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Dokumentenidentifikation DE10003556B4 15.07.2004
Titel Strombegrenzer mit elektrischen Ventilen zum Begrenzen des Kurzschlußstromes in einem elektrischen Leistungsstromkreises
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE;
Ingenieurbüro Kuperman, 76149 Karlsruhe, DE
Erfinder Kuperman, Grigory, Dr., 76149 Karlsruhe, DE;
Jüngst, Klaus-Peter, Dr., 76297 Stutensee, DE
DE-Anmeldedatum 27.01.2000
DE-Aktenzeichen 10003556
Offenlegungstag 10.08.2000
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.07.2004
IPC-Hauptklasse H02H 9/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer zur Begrenzung der Kurzschlußströme in Leistungsnetzen, ein Verfahren zu seinem Betrieb und die Verwendung in zu schützenden Anlagen.

Zur Strombegrenzung in der Energietechnik werden warme Reaktoren sowie supraleitende Drosseln verwendet.

Die Aktivierung des Strombegrenzers besteht darin, daß sich im Kurzschlußfall ein ohmscher Widerstand, eine Induktivität, oder eine Kombination von beiden in geeigneter Höhe aufbaut. Bevorzugt wird, durch ein möglichst passiv triggerbares Element, dem Kurzschlußstrombegrenzer FCL ("Fault Current Limiter"), den Kurzschlußstrom zu begrenzen.

Supraleiter sind für diese Aufgabe besonders geeignet, da sie im Normalbetrieb nur einen kleinen Spannungsabfall haben und der Übergang in die Normalleitung den Aufbau eines hohen elektrischen Widerstandes und das Durchdringen magnetischer Flüsse bewirkt. Dies kann für eine resistive, bzw. induktive Strombegrenzerfunktion genutzt werden.( Prof. Dr. techn. P. Komarek, Hochstromanwendung der Supraleitung, 1995).

Ein Supraleiterdraht ist bei Wechselstrombetrieb nicht verlustfrei, sondern stets sind zwei grundsätzliche Verlustmechanismen wirksam, nämlich Wirbelstromverluste in der Matrix und Ummagnetisierungsverluste ("Hystereseverluste") im harten Supraleiter selbst. Bei Gleichstrombetrieb sind die Verluste in dem Supraleiterdraht praktisch gering.

Aus der Literatur ist ein Strombegrenzer bekannt, dessen supraleitende Drossel durch Gleichrichter auf der Gleichstromseite geschaltet wird (Boenig, H.J., and D.A. Paice, 1983, Fault Current Limiter using a Superconducting Coil, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 19, no. 3, p. 1051, May). In Reihe mit der Drossel auf der Gleichstromseite ist eine Spannungsquelle geschaltet. Diese Spannungsquelle sichert das Fließen eines Stromes I0 in der Drossel. Der Wert des Stromes I0 übersteigt die Amplitude des Wechselstromes, welcher durch den Begrenzer fließt, solange kein Fehlerfall vorliegt, und ist wesentlich kleiner als der Kurzschlussstrom. Die Brücke läßt dann auch den Laststrom durchfließen. Dabei ist der Spannungsabfall über dem Begrenzer gleich dem Spannungsabfall über den Ventilen in zwei Schultern der Brücken.

In der FR 1 337 971 wird ein elektrischer Schaltkreis vorgestellt, der aus einer Last besteht, die über eine Schutzschaltung an eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist. Die Schutzschaltung dient zur Begrenzung der Stromänderung, um die Plötzlichkeit einer Stromänderung in der Last abzumildern. Die Schutzbeschaltung besteht aus zwei in Reihe geschalteten Induktivitäten, die von zwei in Reihe geschalteten, ungesteuerten Ventilen, Dioden, überbrückt sind. Die Dioden haben entgegengesetzte Durchlaßrichtung. Der gemeinsame Punkt der Dioden und der Induktivitäten sind direkt miteinander verbunden.

Ungesteuerte Ventile sperren nur bei den Strömen, die größer sind als der Ansprechstrom der Schutzeinrichtung, der dem Anfangsstrom in den Induktivitäten entspricht, und leiten die hohen Stromteile über die Induktivitäten. Dagegen werden die bei Wechselströmen immer auch vorhandenen kleineren Ströme nahezu ungehindert über die Dioden geleitet (Diodenwiderstand in Durchlaßrichtung). Der in den Induktivitäten fließende Strom kann dem nach dem Strommaximum wieder abnehmenden Netzstrom nicht folgen, da er durch die Dioden kurzgeschlossen wird, und bleibt dabei im wesentlichen auf dem erreichten Wert.

Die Betrachtung der jeweils nächsten Halbwelle wird aufgeteilt in Ströme unterhalb des Ansprechstroms und darüber. Kleinere Ströme nehmen den Weg über die leitende Diode, während die höheren Ströme über die Induktivitäten fließen und den dort bereits fließenden Strom erhöhen. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder Halbwelle für den jeweils wirksamen Teil der Schaltung. Das führt bei einem Kurzschluß zu einem wesentlichen Anstieg des Stromes in den Induktivitäten und in den äußeren Stromkreisen während des Zeitintervalles, welches zum Abschalten der Einrichtung mindestens erforderlich ist (100 – 150 msec) und besonders während des Zeitintervalls, welches für die Sicherung des selektiven Ansprechens der Schutzeinrichtungen benötigt wird (1 – 2 sec).

Durch die Verwendung von aktiv halbgesteuerten Ventilen, z. B. Thyristoren, in Brückenschaltung wird eine effektivere Begrenzung des Kurzschlußstromes erreicht. Es wird eine Leistungssteuerung bewirkt, die im Fehlerfall den durch die Spule fließenden Strom zu Null steuert. (Boenig, H.J., and D.A. Paice, 1983, Fault Current Limiter using a Superconducting Coil, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 19, no. 3, p. 1051, May; FR-N° 1.337.971). Allerdings ist in diesem Fall eine spezielle Apparatur erforderlich, welche einen Kurzschluß identifiziert und den Steueralgorithmus für die Thyristoren in der Brücke verändert, d. h. in diesem Fall handelt es sich nicht um einen sicher arbeitenden Strombegrenzer mit passiver Triggerung. Der Strombegrenzer ist in diesem Fall kein passiv triggerbares Element mehr. Er benötigt eine spezielle Steuereinheit für den Thyristor. Das verringert die Zuverlässigkeit des Strombegrenzers wesentlich.

Im Fehlerfall, wenn die Amplitude des Wechselstromes den Wert I0 in der Drossel übersteigt, wird der Kurzschlußstrom durch die Induktivität der Drossel begrenzt. Die Begrenzung des Kurzschlußstromes wird durch den Wert der maximalen Energie bestimmt, welche während des transienten Prozesses in der Drossel gespeichert wird: Wmax = L·Imax 2/2

Eine Optimierung des Strombegrenzers bedeutet eine Minimierung der in der Drossel gespeicherten Energie (Wmax).

In der US 3 099 789 wird ein Strombegrenzer mit elektrischen Ventilen zum Begrenzen des Kurzschlussstromes in einem elektrischen Leistungswechselstromkreis beschrieben, der aus zwei in Reihe zueinander geschalteten Induktivitäten/Drosseln und zwei in Reihe mit zueinander entgegengesetzter Durchlassrichtung geschalteten, die beiden Induktivitäten überbrückenden, elektrischen Ventile, deren gemeinsamer Potentialpunkt mit dem gemeinsamen der beiden Induktivitäten verbunden ist.

Zwar ist bekannt, zur Leistungssteuerung im Bereich der Leistungselektronik gesteuerte Ventile einzusetzen, beispielsweise Phasenanschnittssteuerung. Bestünde das Ziel, den Strombegrenzer gleichzeitig zur Leistungssteuerung zu verwenden, würden bevorzugt gesteuerte Ventile eingesetzt werden.

Aus der Funktionsweise des Strombegrenzers mit ungesteuerten Ventilen gemäß der US 3 099 789 ergibt sich im Normalbetrieb, dass die Ventile, bedingt durch die fließenden Kreisströme, immer in Durchlassrichtung betrieben werden und zu keinem Zeitpunkt sperren. Dadurch ist eine Leistungssteuerung mit Hilfe von ungesteuerten Ventilen ausgeschlossen. 3 in der US 3 099 789 weist zwei gesteuerte Ventile auf, die jedoch jede Halbwelle wechselseitig angesteuert werden, das jeweils andere Ventil sperrt also. Lediglich die beiden ungesteuerten Ventile werden zum Freilauf verwendet. Durch Sperren des jeweiligen Ventils ist eine Leistungssteuerung möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen elektrischen, im Kurzschlussfall zu schützenden Leistungswechselstromkreis einen mit elektrischen Ventilen einfach aufgebauten Strombegrenzer bereit zu stellen, der den Kurzschlussfall zuverlässig beherrscht und den Kurzschlußstrom nicht nur in den ersten 100 – 150 msec sondern auch in die folgenden 1 – 2 sec hinein vorgegeben begrenzt, um die Selektivität des Auslösens der Schutzeinrichtung des Leistungswechselstromkreises zu wahren.

Die Aufgabe wird durch einen Strombegrenzer gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, der gemäß den Verfahrensschritten des Anspruchs 6 betrieben wird.

Nach Anspruch 1 hat der bekannte Strombegrenzer, der aus zwei in Reihe geschalteten Induktivitäten/Drosseln besteht, die von zwei in Reihe geschalteten, steuerbaren Ventilen mit zueinander entgegengesetzter Durchlaßrichtung überbrückt sind. Gemäß Anspruch 6 werden beim Einschalten des zu schützenden Stromkreises zunächst die beiden gesteuerten Ventile über die jeweilige Steuerelektrode aktiv in den leitenden Zustand gesteuert/versetzt. Der gemeinsame Potentialpunkt der Ventile ist mit dem gemeinsamen Potentialpunkt der Induktivitäten verbunden, nicht notwendigerweise direkt. Im Fehlerfall, also beim Überschreiten eines vorgegeben hohen Stromes, der über dem Nennstrom liegt, triggern sich die Ventile des Strombegrenzers selbst, also passiv, gehen vom leitenden in den sperrenden Zustand über und bleibt in diesem.

Im Kurzschlussfall in der Last geht beim Überschreiten einer vorgegebenen Fehlerstromschwelle und beim erstmaligen Erreichen der Minimaldauer zur Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit für das Anliegen einer der Durchlassrichtung entgegengesetzten Spannung am betroffenen Ventil dieses von selbst vom leitenden in den sperrenden Zustand über und verharrt in diesem. Dieses Verhalten tritt in einer der folgenden Halbperioden am andern, sich noch im leitenden Zustand befindlich Ventil ebenfalls ein. Dadurch kommen die beiden Induktivitäten L elektrisch in. Reihe zueinander zu liegen und wirken während des Fehlerfalls als zusätzlicher Wechselstromwiderstand 2&ohgr;L im Stromkreis, wodurch der Kurzschlussstrom anlagenverträglich begrenzt wird.

In den Unteranspüchen 2 bis 5 sind einzelne Bauteile des Strombegrenzers spezifiziert. So sind die beiden Ventile halbgesteuert und deshalb Thyristoren z.B. (Anspruch 2) oder vollgesteuert und deshalb Leistungstransistoren beispielsweise (Anspruch 3).

In der Verbindung vom gemeinsamen Potentialpunkt der Ventile zum gemeinsamen der Drosseln kann eine steuerbare Spannungsquelle sitzen (Anspruch 4).

In dem jeweiligen Kreis, der von der Induktivität mit parallel geschaltetem Ventil gebildet wird, kann eine steuerbare Spannungsquellen in Reihe und in Durchlassrichtung des jeweiligen. Ventils geschaltet sein (Anspruch 5).

Die Verwendung des Strombegrenzers als Schutzeinrichtung ist in Anspruch 7 beschrieben. Die Verwendung ist sehr breit. Sie kommt in Betracht bei elektrische Anlagen der Energieerzeugung und Energieverteilung in unterschiedlichen Spannungsebenen, bei Abnehmern elektrischer Energie im industriellen Bereich und der elektrischen Anlagen in experimentellen Anlagen/Einzelgeräte der Forschung, Hochleistungssendeeinrichtungen der Kommunikationstechnik eingeschlossen.

Vorteil des Strombegrenzers ist:

es handelt sich um eine im Kurzschlussfall passiv getriggerte Strombeschattung, welche eine Begrenzung des Kurzschlußstromes nicht nur in den ersten 100 – 150 ms sondern auch bis in die folgenden 1 – 2 sec sichert, wobei im Kurzschlußfall der Strom durch den induktiven Widerstand der beiden dann in Reihe geschalteten Drosseln im Wechselstromkreis begrenzt wird und bei normalem Betrieb der Spannungsabfall über dem Strombegrenzer praktisch dem Spannungsabfall über den Ventilen entspricht. In beiden Fällen, dem Nennbetrieb und dem Kurzschluß fall hat man die Reihenschaltung zweier glei- cher Parallelschaltungen, wobei die Parallelschaltung aus der Induktivität und dem zugehörigen parallelgeschalteten Ventil besteht. Im Nennbetrieb hat das Ventil Idealerweise keinen Widerstand, leitender Zustand, im Fehlerfall geht es Idealerweise auf einen unendlich hohen Widerstand, sperrender Zustand über.

Bei Verwendung von halb gesteuerten Ventilen, z. B. Thyristoren, wird eine automatische Begrenzung des Kurzschlußstromes ohne zusätzliche Steuersignale von außen verwirklicht. Halbgesteuerte oder vollgesteuerte Ventile verändern die Funktion der Schaltung entscheidend. Sie sperren automatisch nach dem Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb der Zeitspanne von einer bis ein paar Perioden der Wechselspannung und bleiben gesperrt bis zum völligen Abschalten des havarierten Stromkreises. Das sichert eine effektive ständige Begrenzung des Stromes durch zwei in Reihe geschaltete Drosseln. Bei normalem Betrieb fließt über die strombegrenzenden Drosseln ein Quasigleichstrom, d.h. kein oder allenfalls nur ein minimaler ohmscher Widerstand und damit ein minimaler Verlust Ri2 in diesen Elementen.

Darüber hinaus kann die Baugröße der Drosseln im Vergleich zu Strombegrenzern mit ungesteuerten Ventilen reduziert werden. Kleiner Netz- Innenwiderstand und kleine Kurzschlussströme erlauben eine Dimensionierung der Anlagen und Betriebsmittel für kleinere Kurzschlussströme. Durch anfängliche Selbsttriggerung im Kurzschlussfall wird die Zuverlässigkeit des Strombegrenzers und damit die Verlängerung der Lebensdauer von Anlagen und Betriebsmitteln entscheidend erhöht. Einher gehen damit geringere Auswirkengen an der Fehlerstelle, größere Effektivität bei der Begrenzung von Kurzschlussströmen und geringe Verluste bei normalem Betrieb.

Die Erfindung wird anhand eines Durchführungsbeispiels und in Anlehnung an die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1, das Schaltprinzip des Strombegrenzers,

2, den Strombegrenzer mit der Spannungsquelle zwischen dem gemeinsamen Punkt der Ventile und dem gemeinsamen Punkt der Drosseln,

3, den Strombegrenzer mit zwei Spannungsquellen,

4, den zeitliche Verlauf des Stromes in den Elementen des Strombegrenzers,

5 Verlauf des Fehlerstromes in einem Strombegrenzer mit ungesteuerten Ventilen,

6 Einsatzzeitfenster des Fehlerstromes.

Geläufige Dinge wie Schutzbeschaltung und eine daran gekoppelte Steuerelektronik sind der Übersicht halber und wegen bekannter Technik nicht in die 1-6 eingezeichnet.

Das Funktionsprinzip des Strombegrenzers wird anhand der Einrichtung untersucht, die mit Thyristoren als halbgesteuerte Ventile 3 und 4 aufgebaut ist.

Bei Inbetriebname der Einrichtung erfolgt ein Zünden der Thy- ristoren 3 und 4 und ein Ansteigen des Stromes durch die Drosseln 1 und 2 bis zum Strom I0 dessen Wert die Amplitude des Wechselstromes Imax übersteigt, welcher durch den Begrenzer im Normalbetrieb fließt und kleiner ist als der Kurzschlußstrom. Nach dem Ansteigen des Stromes in den Drosseln 1 und 2 bis I0 ändert sich der Strom durch die Thyristoren 3 und 4 im Normalbetrieb während einer Periode des Wechelstromes.entsprechend den folgenden Gleichungen (1): I3 = I0 + Imaxsin(&ohgr;t + &phgr;0), I9 = I0 – Imaxsin(&ohgr;t + &phgr;0)

Der Strom durch die Drosseln bleibt dabei gleich I0.

Bei Auftreten eines Kurzschlusses sperrt (nichtleitend) zunächst einer der Thyristoren, z. B. Thyristor 3, da eine umgekehrte Spannung an dem Thyristor 3 auftritt. Ist der Zeitraum, während dem eine umgekehrte Spannung an dem Thyristor 3 anliegt, gleich oder größer, als die Zeit der Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit des Thyristors, wie in 4 gezeigt, bleibt der Thyristor 3 in diesem Zustand, andernfalls entsteht eine ähnliche Situation mit dem Thyristor 4. Dabei wächst der Strom in Drossel 1 und wird den Wert I4 übersteigen. Für die Zeitdauer, während der nur der Thyristor 3 sperrt, ist die Eingangsspannung U = Umax sin(&ohgr;t + &psgr;01) und der Strom in Drossel 1 kann über folgende Gleichung bestimmt werden: I1 = (UMAX/&ohgr;L1)·sin(&ohgr;t + &psgr;1) – (Umax/&ohgr;L1)·sin&psgr;1·e–t/&tgr;1 + I0·e–t/&tgr;1 (2), wobei

&psgr;01 der Phasenwinkel ist, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 3 definiert wird,

&psgr;1 der Phasenwinkel ist, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 3 und &ohgr;Li/Ri definiert wird, und zwar mit &psgr;1 = &psgr;01 – &phgr;1 und damit &phgr;1 = arctg(&ohgr;L1/R1).

R1 ist der Widerstand des kurzgeschlossenen Kreises,

L1 die Induktivität L der Drossel 1 bzw. der Drossel 2, plus der Quellinduktivität LQ.

&tgr;1 = L1/R1 ist die Zeitkonstante.

In diesem Zeitraum ändert sich der Strom über den Thyristor 4 entsprechend der folgenden Gleichung: I4 = IL1 + I0 = (UMAX/&ohgr;L1)·(sin(&ohgr;t + &psgr;1) – sin&psgr;1·e–t/&tgr;1) + I0·(1 + e–t/&tgr;1 (3)

und der Strom in der Drossel 2 ist praktisch gleich I0. Wie man aus der Gleichung (3) sieht, wächst der Strom im kurzgeschlossenen Kreis in der anderen Richtung bis zum Wert I0.

Bei der Erfüllung der Bedingung |I1| ≥ |–I0| liegt auch an dem zweiten Ventil (4) eine umgekehrte Spannung und es sperrt. Ist der Zeitraum, während dessen eine umgekehrte Spannung an den Thyristor 4 anliegt, gleich oder größer als die Zeit der Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit des Thyristors, bleibt Thyristor 4 in diesem Zustand. Anderenfalls entsteht diese Situation später, in einer oder mehreren Wechselstromperioden.

Für die Zeitdauer, während der beide Thyristoren geschlossen sind, bei der Eingangsspannung U = UMAX sin(&ohgr;t + &psgr;02), kann der Strom in der Drosseln 1 und 2 über folgende Gleichung bestimmt werden: I1 = I2 = (UMAX/&ohgr;L2)·(sin(&ohgr;t + &psgr;1) – sin&psgr;2·e–t/&tgr;2) + I0·e–t/&tgr;2 (4), wo L2 = 2L + LQ und &tgr;2 = L2/R2 ist.

R2 ist der Widerstand des kurzgeschlossenem Kreises bei zwei in Reihe geschalteten Drosseln.

&psgr;02 ist der Phasenwinkel, er wird vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 4 definiert, und

&psgr;2 ist der Phasenwinkel, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 4 und auch &ohgr;L2/R2 definiert wird, und zwar

&psgr;2 = &psgr;02 - &phgr;2 mit &phgr;2=arctg (&ohgr;L2/R2).

Die Zeitdauer zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses und dem Schließen des ersten Ventils kann in Abhängigkeit von der Phasenlage &psgr;01 und der Dimensionierung der Elemente des Strombegrenzers zwischen ca. 0,5 ms und ca. 20 ms schwanken.

Die Zeitdauer vom Sperren des ersten Thyristors bis zum Sperren des zweiten Thyristors kann in Abhängigkeit von der Phasenlage &psgr;02 und der Dimensionierung der Elemente des Strombegrenzers zwischen ca. 3 ms und ca. 260 ms schwanken. Nach dem Sperren beider Thyristoren wird der Kurzschlußstrom durch die Induktivität von zwei in Reihe geschalteten Drosseln bestimmt. Wie aus 4 ersichtlich, steigt der Kurzschlußstrom in dem Zeitraum, wenn nur ein Thyristor gesperrt ist, bis auf etwa den 2- bis 3-fachen Wert von Imax an. Nach dem Sperren des zweiten Ventils verringert sich die Amplitude des Stromes bis zu einem Wert in der Nähe von Imax. d.h. in diesem Beispiel sogar bis zu einem Wert, der praktisch dem normalen Betrieb entspricht.

Der Strombegrenzer mit den beiden Thyristoren gemäß der Schaltung nach 2 oder 3 wird im folgenden an einem speziellen Auslegung untersucht. Die Dimension der Komponenten des Strombegrenzers und die Parameter der Energieübertragungsleitung und der Last sind folgende:

Quellspannung Umax = 410 kV,

Ohmscher Widerstand der Quelle RQ = 0,24 &OHgr;,

Induktiver Widerstand der Quelle LQ = 6 mH,

Ohmscher Widerstand der Last RL = 100 &OHgr;,

Induktivität der Drossel 1 L = 0,2 H,

Induktivität der Drossel 2 L = 0,2 H,

In 4 sind die Kurven der Ströme gezeigt, die durch die Drosseln 1 und 2 fließen sowie durch den zu schützenden Kreis, der die Drossel 2 kurzschließt. In diesem Fall übersteigt die Amplitude des Stromes bei einem Kurzschluß in der Last den Normalstrom ungefähr um das 2,7-fache. Etwa 50 ms nach Entstehen des Kurzschlusses stellt sich im Strombegrenzer ein Zustand ein, bei dem der Strom praktisch gleich dem Normalstrom ist. Dabei erfolgt der Übergang in das Strombegrenzungsregime automatisch, ohne irgendwelche äußeren Steuersignale für die Thyristoren 3 und 4. Der Strombegrenzer triggert sich selbst oder passiv aufgrund des Fehlerzustands.

Um die Leistungsfähigkeit des Strombegerenzers mit Thyristoren aufzuzeigen, wird der Strombegrenzer mit gleichen Bauteiledimensionen jedoch mit Dioden als ungesteuerte Ventile gegenübergestellt.

Das Ergebniss ist in 5 mit großem Zeitfenster, 2 s, und in 6 mit kleinem Zeitfenster, 160 ms, um den Einsatzzeitpunkt des Fehlerstromes dargestellt. Ein Vergleich der Kurven aus 4 und 5 zeigt, daß bei gleichen Parametern des Stromkreises, inklusive der Induktivität der Drosseln 1 und 2 der Strom durch den zu schützenden Stromkreis bei 150 ms nach Eintritt des Kurzschlusses in der erfindungsgemäßen Ausführung um das 9-fache und nach 1,5 s um das 50-fache kleiner ist als im Fall mit Dioden. Im Fall des Abschaltens des gestörten Stromkreises nach 2 s oder später ist die Effektivität des Strombegrenzers mit Thyristoren noch höher.

Eine weitere Untersuchung zeigt, wenn in dem Strombegrenzer mit Dioden als Ventile die Induktivität der Drosseln so weit erhöht wird, daß dieselbe Strombegrenzung erreicht wird, wie die maximalen Werte mit dem erfindungsgemäßen Strombegrenzer mit Thyristoren, muß die Induktivität der Drosseln von 0,2 H auf 20 H erhöht werden. Das sind zwei Größenordnungen mehr.

Für die Sicherung der Selektivität des Ansprechens der Schutzeinrichtungen bei einem Kurzschluß ist eine Verzögerung der Stromabschaltung von 1,5 bis 2 s erforderlich. Der erfindungsgemäße Strombegrenzer hat bei einer solchen Abschaltverzögerung eine Gesamtenergiekapazität der strombegrenzenden Drosseln um mehr als 2 Größenordnungen niedriger, als mit Strombegrenzern mit Dioden. Das ist bei der Konzipierung und Realisierung ein wirtschaftlich entscheidender Vorteil.


Anspruch[de]
  1. Strombegrenzer mit elektrischen Ventilen zum Begrenzen des Kurzschlußstromes in einem elektrischen Leistungswechselstromkreises, bestehend aus:

    zwei in Reihe zueinander geschalteten Induktivitäten/Drosseln (1, 2) und

    zwei in Reihe mit zueinander entgegengesetzter Durchlaßrichtung geschalteten, die beiden Induktivitäten (1, 2) überbrückenden, elektrischen Ventilen (3, 4), deren gemeinsamer Potentialpunkt mit dem gemeinsamen der beiden Induktivitäten verbunden ist,

    nach dem Einschalten des Stromkreises bei Erreichen des stationären Zustands in den beiden Kreisen aus Induktivität (1) oder (2) und überbrückendem Ventil (3) oder (4) jeweils ein aufgrund der wirksamen Bauteileparameter bestimmter Kreisgleichstrom I0 in den beiden Kreisen aus Induktivität (1) und (3) sowie (2) und (4) fließt und damit im stationären Nennbetrieb keinen Wechselstromwiderstand bilden,

    dadurch gekennzeichnet, dass:

    die beiden Ventile (3, 4) gesteuerte Ventile sind, die beim Einschalten des Leistungsstromkreises über die jeweilige Steuerelektrode aktiv in den leitenden Zustand gehen,

    im Kurzschlussfall in der Last beim Überschreiten einer vorgegebenen Fehlerstromschwelle und beim erstmaligen Erreichen der Minimaldauer zur Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit für das Anliegen einer der Durchlassrichtung entgegengesetzten Spannung am betroffenen Ventil (3) oder (4) dieses von selbst vom leitenden in den sperrenden Zustand übergeht und in diesem verharrt und dieses Verhalten in einer der folgenden Halbperioden am andern, sich noch im leitenden Zustand befindlich Ventil (4) oder (3) ebenfalls eintritt,

    wodurch die beiden Induktivitäten (1) und (2) elektrisch in Reihe zueinander zu liegen kommen und als zusätzlicher Wechselstromwiderstand im Stromkreis wirken.
  2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile (3, 4) halbgesteuerte Ventile, wie Thyristoren, sind.
  3. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile (3, 4) vollgesteuerte Ventile, wie Leistungstransistoren, sind.
  4. Strombegrenzer nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung vom gemeinsamen Potentialpunkt der Ventile (3, 4) zum dem gemeinsamen der beiden Drosseln (1, 2) eine steuerbare Spannungsquelle (5) liegt.
  5. Strombegrenzer nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu den beiden Ventilen (3) und (4) jeweils eine steuerbare Spannungsquelle (6, 7) in Reihe und in Durchlaßrichtung des jeweiligen Ventils (3, 4) geschaltet ist.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Strombegrenzers mit elektrischen Ventilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der den Kurzschlussstrom in einem elektrischen Leistungswechselstromkreis begrenzt

    und aus:

    zwei in Reihe zueinander geschalteten Induktivitäten/Drosseln (1, 2),

    zwei in Reihe zueinander geschalteten, die Induktivitäten (1, 2) überbrückenden Ventilen (3, 4), die ein gemeinsames Potential haben, und der gemeinsame Potentialpunkt der beiden Induktivitäten und der der beiden Ventile miteinander verbunden sind,

    besteht,

    wobei sich nach dem Einschalten des Stromkreises bei Erreichen des stationären Zustands in den beiden Stromkreisen aus jeweils der Induktivität (1) und dem Ventil (3) sowie (2) und (4) jeweils ein Kreisgleichstrom I0 einstellt,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die beiden Ventile (3, 4) gesteuerte Ventile sind, die beim Einschalten des Stromkreises über die jeweilige Steuerelektrode aktiv in den leitenden Zustand gesteuert werden,

    im Kurzschlussfall in der Last beim Über- schreiten einer vorgegebenen Fehlerstromschwelle und beim erstmaligen Erreichen der Minimaldauer zur Wiederherstellung der elektrischen Festigkeit für das Anliegen einer der Durchlassrichtung entgegengesetzten Spannung am betroffenen Ventil (3) oder (4) dieses von selbst vom leitenden in den sperrenden Zustand übergeführt wird und in diesem verharrt und das in einer der folgenden Halbperioden am andern, sich noch im leitenden Zustand befindlich Ventil (4) oder (3) ebenfalls selbsttätig verursacht wird,

    wodurch die beiden Induktivitäten (1, 2) elektrisch in Reihe zueinander geschaltet werden und dadurch im Stromkreis ein zusätzlicher Stromwiderstand aufgebaut wird, so daß der Fehlerstrom entsprechend der im Fehlerstromkreis bestehenden Gesamtinduktivität und Gesamtwiderstand abklingt und anlagenverträglich begrenzt wird.
  7. Verwendung eines Strombegrenzers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der mit dem Verfahren nach Anspruch 6 betrieben wird,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass der Strombegrenzer als Schutzeinrichtung verwendet wird:

    in Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie und in elektrischen Energieverteilungsnetzen der unteren bis zu höchsten Spannungsebenen,

    in elektrischen Anlagenbereichen der industriellen Fertigung,

    in experimentellen Anlagen/Einzelgeräten der Forschung.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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