DE2914313A1 - Fehlerstrom-begrenzungsschaltung - Google Patents

Description

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Beschreibu ns

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung, insbesondere für Wechselstrom.

In elektrischen Anlagen werden Strombegrenzer benötigt, um
bei auftretenden Fehlern schnell eine Impedanz in das System einzuschalten. Auf diese ¥eise können augenblickliche Spitzenströnie auf einen maximal zulässigen Wert begrenzt werden. Um wirksam zu sein, muß die Impedanz innerhalb weniger Millisekunden eingeschaltet werden, und zwar innerhalb von weniger
als 5 Millisekunden ohne Zuhilfenahme des natürlichen Stromdurchgangs bei Wechselstrom.

Ein bekannter Fehlerstrombegrenzer besteht aus einem schnell wirkenden Hauptschalter, der beim Öffnsn einen Lichtbogen
hoher Spannung bildet, so daß der Fehlerstrom schnell auf einen Widerstand umgeschaltet wird. Parallel zu dem Schalter liegt üblicherweise ein Kondensator, der die Umschaltung erleichtert und die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Schalter begrenzt. Der Hauptschalter für diese Schaltung muß sehr spannungsfest sein bzw. eine hohe Spannung erzeugen können. Schalter
dieser Art sind jedoch derzeit nicht erhältlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fehler- oder Kurzschlußstrombegrenzer zu schaffen, bei der der mit hoher
Geschwindigkeit arbeitende Schalter keine Einrichtungen zur Erzeugung einer hohen Spannung benötigt.

Die erfindungsgemäße Schaltung zur Begrenzung augenblicklicher

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Spitzenströme unter Fehlerbedingungen einer Wechselstrom-Netzleitung enthält einen schnell wirkenden Schalter, der mit einem ersten Kondensator in einem Hauptstromzweig in Reihe geschaltet ist, dem zwei zusätzliche Zweige parallelgeschaltet sind. In verschiedenen Ausführungsformen enthalten diese Zweige verschiedene Kombinationen von V/i der stands-, Kapazitäts- und Funkensfcreckenelementenj wodurch nach Auftreten eines übermäßigen Fehlerzustandes der mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Schalter öffnet. Darauf wird der Spannungsanstieg am ersten Reihenkondensator sequentiell auf einen zweiten Zweig mit einem Kondensator und einer Funkenstrecke mit einer vorbestimmten Überschlagsspannung und darauf auf einen dritten Widerstandszweig umgeschaltet. Der dritte Zweig bildet im wesentlichen die den Spitzenstrora begrenzende Impedanz. Dabei bilden vorteilhafterweise im Normalbetrieb Teile der Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung Teile der Netzleitung zur Kompensation der Induktivität des Netzes.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 das schematische Schaltbild einer Fehlerstrom-Begrenzung s s ciia ltung,

Fig, 2

bis 5 Ausführungsformen in einem der Zweige der Schaltung der Fig. 1 zu verwendender elektrischer Elemente,

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Strbmbegrenzungsschaltung, in deren zweitem Zweig eine Thyristorschaltung vorgesehen ist und

Fig. 7 die schematische Darstellung elektrischer Elemente zur Verwendung in einem Zweig der Schaltung der Fig. 1 oder in einem beliebigen der obigen Ausführungs-

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beispiele, wodurch der Kondensator im Hauptzweig geschützt werden soll.

Der erfindungsgemäße Fehlerstrombegrenzer enthält drei zueinander parallele Zweige, von denen der eine normalerweise den Strom führt; er besteht aus einem schnellwirkenden Schalter und einem hiermit in Reihe geschalteten Kondensator. Ein zweiter Zweig besteht aus einem Kondensator und einer hiermit in Reihe geschalteten Einrichtung, die einen Stromfluß von einer Spannungsquelle über die Einrichtung unterhalb einer vorbestimmten Schwellenspannung verhindert und durchzündet, wenn eine die Schwellenspannung übersteigende Spannung angelegt wird, so daß über den zweiten Zweig ein Strom fließen kann. Die Widerstandseinrichtung im dritten Zweig verhindert die Ausbildung einer Zeitkonstanten in Verbindung mit dem Kondensator des zweiten Zweiges während der Entladung des Kondensators im ersten Zweig in den Kondensator des zweiten Zweiges, so daß über den Unterbrechungsschalter schnell kein Strom mehr fließen kann.

Gemäß Fig. 1 ist die Wechselstrom-Begrenzungsschaltung 10 so ausgebildet, daß bei einem in einer Hauptleitung 11 auftretenden Fehler schnell eine relativ hohe Impedanz in die Schaltung eingeschaltet wird. Dies dient zur Begrenzung augenblicklicher Spitzenströme auf einen maximal zulässigen Wert. Um möglichst wirkungsvoll zu sein, muß die Impedanz innerhalb weniger Millisekunden unterhalb 5 Millisekunden ohne Unterstützung durch den natürlichen Nulldurchgang bei Wechselstrom eingeschaltet werden.

Gemäß Fig. 1 ist in die den normalen Strom führende Leitung 11 ein schnell wirkender, auf einen Fehler ansprechender Schalter 12 geschaltet, der in Reihe mit einem Kondensator 13 liegt.

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Der Strombegrenzer enthält drei zueinander parallele Zweige, von denen der erste die den normalen Strom führende Leitung 11 mit der Reihenschaltung aus dem Kondensator 13 und dem Schalter 12 ist. Ein zweiter Zweig 15 besteht aus einem mit einer Funkenstrecke 16 in Reihe geschalteten Kondensator 14. Ein dritter Zweig 17 enthält eine Widerstandseinrichtung 18,

Gemäß Figuren 2, 3, 4 und 5 kann die Widerstandseinrichtung 18 in verschiedenerlei ¥eise ausgeführt-sein. Gemäß Fig. 2 enthält die Widerstandseinrichtung 18 einen einfachen linearen Widerstand 19, gemäß Fig. 3 die Reihenschaltung aus einem nichtlinearen Widerstand 21 und einem linearen Widerstand 22.

Gemäß Fig. 4 enthält die Widerstandseinrichtung 18 einen in Reihe mit einer Funkenstrecke 24 geschalteten linearen Widerstand 23. Gemäß Fig. 5 schließlich enthält die Widerstandseinrichtung 18 einen linearen Widerstand 26, der in Reihe mit zwei antiparallel geschalteten steuerbaren Halbleitergleichrichtern 27 geschaltet ist, die in parallelen Zweigen 17a, 17b des Zweiges 17 liegen.

Vorzugsweise sollte die Nennspannung des Kondensators 13 und die Überschlagspannung - der Funkenstrecke 16 verglichen mit der Nennspannung des Kondensators 14, der Widerstandseinrichtung und des Schalters 12 klein sein. Fließt im Zweig 11 ein normaler Laststrom, so ist der Schalter 12 geschlossen und am Kondensator 13 fällt eine dem Strom proportionale"geringe Wechselspannung ab. Diese Spannung ist kleiner als die Überschlag-Spannung der Funkenstrecke 16, Beim Auftreten eines Fehlers steigt infolge des erhöhten Stroms die Augenblicksspannung am Kondensator 13 schnell an, der Schalter 12 öffnet und es brennt ein Lichtbogen zwischen seinen Kontakten. Sind die Augenblicksspannungen am Kondesator 13 und am Schalter 12 gleich der Über-

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schlagspannung der Funkenstrecke 16, so leitet diese und der Kondensator 13 entlädt sich in den Kondensator 14, so daß wegen des aus dem Kondensator 13 in den Kondensator 14 rückwärts fließenden Stromes über den Schalter 12 kein Strom mehr fließt. Dieser ist somit völlig ausgeschaltet. Die Spannung am Kondensator 14 steigt schnell an, wobei ein proportionaler Stromanstieg auf die Widerstandseinrichtung 18 übertragen wird. Diese ist im Falle des Widerstandes 19 der Fig. 2 so bemessen, daß der Fehlerstrom begrenzt wird. Der Kondensator 14 dient ferner zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung am Schalter 12.

Wird die Widerstandseinrichtung 18 der Fig, 2 durch die der Fig. 3 ersetzt, so beginnt diese nicht, einen wesentlichen Strom zu führen, bis über den Schalter 12 kein Strom mehr fließt,

Somit führt die Aufladung des Kondensators 14 aus dem Kondensator 13 zu einem rückwärts fließenden Strom im Zweig 11, durch den der Strom am Schalter 12 auf null verringert wird.

Gemäß Fig. 3 besteht die Widerstandseinrichtung 18 vorzugsweise aus einem mit einem linearen Widerstand 22 in Reihe geschalteten nichtlinearen Widerstand 21. Der nichtlineare Widerstand 21 verhindert, daß ein wesentlicher Strom fließt, bis am Kondensator 14 eine Spannung beträchtlicher Höhe erreicht ist. Anfangs besteht also praktisch keine RC-Zeitkonstante zwischen Kondensator 14 und Widerstand 21, durch die die Aufladung des Kondensators 14 verzögert wird. Wach der vollständigen Aufladung des Kondensators 14 besteht dagegen im Zweig 17 ein ausreichender Widerstand.

Gemäß Fig. 4 verhindert eine zweite Funkenstrecke 24 in Reihe mit einem Widerstand 23 die Ausbildung einer RC-Zeitkonstante

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zwischen Kondensator 14 und Widerstand 23, so daß dis Aufladung des Kondensators 14 verzögert wird.

Ein \»/ichtiger Vorteil des Strombegrenzers 10 besteht darin, daß der schnell wirkende Schalter 12 keinen besonderen Schalter zur Erzeugung einer hohen Spannung benötigt. Weiter dient der Kondensator 13 im Normalbetrieb des Zweigs 11 zur Kompensation der Induktivität des Systems.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Funkenstrecke 16 der Fig. 1 durch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 28, 29 in den parallelen Zweigen 15a, 15b des Zweiges 15 ersetzt, wodurch eine genaue Zündung erzielt wird. Entsprechend sind die antiparallel geschalteten Thyristoren 28, 29 so gewählt und eingestellt, daß sie in jeder Polarität bei einer vorbestimmten Spannung zünden.

Gemäß Fig. 4 kann der Zweig 17 auch zur Verhinderung der Ausbildung einer RC-Zeitkonstante zwischen Widerstandseinrichtung und Kondensator 14 benutz werden, was sonst zu einer Verzögerung der Aufladung des Kondensators 14 führen würde.

Somit dient die in Reihe mit dem Widerstand 23 geschaltete Funkenstrecke 24 dazu, einen höheren Strom über den Zweig 17 zu verhindern, bis am Widerstand 14 eine ausreichend hohe Spannung erreicht ist, um die Funkenstrecke 24 zu zünden.

Gemäß Fig. 5 wird die Verzögerung der Aufladung des Kondensators durch eine Schaltung verhindert, bei der der Zweig 17 einen Widerstand 26 enthält, der mit antiparallel geschalteten steuerbaren Siliziumgleichrichtern 27 in Reihe geschaltet ist, die eine den Stromfluß verhindernde Thyristorschaltung bilden.

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Gemäß Fig. 7 enthält der Zweig 11 eine zur Begrenzung des Spitzenstromes über den Kondensator 13 begrenzende Einrichtung, durch die der Kondensator 13 geschützt wird. Somit dient ein dem Kondensator 13 parallel-geschalteter nichtlinearer Widerstand 31 dazu, einen Spannungsabfall am Kondensator 13 hervorzurufen, wenn an diesen eine Spitzenspannung angelegt wird.

Wie erwähnt, bilden die gesteuerten Halbleitergleichrichter 28, 29 der Fig. 6 einen Thyristorschalter 30, der bei Erreichen einer Schwellenspannung am Schalter 30 eingeschaltet v/erden kann. Zur genaueren Steuerung der Zündung des Thyristors 30 (im Vergleich zur Funkenstrecke 16) können die Gate-Elektroden 28a, 29a der Halbleitergleichrichter 28, 29 an Fühler zur Erfassung einer Schwellenspannung angeschlossen werden.

Nachdem der Strom aus dem Zweig Ί1 in den Zweig 15 und dann in den Zweig 17 umgeschaltet ist, kann der Thyristor 30 mit Hilfe der Steuer-Elektroden 28a, 29a ausgeschaltet und der Kondensator 14 aus der Schaltung herausgehalten v/erden, so daß die Belastung des Kondensators 14 und damit seine Größe und Kosten vermindert werden können.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung für Wechselstrom zur schnellen Einfügung einer Impedanz in eine Schaltung bei Auftreten eines Fehlers in der Schaltung, zur Begrenzung eines augenblicklichen Spitzenstroms auf einen maximal zulässigen Wert, gekennzeichnet durch einen ersten, einen zweiten und einen dritten Zweig (11, 15, 17), die zueinander parallel geschaltet sind, wobei der erste Zweig einen Teil der Schaltung (11), einen ersten Kondensator (13) und einen hierzu in dem Zweig in Reihe geschalteten, schnellwirkenden Schalter (12)enthält, wobei im zweiten Zweig (15) ein zweiter Kondensator (14) und eine Einrichtung (16) in Reihe geschaltet sind, die unterhalb einer vorbestimmten Schwelle den Stromfluß aus einer Spannungs-

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quelle sperrt und bei Anlegen einer die vorbestimmte
Schwellenspannung übersteigenden Spannung durchzündet, so daß über den zweiten Zweig ein Strom fließt, und wobei im dritten Zweig (17) eine Impedanzeinrichtung (18) vorgesehen ist, die die Ausbildung einer Zeitkonstante in Verbindung mit dem zweiten Kondensator (14) verhindert, während sich der erste Kondesator in den zv/eiten Kondensator entlädt, so daß dor Stromfluß über den Schalter (12) schnell nach null geht.

2. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzeinrichtung (18) einen nichtlinearen Widerstand (21) einen hierzu in Reihe geschalteten linearen Widerstand (22) enthält.

3. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzeinrichtung (18) einen Widerstand (23) und eine zweite Funkenstrecke (16) enthält.

4. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzeinrichtung (18) einen Widerstand (26) und zwei hierzu in Reihe, untereinander antiparallel geschaltete gesteuerte Siliziumgleichrichter (27) in parallelen Zweigen (17a, 17b) enthält.

5. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig (15) in parallelen Zweigen (15a, 15b) zwei antiparallele gesteuerte Halbleitergleichrichter (28) enthält, die einen Thyristor bilden.

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6. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 1, g e kennze ichnet durch eine Einrichtung (31) zur Begrenzung des Spitzen-Fehlerstroms über den ersten Kondensator (13).

7. Fehlerstrom-Begrenzungsschaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zu dem ersten Kondensator (13) parallel-gesehalteten nichtlinearen Widerstand (31).

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