DE3333768A1

DE3333768A1 - Vorrichtung zur begrenzung von wechselstroemen

Info

Publication number: DE3333768A1
Application number: DE19833333768
Authority: DE
Inventors: Satomi Nishinomiya Hyogo Arimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1982-09-21
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1984-03-22
Also published as: GB8324979D0; DE3333768C2; GB2128424B; JPS5956825A; US4523249A; GB2128424A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begrenzen von Wechselströmen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Begrenzung von vorübergehenden, fehlerhaften überströmen, die aufgrund eines Fehlers auftreten, beispielsweise eines Erdungsfehlers oder eines Leitungskurzschlusses innerhalb eines Energiesystems oder zwischen verschiedenen Energiesystemen wie, z.B. zwischen Wechselstrom-Energieverteilungsleitungen oder Wechselstrom-Energieübertragungsleitungen; insbesondere soll mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Begrenzung von Wechselströmen geschaffen werden (im folgenden Strombegrenzer genannt), die beim Auftreten der erwähnten Fehler die Beschleunigung eines Generators unterbindet,

·; : ϊ ϊ 25 ^: "^β ·

um die Stabilität gegenüber transienten Schwankungen zu verbessern und um Einrichtungen eines Energie systems zu schützen, bzw. bei dem die benötigte Unterbrecher-Kapazität eines Schaltkreisunterbrechers und damit die Wirkung einer Energie-Übertragungs- oder '-Verteilungs-Einrichtung verringert wird, indem der zu unterbrechende Strom begrenzt wird.

Abgestimmte Stromunterbrecher sind bekannt, bei denen Schaltungsanordnungen gemäß den Figuren 1 und 2 verwendet werden. Zur klareren Darstellung ist dort lediglich eine Phase eines Strombegrenzers dargestellt, der generell mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und der zwischen Verbindungsanschlüssen a und b von zwei unterschiedlichen Energiesystemen Sl und S2 geschaltet ist.

In Figur 1 besteht der Strombegrenzer 10 aus einer Drosselspule 12 mit Luftkern oder Eisenkern, einem in Reihe mit der Drosselspule 12 geschalteten Kondensator 14, einer Schließeinrichtung 16, die parallel zu dem Kondensator 14 liegt, und einem Widerstand 18, der in Reihe zu der Schließeinrichtung 16 parallel zum Kondensator 14 liegt, wobei die Schließeinrichtung 16 einen (Luft-)Spalt, eine mechanische oder Halbleitereinrichtung oder ein nicht-lineares Widerstandselement enthält. Die japanische Patentanmeldung 987 109 vom 21. Februar 1980, die der US-Patentanmeldung Nr. 4100 888 (John Rosa et al.) entspricht, zeigt insbesondere die Verwendung von SCRs als Halbleiter-Schließeinrichtungen .

Beim Betrieb des Schaltkreises der Figur 1 sind die Systeme Sl und S2 normalerweise im wesentlichen auf dem gleichen Potential, so daß die Klemmenspannung an dem Kondensator 14 auf extrem niedrigem Wert liegt. Folglich befindet nich die Schließeinrichtung 16 in

einem Zustand, bei dem ein Serienresonanzschaltkreis aus der Drosselspule 12 und dem Kondensator 14 gebildet wird. Dieser Serienresonanzkreis ist auf die Netzfrequenz der Systeme Sl und S2 abgestimmt. In diesem Zustand sind die Systeme Sl und S2 mit einer Impedanz von "Null" über den Strombegrenzer 10 miteinander verbunden. Tritt jedoch ein Fehler auf, fließt beispielsweise ein transienter Überstrom zwischen den Systemen Sl und S2, so vergrößert sich die Klemmenspannung

^q an dem Kondensator 14 sehr schnell; zu diesem Zeitpunkt wird der Kondensator 14 automatisch entladen, wenn die Schließeinrichtung 16 ein Luftspalt ist; ist die Schließeinrichtung 16 ein mechanischer Schalter oder ein Halbleiterschalter, so erfolgt dies durch eine externe

j5 Steuerung; ist die Schließeinrichtung 16 ein nichtlineares Widerstandselement, so geschieht dies durch einen elektrischen Weg, der durch die automatische Reduzierung der Impedanz auf Null gebildet wird. Diese Schließwirkung der Schließeinrichtung 16 verbindet

2Q die Systeme Sl und S2 über die Drosselspule 12 und den Widerstand 18 elektrisch miteinander, so daß der durch die Systeme Sl und S2 fließende überstrom begrenzt bzw. unterdrückt wird, sofern die Impedanz der Drosselspule 12 vorher groß genug gewählt wurde.

Figur 2 zeigt einen anderen bekannten Strombegrenzer,

der allgemein mit dem Bezugszeichen 10' bezeichnet ist. Dieser besteht aus einer Brückenschaltung, die zwei Drosselspulen 12 und 12A sowie Kondensatoren 14 _on und 14A aufweist, die parallel zu den Brückenklemmen c und

d geschaltet sind, wobei zwischen diese Brückenklemmen eine Reihenschaltung aus einer Schließeinrichtung 16 und einem Widerstand 18 geschaltet ist; im Gegensatz zur Schaltung der Figur 1, wo nur ein Satz, bestehend gc aus Drosselspule 12 und Kondensator 14, verwendet wird.

Beim Betrieb der Schaltung gemäß Figur 2 sind die Systeme

β α

333376*

χ Sl und S2 normalerweise auf einem im wesentlichen gleichen Potential, so daß die Potentialdifferenz zwischen den Brückenklemmen c. und d gering ist. Folglich ist die Schließeinrichtung 16 geöffnet, so daß zwei Serienresonanzkreise gebildet werden, die aus der Drosselspule 12 und dem Kondensator 14 bzw. der Drosselspule 12A und dem Kondensator 14A gebildet werden, wobei jeder Serienresonanzkreis auf die Netzfrequenz der Systeme Sl und S2 abgestimmt ist. In diesem Falle haben beide Serienresonanzkreise angenähert eine Impedanz von Null zur direkten Verbindung der Systeme Sl und S2. Tritt nun ein Fehler auf, fließt beispielsweise ein transienter Überstrom durch die Systeme Sl und S2, so wird die Potentialdifferenz zwischen den Brückenklemmen c und d sehr schnell vergrößert, was eine Betätigung der Schließeinrichtung 16 zur Folge hat; hierdurch werden die Brückenklemmen c. und d überbrückt, so daß zwei parallele Resonanzkreise gebildet werden, die aus der Drosselspule 12 und dem Kondensator 14A bzw. der Drosselspule 12A und dem Kondensator 14 gebildet werden, wodurch die Systeme Sl und S2 durch eine hohe Impedanz miteinander verbunden sind (der Impedanzwert geht gegen Unendlich, wenn der kombinierte Widerstand der Schließeinrichtung 16 und des Widerstandes 18 Null ist). Somit wird ein zwischen den Systemen Sl und S2 fließender überstrom unterbunden.

Obwohl der bekannte Schaltkreis der Figur 1 mit dem Serienresonanzschaltkreis sehr einfach aufgebaut ist und billig hergestellt werden kann, hat er folgende Nachteile: Als erstes ist auf folgendes hinzuweisen: Da der begrenzte Strom induktiv ist, d.h. in seiner Phase der Spannung nacheilt, wird die Nach-Zündspannung aufgrund der Schaltkreisunterbrechung groß, so daß eine zusätzliche Nachzündspannungs-Unterdrückungseinrichtung oder ein Schaltkreisunterbrecher mit guter Nachzündspannungs-Standfestigk>it benötigt wird. Als nächstes ist

zu erwähnen, daß die bisher für die Drosselspule 12 verwendete hohe Induktivität zur Vergrößerung des Strombegrenzungseffektes ein Ansteigen der Klemmenspannung an der Drosselspule 12 bei normalen oder fehlerhaften Zuständen bewirkt, so daß die Durchschlagfestigkeit der¹ Drosselspule 12 sehr groß sein müßte. Auch aus diesem Grunde war das Hinzufügen einer Nachzündspannungs-Unterdrückungseinrichtung oder eines Schaltkreisunterbrechers mit deutlich verbesserter Nachzündspannungs-Festigkeit erforderlich. Drittens ist zu erwähnen, daß bei Schließeinrichtungen 16 mit nicht-linearem Widerstandselement ein Entladekondensator oder eine Entladedrossel oder ähnliches vorhanden sein müßte, da der Kondensator 14 ansonsten geladen bliebe.

Da der Serien-Parallel-Schaltkreis der Figur 2 zu dem oben erwähnten Serien-Resonanz-Schaltkreis (der Figur

1) ein gegensätzliches Merkmal aufweist und der begrenzte Strom im wesentlichen in Phase mit der Spannung liegt, weist er den Vorteil auf, daß die transiente Stabilität des Systems verbessert ist und die Anforderungen an den Schaltkreisunterbrecher geringer sind, da eine niedrige Nachzündspannung nach einer Schaltkreisunterbrechung auftritt. Allerdings ist diese Schaltungsan-Ordnung komplizierter und damit teurer im Vergleich zu dem Serien-Resonanz-Kreis der Figur 1. Obwohl keine Probleme auftreten, wenn die Induktivitätswerte der Drosselspulen 12 und 12A identisch sind und ebenfalls die Kapazitätswerte der Kondensatoren 14 und 14A iden-

OQ tisch sind, werden bei Toleranzabweichungen, sofern diese beträchtlich sind, hohe Kreisströme auftreten, die durch den Strombegrenzer fließen, wodurch die Resonanzbedingungen gestört werden. Besteht die Schließeinrichtung 16 aus einem nicht-linearen Widerstandsele^-

gg ment, so bleiben schließlich die Kondensatoren 14 und 14 A stets geladen, so daß ein Entladewiderstand oder eine Entladedrossel oder ähnliches vorhanden sein müssen,

ft ft #

¹ 333376S

-r-

was nachteilig ist. " a "

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Strombegrenzer zu schaffen, der frei von den oben erwähnten Nachteilen des Standes der Technik ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Begrenzung von Wechselströmen, die aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Schaltkreis, im folgenden erster, zweiter bzw. dritter Zweig genannt, besteht. Der erste Zweig besteht aus einer Reihenschaltung eines Kondensators und einer Wicklungseinrichtung, der zwischen zwei unterschiedliche Energiesysteme geschaltet ist. Der zweite Zweig besteht aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes und einer Schließeinrichtung, die mit den Äusgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung verbunden sind. Der dritte Zweig besteht aus einer Reihenschaltung einer Drossel und eines zweiten Widerstandes, die parallel zu dem ersten Zweig liegen. Die Schließeinrichtung des zweiten Kreises ist normalerweise in ihrem geöffneten Zustand, so daß die Wicklungseinrichtung und der Kondensator einen Serienresonanzkreis bilden und die Systeme mit einem resultierenden Impedanzwert von Null (für den ersten Zweig) verbinden. Wenn aufgrund eines Systemfehlers die Schließeinrichtung geschlossen ist, so wird die Impedanz, gesehen von den Eingangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung, auf einen vorbestimmten kleinen Wert umgeschaltet, wodurch der Resonanzpunkt des Serienresonanzkreises verstimmt wird. Hierdurch wird ein Parallel-Resonanz-Krais zwischen der Kombination aus der

O β · *

ta »·

vorbestimmten kleinen Impedanz und dem Kondensator und dem dritten Zweig gebildet, wodurch der gesamte Impedanzwert zwischen den Systemen vergrößert wird, was einen Überstrom zwischen diesen unterdrückt bzw. begrenzt.

Die Wicklungseinrichtung enthält vorzugsweise einen Transformator, einen Autotransformator oder eine zweite Drosselspule, deren Ausgangsanschlüssel parallel mit dem zweiten Kreis (bestehend aus erstem Widerstand und Schließeinrichtung) verbunden sind. Jede Komponente des Strombegrenzers hat vorzugsweise einen geeigneten Wert entsprechend vorbestimmten theoretischen Beziehungen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein Schaltbild eines bekannten Wechselstrombegrenzers in Serienresonanzschaltung; Figur 2 ein Schaltbild eines weiteren bekannten Wechselstrombegrenzers in Serien-Parallel-Resonanzschaltung;

Figur 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Wechselstrombegrenzers nach der Erfindung; Figur 4 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Wechselstrombegrenzers nach der Erfindung;

Figur 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Wechselstrombegrenzers nach der Erfindung;

Figur 6 ein Prinzipschaltbild, bei dem der Wechselstrombegrenzer nach der Erfindung eingebaut ist; und

Figur 7 und 8 charakteristische Signal-Verläufe des Prinzipschaltbilds der Figur 6.

Gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren bezeichnen

gleiche Teile.

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Zunächst sei auf Figur 3 Bezug genommen. Dort ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strombegrenzers nach der Erfindung dargestellt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Der Strombegrenzer 20 der Figur 2 ist zwischen zwei Energiesystemen Sl und S2 verschaltet und besteht aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Zweig. Der erste Zweig besteht aus einem Transformator 22 (als Wicklungseinrichtung) und einem Kondensator 14, der in Reihe mit der Primärwicklung Nl des Transformators 22 verbunden ist. Der zweite Zweig besteht aus einer Reihenschaltung einer Schließeinrichtung 16 und eines Widerstandes 18, die parallel zu der Sekundärwicklung N2 des Transformators 22 geschaltet sind. Der dritte Zweig besteht aus einer Drosselspule 12A und einem Widerstand 24, der in Reihe zu der Drosselspule 12A liegt. Der erste Zweig liegt parallel zu dem dritten Zweig zwischen den Systemen Sl und S2. Wie oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik gemäß Figur 1 und 2 erläutert, kann die Schließeinrichtung 16 ein Luftspalt, eine Halbleitereinrichtung oder ein nicht-lineares Widerstandselement sein.

Im folgenden sei die Arbeitsweise des Strombegrenzers gemäß Figur 3 erläutert. Da die Potentiale der beiden Systeme Sl und S2 normalerweise gleich sind, ist die Klemmenspannung an der Sekundärwicklung N2 des Transformators 22 so klein, daß die Schließeinrichtung nicht betätigt bzw. geschlossen ist. Folglich ist die Schließeinrichtung 16 in ihrem geöffneten Zustand, wodurch ein Serienresonanzkreis gebildet wird, der aus der Primärwicklung Nl des Transformators 22 und dem Kondensator 14 besteht. Dieser Serienresonanzkreis ist auf die Leitungs- bzw. Netzfrequenz der beiden Systeme Sl und S2 abgestimmt. Somit ist die gesamte Impedanz des Strombegrenzers 20 im wesentlichen Null, so dal die Systeme Sl und S2 direkt mitein-

ander verbunden sind. Fließt nun beim Auftreten eines Fehlers ein transienter überstrom durch die Systeme Sl und S2, so steigt die Klemmenspannung an der Sekundärwicklung N2 des Transformators 22 sehr schnell an. Hierauf wird die Schließeinrichtung 16 betätigt, so daß sie, sofern sie einen Luftspalt enthält, durch eine automatische Entladung hierüber geschlossen wird bzw., wenn sie einen'mechanischen Schalter oder einen Halbleiterschalter enthält, durch externe Steuereinrichtungen geschlossen wird, wie in der oben erwähnten japanischen Patentschrift 987 109 erwähnt; enthält sie ein nicht-lineares Widerstandselement, so wird die Impedanz automatisch auf Null reduziert. Dieser Impedanzabfall auf Nullj gesehen von der Primärseite des Transformators 22, verstimmt den Resonanzpunkt des Serienresonanzkreises, der aus dem Transformator 22 und dem Kondensator 14 besteht. Folglich wird jetzt ein Parallel-Resonanz-Kreis gebildet, und zwar zwischen der Reihenschaltung aus dem relativ kleinen Widerstand des Widerstandes 18 (gesehen von der Primärseite des Transformators) mit der Kapazität des Kondensators 14 des ersten Zweiges und der Serienschaltung der Drosselspule 12A und des Widerstandes 24 des dritten Zweiges. Wenn d-ie Widerstandswerte der Widerstände 18 und 24 im wesentlichen Null sind, so ist in diesem Falle der gesamte Impedanzwert des Strombegrenzers 20 unendlich; sind dagegen diese Widerstandswerte nicht im wesentlichen Null, so wird der gesamte Impedanzwert nicht unendlich, jedoch sehr groß, wodurch in beiden Fällen ein durch die Systeme Sl und S2 fließender Überstrom unterdrückt bzw. begrenzt wird.

Im folgenden wird nun die theoretische Arbeitsweise des oben beschriebenen Schaltkreises detaillierter erläutert. Es sei angenommen, daß die Streuimpedanz durch Streuflüsse und der ohmsche Widerstand in den Primär- und Sekundärwicklungen Nl und N2 des Transformators 22 vernachlässigbar sind und daß der magnetische Widerstand des Eisenkerns des Transformators 22 als linear angesehen werden . kann. Unter normalen Betriebsbedingungen, bei denen die

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Sekundärseite des Transformators 22 offen ist, werden die Impedanz Z_T (gesehen von der Primärwicklung Nl des Transformators 22) und die Impedanz Z . des Strombegrenzers 20 durch folgende Beziehung beschrieben:

(D

"mag

wobei:

co

n,

'mag

die Leitungskreisfrequenz die Wicklungszahl der Primärwicklung Nl des Transformators 22 und der magnetische Widerstand des Eisenkernes des Transformators 22 sind.

^Jab

ω·η,

r_{3 +} I-L₃,

wobei:

r.

Sofern

*^η

"mag

der Kapazitätswerts des Kondensators der Widerstandswert des Widerstandes 24 und der Induktivitatswert der Drosselspule 12A sind.

(3)

-if-

ist, d.h. wenn der Transformator 22 und der Kondensator 14 des ersten Kreises einen Serienresonanzkreis bilden, so gilt:

(4)

Z_ab=0

so daß die Gesamtimpedanz zwischen den Anschlußklemmen a und b des Strombegrenzers 20 den Wert "Null" hat, so daß die Systeme Sl und S2 direkt miteinander verbunden sind.

Wenn ein überstrom durch die Systeme Sl und S2 beim Auftreten eines Fehlers fließt, so wächst die Klemmenspannung an der Sekundärwicklung N2 des Transformators 22 sehr schnell an und die Schließeinrichtung 16 wird betätigt. Der zweite Zweig ist dann geschlossen und die Impedanz

Z (gesehen von der Primärwicklung Nl des Transformators 22) und die Impedanz Z¹ zwischen den Anschlußklemmen a und b des Strombegrenzers 20 gehorchen folgenden Bedingungen:

wobei:

ⁿi

r + mag

die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung

N2 des Transformators 22 und

der Widerstandswert des Widerstandes 18 sind.

1 Folglich gilt:

• ι

ab

r + mag

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wobei:

(6)

2

2-W 2 mag

2 2

^M'^r2'^rmag'ⁿl

r²-r² ₊ l²-n 2 mag

Aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt sich

2 _Τ2

ω 'L₃

wenn die Bedingung

(8)

erfüllt ist, kann Gleichung (7) umgeschrieben werden als:

SO daß der Kondensator 14 und die Drosselspule 12A_y die den dritten Kreis bilden, einen Parallelresonanzschaltkreis bilden.. Aus den Gleichungen (3), (6) und (9) ergibt sich

^Zab Έ~₃ Eye" (10).

~2~7 TTI ⁺ 2~~

r₃ + ω -L₃ n₂

Der Nenner dieses Ausdrucks entspricht folgendem Widerstandswert:

^r3 ^r2'^C

"2 ΤΤΣ 2~ (ID.

r₃ + ω -L₃ n₂

Wenn r.-r^O, Z¹ , = °° , so ist die Gesamtimpedanz des Strombegrenzers 20 unendlich; ist die Gleichung (8) erfüllt und

X₂' c/n₂ ²=0,

Z'ab»0

so bedeutet dies, daß die Verbindung zwischen den beiden Systemen Sl und S2 durch eine große Impedanz hergestellt ist. Hieraus kann man sehen, daß ein durch die Systeme Sl und S2 fließender überstrom unterdrückt wird. Es sei angenommen, daß die Potentialdifferenz zwischen den

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Systemen Sl und S2 gleich V . ist; der unterdrückte bzw. begrenzte Strom I¹ , ergibt sich aus Gleichung (10) zu

b * ^V

ab * ^[ ⁺ -V r₃ + ω -L₃ n₂

Dieser begrenzte Strom I¹ , ist ein ohm¹scher Strom, der in Phase mit der Potentialdifferenz V liegt, wie aus Gleichung 13 erkennbar. Dieser ohm'sche Strom sorgt für eine befriedigende transiente Stabilität für die Systeme Sl und S2 und erleichtert in vorteilhafter Weise die Unterbrechungsanforderungen an den Schaltkreisunterbrecher aufgrund der geringen Nachzündspannung aufgrund einer Schaltkreisunterbrechung.

Im folgenden wird der Einfluß der zweiten bzw. ersten Widerstände 18 bzw. 24 beschrieben, die in die zweiten und dritten Zweige eingeschaltet sind. Wie oben beschrieben, ist die gesamte Impedanz Z¹ . des Strombegrenzers 20 unendlich, wenn r CiO und r,20 ist,und folglich der begrenzte Strom IL^—0 ist, wie aus Gleichung 13 erkennbar.

Dies ergibt sich aus der Lösung im stationären Zustand im Gegensatz zu einem transienten Zustand. Wenn r.sO und r, - 0 durch eine Computersimulierung oder eine transiente Lösung festgelegt werden, so treten folgende Nachteile auf. Nach dem Auftreten eines Fehlers wird übermäßige Energie wechselseitig eingespeist, und zwar zwischen dem ersten Zweig (gebildet durch den Transformator 22 und den Kondensator 14), dem zweiten Zweig (Widerstand 18 und Schließeinrichtung 16), und dem dritten Zweig (gebildet aus dem Widerstand 24 und der Drosselspule 12A), wobei in dem Transformator 22 und der Drossespule 12A induktive Energie und in dem Kondensator 14 kapazitive Energie gespeichert werden, so daß ein pulsierender Strom mit einer

Wechselstromkomponente, deren Frequenz den Induktivitätsund Kapazitätswerten des Strombegrenzers 20 entspricht, fließt. Haben die Widerstände 18 und 24 kleine Widerstandswerte, so wird eine beträchtliche Zeit verstreichen, bis die eingespeiste Energie thermisch abgebaut ist und der pulsierende Strom gedämpft ist. Ist die erwähnte Frequenz hoch, so kann ein in die Systeme Sl und S2 eingebautes Schutzrelais für eine Fehlererkennung fehlerhaft arbeiten. Weiterhin dauert es eine lange Zeit, bis der begrenzte Strom einen Null-Durchgang für die Auftrennung der Systeme Sl und S2 erreicht hat, wenn die Gleichstromkomponente groß und die Dämpfungszeit lang ist, was zu einer langen Wartezeit für eine Null-Durchgangsunterbrechung führt. Selbst nach einer Schaltkreisauftrennung der Systeme' Sl und S2 fließt der Strom weiter durch den geschlossenen Schaltkreis des Strombegrenzers 20. Ist der Widerstandswert des Widerstandes 18 klein, so fließt dort nach Betätigung der Schließeinrichtung 16 ein starker Strom, der die elektrische Leitfähigkeit der Schließeinrichtung 16 elektrisch und mechanisch hoch belastet. Weiterhin wird, wenn die Systeme elektrisch miteinander verbunden sind, elektrische Energie in den geschlossenen Schaltkreisen des ersten Zweiges (gebildet durch den Transformator 22 und den Kondensator 14) und des dritten Zweiges (gebildet durch die Drosselspule 12A und dem Widerstand 24) fließen, was dazu führt, daß dort ein pulsierender Strom fließt, der eine Gleichstromkomponente besitzt und eine Frequenz, die durch die Induktivitäts- und Kapazitätswerte des Strombegrenzers 20 bestimmt ist, wie oben beschrieben. Folglich wird es eine lange Zeit dauern, bis die eingespeise Energie thermisch abgebaut ist, sofern der Widerstandswert des Widerstandes 24 klein ist, und bis daraufhin der pulsierende Strom gedämpft ist, was zu dem nachteiligen Ergebnis führt, daß eine schädliche Spannung für längere

gg Zeitdauer an den Klemmen a und b des Strombegrenzers 20 anliegt. Um diese Nachteile zu vermeiden, werden die Widerstände 18 und 24 mit geeigneten Widerstandswerten ver-

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sehen, obwohl hierdurch der Strombegrenzungseffekt etwas reduziert ist.

Figur 4 zeigt ein zweiten Strombegrenzer nach der Erfindung, der generell mit dem Bezugszeichen 20* versehen ist. Hier ist der Transformator 22 der Figur 3 lediglich durch einen Autotransformator 26 als Wicklungseinrichtung ersetzt. In diesem Ausführungsbeispiel bildet-die Primärwicklung Nl (Reihe und Shunt) des Autotransformators 26 einen ersten Zweig zusammen mit dem Kondensator 14, während die Sekundärwicklung N2 (Shunt) einen zweiten Zweig mit der Reihenschaltung aus der Schließeinrichtung 16 und dem Widerstand 18 bildet.

Figur 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Strombegrenzers nach der Erfindung, der generell mit dem Bezugszeichen 20'' bezeichnet ist. Hier wird lediglich der Transformator 22 der Figur 3 durch eine Drosseispule 12 als Wicklungseinrichtung ersetzt, wie bei den Figuren 1 und 2. In diesem Ausführungsbeispiel werden Primär- und Sekundärwicklungen gemeinsam für eine Wicklungseinrichtung benutzt.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß auch mit den Schaltkreisen der Figuren 4 und 5 ähnliche Betriebsweisen und Effekte erreicht werden wie mit dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 entsprechend den Gleichungen (1) bis (13).

Figur 6 zeigt ein Beispiel einer Schaltung, die den Strombegrenzer 20 nach der vorliegenden Erfindung enthält. Dort ist ein Schaltkreisunterbrecher CB, der Strombegrenzer 20, ein Leitungswiderstand R_Q, eine Leitungsinduktivität L_Q und eine Last ZL in Reihe miteinander verbunden und liegen parallel zu einer Wechselstromquelle S

ac

Figur 7 bzw. 8 zeigen den zeitlichen Verlauf von auf einem Computer simulierten Wellenformen an verschiedenen Punkten des Schaltkreises der Figur 6. Bei Figur 7 wird eine Schließeinrichtung 16 in Form eines Luftspaltes verwendet, während Figur 8 diese in Form eines nieht-linearen Widerstandselementes benutzt.

In den Figuren 7 und 8 stellen Vs, Vc, V3, VTl und VT2 im oberen Graphen die simulierten Spannungsverläufe der Energiequelle Sac dar, und zwar an den Anschlüssen des Kondensators 14 des Strombegrenzers 20, an den Anschlüssen des dritten Zweiges, der durch die Drosselspule 12A Und dem Widerstand 24 gebildet ist bzw. an den Anschlüssen den Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators 22. Im zweiten Graphen von oben stellen J2f_ und VCB die simulierten Wellenformen des magnetischen Flusses in dem Eisenkern des Transformators 22 und die Spannung an den Elektroden des Schaltkreisunterbrechers CB dar.

Im zweiten Graphen von unten stellen I_Q, I_g und I_T die Wellenformen der simulierten Ströme bei normalem Zustand des Schaltkreises der Figur 6, einen Kurzschluß zwischen den Kurzschlußfehlerpunkten Fl und F2 für einen Fall, bei dem kein Strombegrenzer verwendet wird, bzw. den begrenzten Strom bei Figur 6 dar. Es sei darauf hingewiesen, daß SA,SB und SC in demselben Graphen die Anfangspunkte der elektrischen Leitfähigkeit, den Zeitpunkt des Auftretens des Kurzschlusses bzw. den Zeitpunkt der vollständigen Unterbrechung darstellen. In dem untersten Graphen stellen II, 12 bzw. 13 die simulierten Ströme der ersten, zweiten bzw. dritten Zweige des Strombegrenzers 20 der Figur 6 dar.

Weiterhin sind in-Figur 7 V¹CB und I¹ durch gepunktete bzw. gestrichelte Linien dargestellt, wobei diese die simulierte Wellenform der Spannung an den Elektroden

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des Schaltkreisunterbrechers CB und die simulierte Stromwellenform des begrenzten Stromes der Figur 6 darstellen, wenn eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik der Figur 1 für den Schaltkreis der Figur 6 verwendet wird. Es ist festzustellen, daß der bekannte Schaltkreis einen steilen Spannungsverlauf V¹CB zum Zeitpunkt SC, bei dem die Unterbrechung vollendet ist aufweist, im Vergleich zu dem der vorliegenden Erfindung, was dazu führt, daß der Strom I'_ in Phase mit dem Kurzschlußstrom I₀ ist, der ^ei-ⁿ vollständig induktiver Strom ist.

Wie aus Obigem hervorgeht, wird mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine hervorragende Stabilität gegen transiente Störungen für Energiesysteme geschaffen_/ und zwar aufgrund des begrenzten ohm'sehen Stromes, während gleichzeitig die Unterbrechungsanforderungen für den Schaltkreisunterbrecher erleichtert sind, aufgrund der geringen Nachzündspannung bei einer Schaltkreisunterbrechung. Da die Kreisströme in dem Strombegrenzer nach

2Q der vorliegenden Erfindung nach einer Schaltkreisunterbrechung in kurzer Zeit gedämpft sind - wie oben im Zusammenhang mit der Wirkung der Widerstände 18 und 24 beschrieben - ist es vorteilhaft, daß kein zusätzlicher Entladewiderstand oder eine zusätzliche Entladedrossel für den Kondensator benötigt wird. Auch ist es vorteilhaft, daß die Sekundärseite des als Wicklungseinrichtung verwendeten Transformators als Niederspannungsschaltkreis verwendet werden kann, so daß die Schließeinrichtung mit Niederspannung gesteuert werden kann, sofern die Schließeinrich-

3Q tung ein mechanischer oder Halbleiterschalter ist. Weiterhin ist,verglichen mit dem herkömmlichen Serien-Parallel-Resonanzkreis der Figur 2₍ von Vorteil, daß der Kondensator 14A fortgelassen werden kann, so daß ein billigeres Gerät hergestellt werden kann (bei einem L-C-Re-

Qg sonanz-Strombegrenzer werden die Gesamtkosten durch den Kondensator bestimmt).

ν m

as,-

Insbesondere im Hinblick auf das zweite Ausführungsbeispiel der Figur 4 kann es vorteilhaft sein, die Menge des Kupfers und des Eisens für die Wicklungseinrichtung einzusparen, im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 3. Weiterhin können in dem dritten Ausführungsbeispiel der Figur 5 die Anforderungen an die Drosselspule 12 die gleichen sein wie bei der Drosselspule 12A des dritten Zweiges, sjo daß die Herstellkosten in vorteilhafter Weise verringert werden können.

Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung darstellten Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.1 Vorrichtung zur Begrenzung von Wechselströmen, mit einem ersten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines Kondensators (14) und einer Wicklungseinrichtung (12), der zwischen zwei verschiedenen Energiesystemen (Sl, S2) liegt,

mit einem zweiten Zweig, bestehend aus einer Reihenschaltung eines ersten Widerstandes (18) und einer Schließeinrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zweig parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung

(12) liegt, daß ein dritter Zweig vorgesehen ist, der aus einer Reihenschaltung einer Drosselspule (12A) und eines zweiten Widerstandes (24) besteht, daß der dritte Zweig parallel zu dem ersten Zweig liegt,

daß die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges normalerweise geöffnet gehalten ist, so daß ein Serienresonanzkreis aus der Wicklungseinrichtung (16) und dem Kondensator (14) gebildet ist, der die Energiesysteme (Sl, S2) mit einer resultierenden Impedanz des ersten Zweiges von Null verbindet, daß bei einem Systemfehler die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges geschlossen wird, so daß die Impedanz, gesehen von den Eingangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung (22), auf einen vorbestimmten kleinen Impedanzwert umgeschaltet wird, zum Verstimmen des Resonanzpunktes des Serienresonanzkreises, wodurch ein Parallel-Resonanz-Kreis zwischen der Reihenschaltung der kleinen Impedanz und dem Kondensator und dem dritten Zweig gebildet wird, zur Vergrößerung des Gesamtimpedanzwertes zwischen den beiden Systemen, wodurch ein Überstrom zwischen diesen unterdrückt bzw. begrenzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungseinrichtung (22) einen Transformator aufweist, dessen Primärwicklung (Nl) in Reihe mit dem Kondensator (14) liegt und daß der erste Widerstand (18) und die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges in Reihe parallel zu der Sekundärwicklung (N2) des Transformators (22) geschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungseinrichtung einen Autotransfprmator (26) enthält und daß der erste Widerstand (18) und die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges in Reihe parallel zu den Ausgangsanschlüssen des Autotransforma-

-3-tors (26) geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungseinrichtung eine zweite Drosselspule

(12) aufweist und daß der erste Widerstand (18) und die Schließeinrichtung (16) des zweiten Zweiges in Serie parallel zu den Ausgangsanschlüssen, die gleichzeitig auch Eingangsanschlüsse der zweiten Drosselspule . (12) sind, geschaltet sind.
10

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Kreisfrequenz des Systems von ο , einer Induktivität der Drosselspule von L₃, einer Kapazität des Kondensators (14) von c, einer Windungszahl zwischen den Ausgangsanschlüssen der Wicklungseinrichtung (22) von n_ und bei Widerstandswerten des ersten (24) und zweiten (18) Widerstandes von r₂ bzw. r, folgende Beziehungen gegeben sind:

CJ . L₃

—5 =—5 =cj-c, oeL,»r, und r_-c/n~ -0.