WO2000045493A1 - Strombegrenzer mit elektrischen ventilen zum begrenzen des kurzschlussstromes in einem elektrischen leistungsstromkreis - Google Patents

Strombegrenzer mit elektrischen ventilen zum begrenzen des kurzschlussstromes in einem elektrischen leistungsstromkreis Download PDF

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Klaus-Peter JÜNGST
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Ingenieurbuero Kuperman
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    • Y10S323/908—Inrush current limiters

Definitions

  • the invention relates to a current limiter for limiting the short-circuit currents in power networks.
  • the activation of the current limiter consists in the fact that in the event of a short circuit, an ohmic resistor, an inductance, or a combination of both is built up to a suitable level. It is preferred to limit the short-circuit current by means of an element that can be triggered as passively as possible, the short-circuit limiter FCL ("Fault Current Limiter").
  • Superconductors are particularly suitable for this task, since they only have a small voltage drop in normal operation and the transition into the normal line leads to the build-up of a high electrical resistance and the penetration of magnetic fluxes. This can be used for a resistive or inductive current limiter function. (Prof. Dr. techn. P. Komarek, high current application of superconductivity, 1995).
  • a superconductor wire is not loss-free in AC operation, but there are always two fundamental loss mechanisms, namely eddy current losses in the matrix and re-magnetization losses ("hysteresis losses") in the hard superconductor itself. In DC operation, the losses in the superconductor wire are practically low.
  • a current limiter is known from the literature, the superconducting inductor of which is switched by rectifiers on the direct current side (Boenig, HJ, and DA Paice, 1983, Fault Current Limiter using a Superconducting Coil, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 19, no. 3, p. 1051, May).
  • a voltage source switches. This voltage source ensures the flow of a current I 0 in the choke.
  • the value of the current I 0 exceeds the amplitude of the alternating current which flows through the limiter as long as there is no fault, and is substantially smaller than the short-circuit current, the bridge then also allows the load current to flow through.
  • the voltage drop across the limiter is equal to the voltage drop across the valves in two shoulders of the bridges.
  • an electrical circuit which consists of a load which is connected to an electrical energy source via a protective circuit.
  • the protection circuit is used to limit the change in current to mitigate the suddenness of a change in current in the load.
  • the protective circuit consists of two inductors connected in series, which are bridged by two series-connected, uncontrolled valves, diodes, and the diodes have the opposite direction of passage. The common point of the diodes and the inductors are directly connected.
  • Uncontrolled valves only block at currents that are greater than the response current of the protective device, i.e. the initial current in the inductors, and conduct the high current parts over the inductors.
  • the smaller currents that are always present with alternating currents are conducted almost unhindered via the diodes (diode resistance in the forward direction).
  • the current flowing in the inductors cannot follow the mains current, which decreases again after the current maximum, since it is short-circuited by the diodes, and essentially remains at the value reached.
  • the short-circuit current is limited by the inductance of the choke.
  • the limitation of the short-circuit current is determined by the value of the maximum energy which is stored in the choke during the transient process:
  • Optimizing the current limiter means minimizing the energy (W max ) stored in the choke.
  • the invention has for its object to provide a reliable, simply constructed current limiter in the event of a short circuit, which limits the short-circuit current both in the first 100-150 msec and in the following 1-2 seconds, which indicates the selectivity of the tripping of the protective device is crucial, ensures.
  • the object is achieved by a current limiter according to the preamble and the characterizing feature of claim 1.
  • a known current limiter which consists of two series connected inductors / chokes, which are bridged by two series connected, non-controllable valves with opposite passage direction, has controlled valves.
  • the common point of the valves 3 and 4 with is not necessarily directly connected to the common point of the inductors 1 and 2.
  • the current limiter triggers itself, i.e. passively, changes from the conductive to the blocking state and remains in it.
  • the two valves are semi-controlled, e.g. thyristors (Claim 2) or fully controlled, power transistors z. B. (Claim 3).
  • a controllable voltage source sits in the connection from the common potential point of the valves to the common of the chokes (claim 4).
  • a controllable voltage source is connected in the respective circuit formed by the inductance with a valve connected in parallel (claim 5),
  • the advantage of the current limiter is that it is a passively triggered current circuit in the event of a short circuit, which limits the short-circuit current both in the first ten 100 - 150 ms as well as in the following 1 - 2 s, whereby in the event of a short circuit the current is limited by the inductive resistance of the chokes in the AC circuit and in normal operation the voltage drop across the current limiter practically corresponds to the voltage drop across the valves.
  • the advantages of the current limiter are as follows: a reduction in the size of the chokes, small internal network resistance and small short-circuit currents,
  • FIG. 1 the switching principle of the current limiter
  • FIG. 3. the current limiter with two voltage sources
  • FIG. 4. the time course of the current in the elements of the current limiter
  • FIG. 5 course of the fault current in a current limiter with uncontrolled valves
  • Figure 6 Deployment time window of the fault current.
  • FIGS. 1-6 Common things such as protective circuitry and control electronics coupled to them are not shown in FIGS. 1-6 for the sake of clarity and because of known technology.
  • the thyristors 3 and 4 are fired and the current through the chokes 1 and 2 rises to the current I 0, the value of which exceeds the amplitude of the alternating current I max , which flows through the limiter in normal operation and is smaller than that Short-circuit current.
  • the current through the thyristors 3 and 4 changes during normal operation during a period of the alternating current in accordance with the following equations (1):
  • the current through the chokes remains equal to I 0 .
  • the thyristors e.g. B. Thyristor 3 because a returned voltage on the thyristor 3 occurs. If the period during which a reverse voltage is applied to the thyristor 3 is equal to or greater than the time for restoring the electrical strength of the thyristor, as shown in FIG. 4, the thyristor 3 remains in this state, otherwise a similar situation arises the thyristor 4.
  • the current in choke 1 increases and will exceed the value I 0 .
  • the input voltage is and the current in inductor 1 can be determined using the following equation:
  • Ri is the resistance of the short circuit
  • I 4 (U MAX / ⁇ L 1 ) * (sin ( ⁇ t + ⁇ ) - sin ⁇ ⁇ * e "t ⁇ l ) + I 0 * (l + e ⁇ t / ⁇ l ) (3)
  • the current in chokes 1 and 2 can be determined using the following equation: - sin ⁇ 2 * e "t 2 ) -I 0 * e ⁇ t ⁇ 2 (4), where
  • R 2 is the resistance of the short-circuited circuit with two chokes connected in series.
  • ⁇ 02 is the phase angle, it is defined by the blocking time of thyristor 4
  • ⁇ 2 is the phase angle, which is defined by the blocking time of thyristor 4 and also ⁇ L 2 / R 2
  • the time between the occurrence of the short circuit and the closing of the first valve can vary between approximately 0.5 ms and approximately 20 ms depending on the phase position ⁇ oi and the dimensioning of the elements of the current limiter.
  • the period of time from the blocking of the first thyristor to the blocking of the second thyristor can fluctuate between approx. 3 ms and approx. 260 ms depending on the phase position ⁇ 02 and the dimensioning of the elements of the current limiter.
  • the short-circuit current of both thyristors is determined by the inductance of two chokes connected in series. As can be seen from FIG. 4, the short-circuit current rises in the period when only one thyristor is blocked to approximately 2 to 3 times the value of I max . After blocking the second valve, the amplitude of the current decreases to a value close to I max . ie in this example even up to a value that practically corresponds to normal operation.
  • the current limiter with the two thyristors in accordance with the circuit according to FIG. 2 or 3 is examined below using a special design.
  • FIG. 4 shows the curves of the currents flowing through the chokes 1 and 2 and through the circuit to be protected, which shorts the choke 2.
  • the amplitude of the current in the event of a short circuit in the load exceeds the normal current by approximately 2.7 times.
  • the current limiter sets a state in which the current is practically the same as the normal current. The transition to the current limiting regime takes place automatically, without any external control signals for the thyristors 3 and 4.
  • the current limiter triggers itself or passively due to the fault condition.
  • the current limiter with the same component dimensions is compared with diodes as uncontrolled valves.
  • the result is shown in FIG. 5 with a large time window, 2 s, and in FIG. 6 with a small time window, 160 ms, around the time of the fault current.
  • a comparison of the curves from FIGS. 4 and 5 shows that with the same parameters of the circuit, including the inductance of the chokes 1 and 2, the current through the circuit to be protected at 150 ms after the short circuit occurs in the embodiment according to the invention by the 9th times and after 1.5 s it is 50 times smaller than in the case with diodes. If the faulty circuit is switched off after 2 s or later, the effectiveness of the current limiter with thyristors is even higher.
  • the current limiter according to the invention has a total energy capacity of the current-limiting chokes that is more than 2 orders of magnitude lower than with current limiters with diodes. This is an economically decisive advantage in the design and implementation.

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Abstract

Ein Strombegrenzer zur Begrenzung des Überstromes in Energieerzeugungs- und Übertragungssystemen auf eine vorgegebene Höhe, besteht aus Drosseln uns steuerbaren, elektrischen Ventilen, z.B- Thyristoren. Zwei in Reihe geschaltete Drosseln sind durch zwei in Reihe geschaltete Ventile überbrückt. Die Ventile haben entgegengesetzte Durchlassrichtungen. Vom gemeinsamen Punkt der Ventile zum gemeinsamen Punkt der Drosseln besteht eine Verbindung. Der gemeinsame Punkt der Drosseln kann mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile über eine steuerbare Spannungsquelle verbunden sein. Auch können in den beiden Kreisen, die jeweils von einer Drossel und einem Ventil gebildet werden, in jeweiliger Durchlassrichtung des Ven tils eine steuerbare Spannungsquelle in Reihe zum Ventil geschaltet werden.

Description

Strombegrenzer mit elektrischen Ventilen zum Begrenzen des Kurzschlußstromes in einem elektrischen LeistungsStromkreises
Die Erfindung betrifft einen Strombegrenzer zur Begrenzung der Kurzschlußströme in Leistungsnetzen.
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 Kurzschlußbegrenzer 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 Ummagne- tisierungsverluste ("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 ge- schaltet. 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-N° 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, und die Dioden entgegengesetzte Durchlaßrichtung haben. 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, d.h. der Anfangsstrom in den Induktivitäten, 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 im wesentlichen auf dem erreichten Wert stehen.
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 Schal- tung. 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 ms) und besonders während des Zeitintervalls, welches für die Sicherung des selektiven Ansprechens der Schutzeinrichtungen benötigt wird (1 - 2 s) .
Durch die Verwendung von aktiv halbgesteuerten Ventilen, z. B. Thyristoren, in Brückenschaltung wird eine effektivere Begrenzung des Kurzschlußstromes erreicht (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 Trigge- rung, wie es der Aufgabenstellung entspricht. Der Strombegrenzer ist in diesem Fall kein passiv triggerbares Element mehr. Der abschaltbare Strombegrenzer benötigt eine spezielle Steuereinheit für den Thyristor, was die Zuverlässigkeit des Strombegrenzers wesentlich verringert.
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:
Figure imgf000005_0001
Eine Optimierung des Strombegrenzers bedeutet eine Minimierung der in der Drossel gespeicherten Energie (Wmax) . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Kurzschlußfall zuverlässigen, einfach aufgebauten Strombegrenzer bereit zu stellen, welcher eine Begrenzung des Kurzschlußstromes sowohl in den ersten 100 - 150 msec als auch in den folgenden 1 - 2 sec, was für die Selektivität des Auslösens der Schutzeinrichtung entscheidend ist, sichert.
Die Aufgabe wird durch einen Strombegrenzer gemäß dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruch 1 gelöst.
Das wird dadurch erreicht, daß ein bekannter Strombegrenzer, der aus zwei in Reihe geschalteten Induktivitäten/Drosseln, die von zwei in Reihe geschalteten, nicht steuerbaren Ventilen mit entgegengesetzten Durchlaßrichtung überbrückt sind, besteht, gesteuerte Ventile hat. Der gemeinsame Punkt der Ventile 3 und 4 mit ist mit dem gemeinsamen Punkt der Induktivitäten 1 und 2 nicht notwendigerweise direkt verbunden. Im Fehlerfall, also beim Überschreiten eines vorgegeben hohen Stromes, der über dem Nennstrom liegt, triggert sich der Strombegrenzer selbst, also passiv, geht vom leitenden in den sperrenden Zustand über und bleibt in diesem.
Die beiden Ventile sind halbgesteuert, Thyristoren z.B. (Anspruch 2) oder vollgesteuert, Leistungstransistoren z. B. (Anspruch 3) .
In der Verbindung vom gemeinsamen Potentialpunkt der Ventile zum gemeinsamen der Drosseln, sitzt eine steuerbare Spannungsquelle (Anspruch 4) .
In den jeweiligen Kreis, der von der Induktivität mit parallel geschaltetem Ventil gebildet wird, ist eine steuerbare Spannungsquellen geschaltet (Anspruch 5),
Vorteil des Strombegrenzers ist, daß es sich um eine im Kurzschlußfall passiv getriggerte Strombeschaltung handelt, welche eine Begrenzung des Kurzschlußstromes sowohl in den ers- ten 100 - 150 ms als auch in den folgenden 1 - 2 s sichert, wobei im Kurzschlußfall der Strom durch den induktiven Widerstand der Drosseln im Wechselstromkreis begrenzt wird und bei normalem Betrieb der Spannungsabfall über dem Strombegrenzer praktisch dem Spannungsabfall über den Ventilen entspricht.
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 oder mehreren Perioden der Wechselspannung und bleiben gesperrt bis zum völligen Abschalten des havarierten Stromkreises. Das sichert eine effektive Begrenzung des Stromes durch zwei in Reihe geschaltete Drosseln für die Netzströme unabhängig von ihrer Größe zu allen Zeiten.
Bei normalem Betrieb fließt über die strombegrenzenden Drosseln ein Quasigleichstrom. Das bedeutet: minimale Verluste in diesen Elementen.
Die Vorteile des Strombegrenzers sind folgende: eine Reduktion der Baugröße der Drosseln, kleiner Netz- Innenwiderstand und kleine Kurzschlußströme,
Dimensionierung der Anlagen und Betriebsmittel für kleinere
Kurzschlußströme, entscheidende Erhöhung der Zuverlässigkeit des Strombegrenzers,
Verlängerung der Lebensdauer von Anlagen und Betriebsmitteln geringere Auswirkungen an der Fehlerstelle, größere Effektivität bei der Begrenzung von Kurzschlußströmen geringe Verluste bei normalem Betrieb.
Die Erfindung wird anhand eines Durchführungsbeispiels und in Anlehnung an die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1. das Schaltprinzip des Strombegrenzers,
Figur 2. den Strombegrenzer mit der Spannungsquelle zwischen dem gemeinsamen Punkt der Ventile und dem gemeinsamen Punkt der
Drosseln,
Figur 3. den Strombegrenzer mit zwei Spannungsquellen,
Figur 4. den zeitliche Verlauf des Stromes in den Elementen des Strombegrenzers,
Figur 5 Verlauf des Fehlerstromes in einem Strombegrenzer mit ungesteuerten Ventilen,
Figur 6 Einsatzzeitfenster des Fehlerstromes.
Geläufige Dinge wie Schutzbeschaltung und eine daran gekoppelte Steuerelektronik sind der Übersicht halber und wegen bekannter Technik nicht in die Figuren 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 Thyristoren 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 der 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):
Figure imgf000008_0001
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 umge- kehrte 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 Figur 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 I0 übersteigen. Für die Zeitdauer, während der nur der Thyristor 3 sperrt, ist die Eingangsspannung
Figure imgf000009_0001
und der Strom in Drossel 1 kann über folgende Gleichung bestimmt werden:
Iι==(UMAχ/ωL1)*sin(ωt+ψ1)-(UMAχ/ωL1)*sinΨ1*e" τl +I0*e~t τl (2) , wobei ψoi der Phasenwinkel ist, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor
3 definiert wird, ψi der Phasenwinkel ist, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 3 und ωLι/Rι definiert wird, und zwar mit ψι=ψoι-φι, und damit φ-ι=arctg(ωLι/Rι) .
Ri ist der Widerstand des kurzgeschlossenen Kreises,
Lj. die Induktivität L der Drossel 1 bzw. der Drossel 2, plus der Quellinduktivität LQ. ti = Li/Rx ist die Zeitkonstante.
In diesem Zeitraum ändert sich der Strom über den Thyristor 4 entsprechend der folgenden Gleichung:
I4 = (UMAX/ωL1)*(sin(ωt+ψι) - sinΨα*e"t τl ) +I0* (l + e~t/τl) (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 |Iι| > |-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
Figure imgf000010_0001
kann der Strom in der Drosseln 1 und 2 über folgende Gleichung bestimmt werden:
Figure imgf000010_0002
- sinΨ2*e"t 2 )-I0*e~tτ2 (4), wo
L2 = 2L + LQ und τ2 = L2/R2 ist.
R2 ist der Widerstand des kurzgeschlossenem Kreises bei zwei in Reihe geschalteten Drosseln. ψ02 ist der Phasenwinkel, er wird vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 4 definiert, und ψ2 ist der Phasenwinkel, der vom Sperrzeitpunkt des Thyristor 4 und auch ωL2/R2 definiert wird, und zwar
Figure imgf000010_0003
Die Zeitdauer zwischen dem Auftreten des Kurzschlusses und dem Schließen des ersten Ventils kann in Abhängigkeit von der Phasenlage ψoi 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 ψ02 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 Figur 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 Strorabegrenzer mit den beiden Thyristoren gemäß der Schaltung nach Figur 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 MAX = 410 kV,
Ohmscher Widerstand der Quelle RQ = 0 , 24 Ω , Induktiver Widerstand der Quelle LQ = 6 mH Ohmscher Widerstand der Last RL = 100 Ω , Induktivität der Drossel 1 L = 0 , 2 H, Induktivität der Drossel 2 L = 0 , 2 H,
In Figur 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 Fig. 5 mit großem Zeitfenster, 2 s, und in Figur 6 mit kleinem Zeitfenster, 160 ms, um den Einsatzzeitpunkt des Fehlerstromes dargestellt. Ein Vergleich der Kurven aus Fig. 4 und Fig. 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.

Claims

Patentansprüche :
Strombegrenzer mit elektrischen Ventilen zum Begrenzen des Kurzschlußstromes in einem elektrischen Leistungsstromkreises, bestehend aus: zwei in Reihe zueinander geschalteten Induktivitäten/Drosseln (1, 2), zwei in Reihe zueinander geschalteten, zu den in Reihe geschalteten Drosseln (1, 2) parallel liegenden Ventilen (3, 4) die in ihrer Durchlaßrichtung, entgegengesetzt zueinander gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile (3, 4) gesteuerte Ventile sind, eine Verbindung vom gemeinsamen Potentialpunkt der Ventile (3, 4) zum dem gemeinsamen der beiden Induktivitäten (1, 2 ] besteht und sich der Strombegrenzer im Fehlerfall beim Überschreiten einer vorgegebenen Stromschwelle selbst triggert und vom leitenden Zustand in den sperrenden geht und in diesem bleibt.
Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile (3, 4) halbgesteuerte Ventile, wie
Thyristoren, sind.
Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ventile (3, 4) vollgesteuerte Ventile, wie
Leistungstransistoren, sind.
Strombegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung vom gemeinsamen Potentialpunkt der
Ventile (3, 4) zum dem gemeinsamen der beiden Drossel (1,
2) eine steuerbare Spannungsquelle (5) liegt. Strombegrenzer nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zu den beiden Ventilen (3, 4) jeweils eine steuerbare Spannungsquelle (6, 7) in Reihe und in Durchlaßrichtung des jeweiligen Ventils (3 oder 4) geschaltet ist und der gemeinsame Punkt der Drosseln (1, 2) mit dem gemeinsamen Punkt der Ventile (3, 4) direkt verbunden ist.
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