rungselement (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) zudem ein Bauelement (10) mit ei ner nichtlinearen Leitfähigkeit umfasst, das mit dem Siche rungselement (8) im Parallelstrompfad (14) in Reihe geschal tet ist.
2. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauelement (10) ein Halbleiterbauelement ist .
3. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauelement (10) eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT ein IGCT oder ein Feldeffekttransistor, insbesondere eine Diode ist.
4. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit mindestens zwei antiparallel gerichtete Bauelemente (10) um fasst .
5. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Strombegrenzungseinheit (6) mindestens zwei antiparallele Dioden (11, 13) umfasst.
6. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu begrenzender Kurzschlussstrom (Ii) zwischen 10 kA und 80 kA, insbesondere zwischen 10 kA und 50 kA liegt.
7. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsfall (Un) über der Unterbrechereinheit (4) kleiner als eine
Schwellenspannung (U15) des stromrichtungsabhängigen Bauele mentes (10) ist.
8. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrecherein heit eine Vakuumschaltröhre ist.
9. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Schwellenspannung (Ui5) aufweist, die zwischen 0,1 V und 1,5 V liegt.
10. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass das Bauelement (10) eine Schwellenspannung (Ui5) aufweist, die zwischen 0,2 V und 0,8 V liegt.
11. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktwider stand (Ri) der Unterbrechereinheit zwischen 5 mW und 200 mW liegt .
12. Kurzschlussstrombegrenzer nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Kontaktwiderstand (Ri) der Unterbre chereinheit zwischen 10 mW und 60 mW liegt.
13. Kurzschlussstrombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschluss strombegrenzer für den Einsatz in einem Hochspannungs- oder Mittelspannungsnetz ausgelegt ist.
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