DE29819621U1 - Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen Energienetz - Google Patents
Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen EnergienetzInfo
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Description
SC/ar 97443G
29. Oktober 1998
29. Oktober 1998
Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen Energienetz
Die Erfindung betrifft einen Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen
Energienetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Dem Schutz von Energiesystemen vor Kurzschlußströmen und
insbesondere vor Stoßkurzschlußströmen kommt eine große Bedeutung zu. Beispielsweise kann bei geringer
Kurzschlußfestigkeit eines Netzabschnitts beim Anschluß von elektrischen Antrieben im kW- und MW-Bereich oder bei
Energieeinspeisung von dezentralen
Energieerzeugungsanlagen in ein Energieversorgungsnetz ein solcher Schutz notwendig sein, um die Betriebsmittel
des Netzes vor zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen zu schützen.
In "The Critical Switching Parameters of a New Hybrid AC
Low-Voltage Circuit Breaker Without and With ZnO Varistor" (Proceedings of the 6th international Symposium
on Short Circuit Currents in Power Systems; Liege, Belgium, 6-8 September 1994, S. 3.11.1-3.11.8; Hasan,
Zyborski, Lipski) wird ein Überstromschutzes beschrieben, bei für die Unterbrechung in einer
Stromversorgungsleitung im Falle eines Kurzschlußstroms ein mechanischer Schalter als Stromabschalter eingesetzt
wird, parallel zu dem eine Löschbeschaltung vorgesehen ist. Die Löschbeschaltung besteht aus einer
Reihenschaltung von zwei gegensinnig geschalteten Thyristoren und antiparallel dazu einer Reihenschaltung
von zwei Dioden. Die zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen sind zusätzlich zwischen den beiden
Thyristoren bzw. zwischen den beiden Dioden über eine Reihenschaltung aus einer Induktivität und einem
Kondensator miteinander verbunden. Im Falle eines Kurzschlußstroms wird je nach aktueller Stromrichtung
einer der Thyristoren gezündet, so daß der Kurzschlußstrom in die Löschbeschaltung kommutieren kann,
während gleichzeitig der mechanische Schalter geöffnet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Kurzschlußstrombegrenzer zur Verfügung zu stellen, die
einen verbesserten Schutz vor Kurzschlußströmen in elektrischen Energienetzen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen Kurzschlußstrombegrenzer nach dem Oberbegriff gelöst
durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
Durch den erfindungsgemäße Kurzschlußstrombegrenzer wird
gewährleistet, daß ein auftretender Fehlerstrom innerhalb kürzester Zeit vom Stromabschalter auf die
Löschbeschaltung abkommutiert und somit bei mechanischen Stromabschaltern lichtbogenminimiert bis lichtbogenlos
geschaltet wird und die notwendige
Wiederverfestigungszeit eingehalten wird und bei leistungselektronischen Stromabschaltern die notwendige Freiwerdezeit garantiert ist.
Wiederverfestigungszeit eingehalten wird und bei leistungselektronischen Stromabschaltern die notwendige Freiwerdezeit garantiert ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Kurzschlußstrombegrenzer können
sowohl generator-/verbraucher- als auch netzseitige Kurzschlüsse abgeschaltet werden.
Durch den Einsatz mindestens eines schaltbaren Löschelements in jedem der Brückenzweige der
Brückenschaltung kann zudem eine deutlich höhere Stromsteilheit der Äbkommutierung erreicht werden als
dies mit jeweils einem schaltbaren Brückenzweig pro Stromrichtung möglich ist, da so zunächst eine
Kreisentladung des Löschkondensators innerhalb der Löschbeschaltung verhindert wird und praktisch der
gesamte Entladestrom über den Stromabschalter geführt wird.
Schließlich besteht die Möglichkeit, den Stromnulldurchgang des Stromabschalterstroms zu ermitteln
und damit bei einem beliebigen Wert des Phasenstroms problemlos (bei mechanischen Schaltern
lichtbogenminimiert bzw. lichtbogenlos) mit gleichen Resultaten für verschiedene Ströme und Stromsteilheiten
abzuschalten. Eine Vorausberechung des Stromabschalterstromnulldurchgangs ist nicht notwendig.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgesehen, daß
zusätzlich zu den zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Löschelementen mindestens ein
weiteres Löschelement außerhalb dieser Brückenzweige derart angesteuert wird, daß innerhalb der
Löschbeschaltung ein Freilaufstrompfad für den
Entladestrom des Löschkondensators ausgebildet wird, sobald der Strom durch den Stromabschalter zu Null
geworden ist und der Stromabschalter den Strompfad im Hauptstromkreis unterbrochen hat. Auf diese Weise wird
vermieden, daß sich der Laststrom bei der Unterbrechung des Hauptstromkreises auf Grund der restlichen im
Löschkondensator gespeicherten Energie um eine kapazitive Spitze erhöht.
Vorteilhafterweise werden dabei zusätzlich zu den zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten
bereits aktivierten Löschelementen mindestens zwei weitere Löschelemente in den anderen beiden diagonal
gegenüberliegenden Brückenzweigen derart angesteuert werden, daß innerhalb der Löschbeschaltung zwei parallel
zueinander angeordnete Freilaufstrompfade für den
Entladestrom des Löschkondensators ausgebildet werden. Durch die Aktivierung beider schaltbarer Löschelemente
vermindert sich die thermische Belastung des einzelnen Löschelements auf ungefähr die Hälfte.
Der Zeitpunkt der erfindungsgemäßen Ansteuerung der Löschbeschaltung wird durch die Steuereinheit bestimmt.
Der zu diesem Zweck von der Steuereinheit verwendete Kurzschlußerkennungsalgorithmus zeichnet sich
vorteilhafterweise dadurch aus, daß
- für jede Phase Strom und/oder Stromsteilheit innerhalb der Anschlußpunkte des Löschbeschaltung gemessen
werden,
- die gemessenen Werte tiefpaßgefiltert werden
- ein gleitender Mittelwert aus den tiefpaßgefilterten Werten gebildet wird
- falls der gemittelte Stromwert unterhalb einer vorgegebenen Stromschwelle Imin oder oberhalb einer
vorgegebenen einer Stromschwelle Imax liegt, nie eine
Ansteuerung der Löschbeschaltung erfolgt, und
- falls der gemittelte Stromwert in einem einen Bereich Ba liegt, für den gilt Imin
< Ba < Ima;, , dann eine
Ansteuerung der Löschbeschaltung erfolgt, wenn
- der Strom eine vorgegebene Schwelle Itrig in Ba für
eine vorgegebene Zeit Titrig überschreitet
- oder die gemittelte Stromsteilheit für eine vorgegebene Zeit Tdidtti-ig über einer vorgegebenen
Stromsteilheitsschwelle di/dttrig liegt.
• ·
Vorteile einer solchen Kurzschlußerkennung liegen darin, daß die Parameter für die verschiedenen
Bewertungsschwellen den jeweiligen Netzverhältnissen angepaßt werden können. Zudem wird eine hinreichend
schnelle Auslösung garantiert, bei gleichzeitigem Schutz vor Fehlauslösungen durch Fehlmessungen und transiente
Vorgänge, die nicht durch Kurzschlüsse hervorgerufen wurden, wie z.B. bei kapazitiven Einschaltströmen.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Kurzschlußstrombegrenzers ist im Gebiet von Gleich,
Wechsel- und Drehspannungssystemen zu sehen, vor allem für eine Stoßkurzschlußstrombegrenzung bei elektrischen
Antrieben im kW- und MW-Bereich oder in dezentralen Energieeinspeisungssystemen, wie bei
Blockheizkraftwerken, Windkraftanlagen etc.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Der erfindungsgemäße Kurzschlußstrombegrenzer wird im
folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1: eine Übersicht über den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a,b: zwei Beispiele für Stromabschalter der Schaltung aus Figur 1,
Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel für die Löschbeschaltung aus Figur 1,
Fig. 4: Vergleichsdiagramm des Stroms durch einen Stromabschalter mit verschiedenen
Ansteuerverfahren für die Löschbeschaltung,
Fig. 5a,b: zwei Ausführungsbeispiele für die Strom-/Stromsteilheitserfassung
bzw. -bestimmung für eine Vorrichtung aus Figur 1, und
Fig. 6: eine schematische Darstellung der Ein- und Ausgänge der Zentralsteuerung aus Figur 1.
In Figur 1 ist als ein Hauptstrompfad eine Leitung, die
einen Stromabschalter 1 aufweist, dargestellt. Bei der Leitung kann es sich beispielsweise um eine Phase eines
Drehspannungssystems einer Energieeinspeisung von einem Windkraftwerk handeln. Die anderen Phasen sind nicht
dargestellt, da die Kurzschlußstrombegrenzer für diese äquivalent zu dem der dargestellten Phase sind. Parallel
zu dem Stromabschalter 1 ist in einem Nebenstromkreis ein Löschkreis 3 vorgesehen, der mit einer Ladeeinrichtung 4
verbunden ist. Eine Zentralsteuerung 2 ist sowohl mit dem Stromabschalter 1 als auch mit dem Löschkreis 3
verbunden. In Reihe mit dem Stromabschalter 1 und innerhalb der Parallelschaltung von Stromabschalter 1 und
Löschkreis 3 ist eine Strommeßeinrichtung 5 gezeigt, die mit einer Meßwertverarbeitungseinheit 6 verbunden ist.
Die Ausgänge der Meßwertverarbeitungseinheit 6 sind mit Eingängen der Zentralsteuerung 2 verbunden. In der
Einleitung wird die Gesamtheit der Elemente Zentralsteuerung (2), Strommeßeinrichtung (5) und
Meßwertverarbeitungseinheit (6) als Steuereinheit bezeichnet.
Im störungsfreien Betrieb wird der auf dem Hauptstrompfad
ankommende Laststrom iL komplett als Strom iA über den
Stromabschalter 1 geführt, durch den Löschkreis 3 fließt kein Strom. Die Meßeinrichtung 5 erfaßt ständig den Strom
iA, der durch den Stromabschalter 1 fließt und stellt den
Meßwert der Meßwertverarbeitungseinheit 6 zur Verfügung. In der Meßwertverarbeitungseinheit 6 wird aus dem
• ♦· ·· • ·
ft· « 1
gemessenen Strom iA zusätzlich die aktuelle Stromsteilheit
diA/dt berechnet. Die beiden Werte von iA und diA/dt
werden, eventuell jeweils mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert, der Zentralsteuerung 2 zugeführt.
In der Zentralsteuerung 2 wird dann entschieden, ob die zugeführten Werte des aktuellen Stroms iA und der
aktuellen Stromsteilheit diA/dt auf einen Fehlerstrom schließen lassen, auf den reagiert werden muß.
Wird ein solcher Kurzschlußstrom festgestellt, so veranlaßt die Zentralsteuerung 2 eine Ansteuerung des
Löschkreises 3, so daß dieser einen Teil des Laststromes iL übernehmen kann. Im Stromabschalter 1 dagegen erfolgt
beim nächsten anliegenden Spannungsnulldurchgang eine komplette Stromunterbrechung. Ein Spannungsspeicher des
Löschkreises 3, der über die Ladeeinrichtung 4 vorgeladen wurde, bewirkt dabei eine Beschleunigung des Auftretens
eines Spannungsnulldurchgangs.
Wahlweise kann die Zentralsteuerung 2 zusätzlich für die Ansteuerung des Stromabschalters 1 im Normalbetrieb
eingesetzt werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2-5 wird nun auf die einzelnen Elemente der Schaltung aus Figur 1 eingegangen.
In Figur 2 sind zunächst zwei mögliche Alternativen für den Stromabschalter 1 in Figur 1 dargestellt. In Figur
2a) ist ein Stromabschalter 1 vorgesehen, der einen mechanischen Schalter SL aufweist. Wird bei dem
erfindungsgemäßen Kurzschlußstrombegrenzer ein solcher mechanischer Stromabschalter eingesetzt, so wird dieser
vorteilhafterweise als Hybridschalter ausgeführt. Bei einem solchen erfolgt das Öffnen des Schalters über einen
♦ · ♦ ·.
(nicht dargestellten) leistungselektronischen Schaltkreis, der zum Beispiel aus einer Reihenschaltung
eines vorgeladenen Kondensators, einer Induktivität und einem durch die Zentralsteuerung 2 zündbaren Thyristor
bestehen kann. Bei Detektion eines relevanten Kurzschlußstroms wird dann der Thyristor gezündet,
woraufhin sich der Kondensator über die Induktivität entlädt, was ein Öffnen des dafür ausgelegten Schalters SL
durch eine somit erzeugte Abstoßungskraft bewirkt.
Eine weitere Ausführungsform eines Stromabschalters 1
besteht in einem leistungselektronischen Stromabschalter, der beispielsweise Thyristoren, GTOs verwendet. Figur 2b)
zeigt einen Stromabschalter 1, der von zwei antiparallel geschalteten Thyristoren TLA und TLB gebildet wird. Dabei
führt Thyristor TLA jeweils den Strom iA in der in Figur 1
eingezeichneten Richtung und Thyristor TLB in der
entgegengesetzten Richtung. Die Ansteuerung der beiden Thyristoren TLA, TLB hierfür erfolgt beispielsweise über die
Zentralsteuerung 2 aus Figur 1.
Grundlegende Einzelheiten einer Löschbeschaltung 3 aus Figur 1 sind in Figur 3 dargestellt. Die Löschbeschaltung
3 sieht vier Thyristoren (Löschthyristoren) TQpB, TQpA, TQnA/
TQnB vor, von denen jeweils einer in einem Zweig einer
Brückenschaltung angeordnet ist. Dabei sind die vier Thyristoren TQpB, TQpA, TQnA, TQnB in ihrer Durchlaßrichtung
so geschaltet, daß bei Zündung jeweils von zwei Thyristoren (TQpA/TQriA bzw. &Tgr;&OHacgr;&rgr;&Bgr;/&Tgr;&Ogr;&eegr;&Bgr;) in' Brückenzweigen, die
sich diagonal gegenüber liegen, ein Strom durch diese Brückenzweige und einen Querzweig der Brückenschaltung
fließen kann, in dem Querzweig jedoch immer in die gleiche Richtung. In dem Querzweig der Brückenschaltung
ist eine Reihenschaltung einer Induktivität (Begrenzungsdrossel) Lb und eines Löschkondensators CQ
vorgesehen. In dem dargestellten Beispiel sind dem Löschkondensator C2 zusätzlich zweimal ein ZnO-Varistor Va
bzw. V2 jeweils in Reihe mit einem Widerstand Ri bzw. R2
parallelgeschaltet. Die Reihenschaltung bestehend aus der Induktivität Lb und dem Löschkondensator CQ ist
desweiteren an eine Ladeeinrichtung angeschlossen.
Die dem Löschkondensator CQ parallelgeschalteten ZnO-Varistoren
Vi bzw. V2 werden als spannungsbegrenzende
Elemente (Begrenzer) eingesetzt, wobei für eine mehrfache Parallelschaltung, wie in diesem Beispiel eine zweifache,
entsprechend dimensionierte Vorwiderstände Ri, R2
eingesetzt werden müssen, um die produktionsbedingte Streuung der Begrenzer auszugleichen.
Der Löschkondensator CQ wird über die Ladeeinrichtung
derart auf einen definierten Spannungswert UCqo
aufgeladen, daß an dem Löschkondensator CQ eine Spannung
entsprechend der in Figur 3 eingezeichneten Richtung für Ucqo anliegt. Durch ein kontinuierliches Laden werden
dabei Leckverluste ausgeglichen. Damit ist die Löschbeschaltung 3 einsatzbereit für eine
Kurzschlußstrombegrenzung im Falle eines detektierten Fehlerstroms.
Nach einem ersten Verfahren zur Ansteuerung der Löschbeschaltung 3 wird bei Detektion eines Fehlerstroms
durch die Zentralsteuerung 2 von dieser ein Zündsignal an die Löschbeschaltung 3 gegeben, so daß bei positiver
Stromrichtung des in Figur 1 eingezeichneten Stroms iA die
beiden Löschthyristoren TQpA und TQnA, bei negativer
Stromrichtung von iA die beiden Löschthyristoren TQpB und
TQnB durchschalten. Auf diese Weise bildet der
Nebenstromkreis mit der Löschbeschaltung 3 eine dem Stromabschalter 1 parallelgeschaltete, durchgehend
- &iacgr;&ogr; -
leitende Verbindung, über die nun ein Teil des Laststromes iL (d.h. des Fehlerstroms) fließt, wodurch der
Strom iA durch den Stromabschalter 1 reduziert wird. Zusätzlich kann sich nun der vorgeladene Löschkondensator
C2 über die Begrenzungsdrossel Lb und die weiterhin in
Reihe liegenden parasitären Impedanzen entladen. Der Entladestrom des Löschkondensators CQ hat die gleiche
Richtung wie der übernommene Teil des Laststroms iL und
überlagert sich mit diesem verstärkend zu einem Gesamtstrom ic. Der von dem Nebenstromkreis übernommene
Teil des Laststroms iL fließt hinter der Verbindungsstelle
zum Hauptstromkreis in gleicher Richtung wie vorher weiter. Im Gegensatz dazu fließt der größte Teil des
Entladestroms über den Stromabschalter 1 zurück, wo er sich gegensinnig dem noch durch den Stromabschalter 1
fließenden Teil des Laststroms iL überlagert, so daß sich
schließlich ein Gesamtstrom von Null durch den Stromabschalter 1 ergibt. Der Strom iA durch den
Stromabschalter 1 kommutiert somit komplett auf den Nebenstromkreis und damit kann der Stromabschalter 1, der
nicht weiter gezündet wird, seine Sperrfähigkeit (Wiederverfestigung, Ausräumen von Ladungsträgern)
erlangen.
Aufgrund der im Netz gespeicherten Energie wird der Kondensator CQ in seiner Polarität umgeladen, so daß sich
nun eine Gegenspannung am Kondensator CQ aufbaut, die als
Spannungs-Zeit-Fläche an den Netzinduktivitäten liegt und hier den Strom zu Null werden läßt. Ist der Strom zu Null
geworden, sperren die vorher leitenden Löschthyristoren Tqpä, TQnA bzw. TQpB,TQnB und der Vorgang ist beendet.
Nach einem zweiten, alternativen Steuerverfahren zünden wiederum im Fall eines Zündsignals an die
Löschbeschaltung bei positiver Stromrichtung des Stromes
iA die Löschthyristoren TfeA und TQnA und bei negativer
Stromrichtung des Stromes iA die Löschthyristoren &Tgr;&Ogr;&rgr;&Bgr; und
TQnB durch. Wie in dem ersten Steuerverfahren folgt eine
Entladung des Löschkondensators CQ und eine Kommutierung
des Stroms iA von dem Stromabschalter 1 auf den Nebenstromkreis. Sobald der Strom iA durch den
Stromabschalter 1 zu Null geworden ist, wird alternativ zu der Vorgehensweise nach dem ersten Verfahren
zusätzlich einer der beiden noch nicht leitenden Löschthyristoren gezündet, so daß der Löschkondensator CQ
sich in einem Kreisstrom innerhalb der Löschbeschaltung entlädt.
Auf diese Weise wird vermieden, daß die noch im Löschkondensator CQ gespeicherte Restenergie, die für die
komplette Kommutierung des Laststroms iL auf den Nebenstromkreis nicht benötigt wurde, in das Netz
eingeprägt wird.
Ein drittes bevorzugtes Steuerverfahren entspricht zunächst genau dem zweiten Steuerverfahren. Im
Unterschied zu dem zweiten Steuerverfahren ist jedoch
vorgesehen, daß sobald der Strom iA durch den Stromabschalter 1 zu Null geworden ist, beide noch nicht
leitenden Löschthyristoren gezündet werden, so daß der Löschkondensator Cq sich über zwei parallelen Kreisströmen
innerhalb des Löschkreises entlädt. Durch diese zusätzliche Zündung dieser beiden Löschthyristoren
vermindert sich die thermische Belastung der einzelnen Löschthyristoren auf ungefähr die Hälfte.
Die Löschthyristoren sperren wie in dem ersten beschriebenen Steuerverfahren auch im zweiten und dritten
Steuerverfahren, sobald der Strom im Querzweig der Brückenschaltung zu Null geworden ist.
Die Figuren 4a und b zeigen exemplarisch den Stromverlauf des Laststroms iL im Falle eines Kurzschlusses über die
Zeit in Sekunden aufgetragen, wobei Figur 4b einen Ausschnitt der Kurven aus Figur 4a zeitlich gestreckt
darstellt. Jeweils eine erste Kurve 1 stellt den Stromverlauf ohne Maßnahmen zum Unterbrechen des Stroms
dar, eine zweite Kurve 2 den Stromverlauf mit einer Stromunterbrechung nach dem ersten beschriebenen
Steuerverfahren und eine dritte Kurve 3 den Stromverlauf mit einer Stromunterbrechung nach den beiden weiteren
Steuerverfahren. Man erkennt, daß bei einer Stromunterbrechung nach einem der beschriebenen
Steuerverfahren der Laststrom in kürzester Zeit, "weich" und ohne das Maximum des Kurzschlußstroms zu erreichen
abklingt. Des weiteren wird der zusätzliche Vorteil des zweiten und des dritten Steuerverfahrens deutlich, denn
die Erhöhung des Laststroms um eine kapazitive Spitze, die bei Einsatz des ersten Steuerverfahrens auftritt,
wurde bei den anderen beiden Steuerverfahren vermieden.
Den Figuren 5a und 5b ist zu entnehmen, daß für Meßwerterfassung und -verarbeitung zum Erhalt der Werte
von Strom iA und Stromsteilheit diA/dt, die der
Zentralsteuerung 2 zugeführt werden, ebenfalls mehrere Möglichkeiten zur Verfügung stehen.
Figur 5a zeigt eine Meßeinrichtung 5 und eine Meßwertverarbeitungseinheit 6, wobei die Meßeinrichtung
aus einem Stromwandler besteht und die Meßwertverarbeitungseinheit 6 ferner einen Tiefpaß 10,
einen Multiplizierer 12 sowie einen Multiplizierer/Differenzierer 11 beinhaltet. Der
Stromwandler ist mit dem Eingang des Tiefpasses 10 der Meßwertverarbeitungseinheit 6 verbunden. Der Ausgang des
Tiefpasses 10 liegt an dem Eingang des Multiplizierers
und an dem Eingang des Multiplizierers/Differenzierers 11
an. Der jeweilige Ausgang von Multiplizierer 12 und Multiplizierer/Differenzierer 11 liegt an der
Zentralsteuerung 2 aus Figur 1 an.
Mit Hilfe des Stromwandlers wird ein dem Strom iA durch
den Stromabschalter 1 proportionaler Strom Kw*iA erfaßt.
Nach einer Tiefpaßfilterung durch den Tiefpaß 10 wird der Strom Kw*iA zum einen in dem Multiplizierer 12 mit einem
Faktor Kp multipliziert und zum anderen in dem Multiplizierer/Differenzierer 11 differenziert und mit
einem Faktor KD multipliziert. Der Ausgang des Multiplizierers 12 liefert also einen dem Strom iA
proportionalen Wert Kw*KP*iA und der Ausgang des
Multiplizierers/Differenzierers 11 einen der aktuellen Stromsteilheit diA/dt im Stromabschalter 1 proportionalen
Wert Kw*KD*diA/dt. Die beiden Werte K„*KP*iA und Kw*KD*diA/dt
werden dann der Zentralsteuerung 2 zur Auswertung zur Verfügung gestellt.
In Figur 5b ist für eine alternative Meßwerterfassung und
-verarbeitung wiederum eine Meßeinrichtung 5 und eine Meßwertverarbeitungseinheit 6 dargestellt. Die
Meßeinrichtung 5 bestehe jedoch hier im Gegensatz zu der Meßeinrichtung aus Figur 5a aus einer Rogowski-Spule. Die
Elemente der Meßwertverarbeitungseinheit 6 sind in diesem Fall ein Tiefpaß 13, ein Multiplizierer 14 und ein
Multiplizierer/Integrator 15. Die Rogowski-Spule ist mit dem Eingang des Tiefpasses 13 verbunden, der Ausgang des
Tiefpasses 13 einerseits mit dem Multiplizierer 14 und andererseits mit dem Multiplizierer/Integrator 15. Sowohl
der Ausgang des Multiplizierers 14 als auch der des Multiplizierers/Integrators 15 liegen wiederum an der
Zentralsteuerung 2 aus Figur 1 an.
Mit Hilfe der Rogowski-Spule wird ein der Stromsteilheit diA/dt proportionaler Strom Kw*diA/dt erfaßt. Nach einer
Tiefpaßfilterung durch den Tiefpaß 13 wird der erfaßte Wert zum einen in dem Multiplizierer 14 mit einem Faktor
Kp multipliziert und zum anderen in dem Multiplizierer/Integrator 15 integriert sowie mit einem
Faktor K1 multipliziert. Der Ausgang des Multiplizierers
14 liefert also einen der Stromsteilheit diA/dt proportionalen Wert Kw*KP*diA/dt und der Ausgang des
Multiplizierers/Integrators 15 einen dem aktuellen Strom iA durch den Stromabschalter 1 proportionalen Wert
Kw*Ki*iA. Die beiden Werte Kw*KP*diA/dt und Kw+K1 + Ia w.erden
dann der Zentralsteuerung 2 zur Auswertung zur Verfügung gestellt.
Mit der Figur 6 wird schließlich die Funktion der Zentralsteuerung 2 aus Figur 1 erläutert. Die
Zentralsteuerung 2 steuert in diesem Beispiel im fehlerfreien Betrieb die Thyristoren des Stromabschalters
1 sowie die Löschbeschaltung im Falle eines von der Zentralsteuerung 2 erkannten Fehlerstroms. Die
Funktionsweise der Zentralsteuerung 2 beruht im wesentlichen auf einem Algorithmus zur
Kurzschlußerkennung, der verschiedene Eingangswerte, wie Werte proportional zu Strom iA und Stromsteilheit diA/dt
sowie unterschiedliche Schwellenwerte Pi, erhält und der
als Ausgangswerte Steuerimpulse CSA, CSQ zur Steuerung des
Stromabschalters 1 und des Löschkreises 2 ausgibt.
Zur Kurzschlußerkennung werden, wie oben beschrieben, entweder der Strom iA oder die Stromsteilheit diA/dt in
jeder zu schützenden Phase innerhalb der Anschlußpunkte des Löschkreises 3 gemessen. Ziel des Algorithmus zur
Erkennung eines Kurzschlusses ist insbesondere eine zuverlässige Fehlerstrombestimmung, insbesondere eines
Stoßkurzschlußstroms, bei gleichzeitiger Vermeidung von Fehlauslösung aufgrund transienter Vorgänge auf der
Leitung oder von Stromoberschwingungen. Die von der Meßwertverarbeitungseinheit 6 empfangenen Werte von Strom
iA und Stromsteilheit diA/dt werden über mehrere Meßpunkte
einer gleitenden Mittelwertbildung unterzogen. Liegt der Absolutwert des Stroms unterhalb einer minimalen
Stromschwelle Imin oder oberhalb einer maximalen
Stromschwelle Imax, so erfolgt keine Ansteuerung der
Löschbeschaltung. Für den Bereich BA möglicher Auslösung
gilt also Imin<
BA<Imax· Innerhalb von BA liegt die
Triggerschwelle Itrig, bei der ausgelöst wird, wenn diese
nach der Tiefpaßfilterung und der Mittelwertbildung für eine definierte Zeit Titrig überschritten wird. Liegt der
Stromabsolutwert in BA so kann weiterhin ausgelöst werden,
wenn nach Tiefpaßfilterung und Mittelwertbildung die Stromsteilheit diA/dt für eine definierte Zeit Tdi/dttrig
oberhalb der Stromsteilheitsschwelle di/dttrig liegt.
Erreicht ein Kurzschlußstrom Werte oberhalb der maximalen Stromschwelle Imax, was im Normalfall durch die
beschriebene Kurzschlußerkennung verhindert wird, so erfolgt eine Sperrung der Stromabschalter 1 ohne
Auslösung der Löschbeschaltung.
Alle Parameter können bei Bedarf den jeweiligen Netzverhältnissen angepaßt werden, wodurch einerseits
eine hinreichend schnelle Auslösung garantiert wird und andererseits durch Tiefpaßfilterung und Mittelwertbildung
ein Schutz vor Fehlauslösungen durch Fehlmessungen und transienten Vorgängen, die nicht durch Kurzschlüsse
hervorgerufen wurden (z.B. kapazitive Einschaltströme), gegeben ist. Bei Erfüllung der Auslösekriterien in einer
Phase kann entweder allphasig geschaltet werden, n-1-
-'ie*-
phasig bei isoliertem Netz oder mit einer zeitlichen Staffelung.
Das Auslösesignal wird je nach Anfordernissen des Stromabschalters 1 zeitgleich oder zeitlich gestaffelt an
die Stromabschalter 1 und die Löschbeschaltungen gegeben.
Claims (13)
1. Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen Energienetz,
- der aufweist
- für mindestens (n-1) Phasen in einem Hauptstromkreis
einen Stromabschalter (1) zur Unterbrechung des Phasenstroms im Fehlerstromfall und
- in einem Nebenstromkreis eine dem Stromabschalter (1) zugeordnete Löschbeschaltung (3) ,
- wobei die Löschbeschaltung (3)
- von einer stromistwerterfassenden Steuereinheit
(2,5,6) ansteuerbar ist und
- eine Brückenschaltung umfaßt, in deren Querzweig eine Reihenschaltung aus einem von einer Ladeeinrichtung
(4) aufgeladenen Löschkondensator (CQ) und einer
Begrenzungsdrossel (Lb) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- jeder der Brückenzweige der Brückenschaltung der Löschbeschaltung (3) mindestens ein schaltbares
Löschelement (TQpA, TQpB, TQnA, TQnB) umfaßt,
- die Steuereinheit (2,5,6) mit j.edem der schaltbaren
Löschelemente (TQpA, TQpB, TQnA, TQnB) verbunden ist und
- bei einem detektierten Fehlerstrom jeweils zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnete
Löschelemente (TQpA, TQnA bzw. TQpB, TQnB) derart
angesteuert werden, daß sich der Entladestrom des Löschkondensators (CQ) dem von dem Hauptstromkreis
abgezweigten Strom (iQ) im Nebenstromkreis gleichsinnig
überlagert.
2. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß
- zusätzlich zu den zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Löschelementen mindestens
ein weiteres Löschelement außerhalb dieser Brückenzweige derart angesteuert wird, daß innerhalb
der Löschbeschaltung (3) ein Freilaufstrompfad für den
Entladestrom des Löschkondensators (Cq) ausgebildet wird.
3. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß
- zusätzlich zu den zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordneten Löschelementen mindestens
zwei weitere Löschelemente außerhalb dieser Brückenzweige derart angesteuert werden, daß innerhalb
der Löschbeschaltung (3) zwei parallel zueinander angeordnete Freilaufstrompfade für den Entladestrom des
Löschkondensators (CQ) ausgebildet werden.
4. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Stromabschalter (1) mechanische oder leistungselektronische Schaltelemente sind.
5. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Stromabschalter (1) in jeder Phase durch eine antiparallele Schaltung von Thyristoren gebildet
werden.
6. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die mindestens vier schaltbaren Löschelemente (TqpA, TQpB,
TQnB) jeweils Thyristoren sind.
7. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- dem Löschkondensator (CQ) mindestens ein
Spannungsbegrenzendes Element (Vi), insbesondere ein ZnO-Varistor, parallelgeschaltet ist.
8. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
- bei Verwendung mehrerer spannungsbegrenzender Elemente
(Vi, V2) für diese Vorwiderstände (R1, R2) zum Ausgleich
von Streuungen der spannungsbegrenzenden Elemente (V1xV2) vorgesehen sind.
9. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Steuereinheit (2,5,6) Eingänge zur Eingabe von Parametern für eine differenzierte Erkennung des
Fehlerstromes aufweist.
10. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die von der Steuereinheit (2,5,6) erfaßten Stromistwerte mittels Stromwandler als Strom oder
mittels Rogowski-Spule als Stromsteilheit meßbar sind und
- die Steuereinheit (2,5,6) eine
Meßwertverarbeitungseinheit (6) zur Bestimmung des jeweils anderen Wertes aufweist.
11. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Löschbeschaltungen (3) der verschiedenen Phasen
eines Energienetzes derart angesteuert werden, daß ein Auslösesignal an alle Phasen gleichzeitig, mindestens
n-1-phasig bei isoliertem Netz, oder zeitlich gestaffelt ausgegeben wird.
12. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- er bei elektrischen Antrieben im kW- und/oder MW-Bereich oder bei einer dezentralen Energieeinspeisung
insbesondere bei Blockheizkraftwerken oder Windkraftanlagen eingesetzt wird.
13. Kurzschlußstrombegrenzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
- für die jede Phase innerhalb der Anschlußpunkte der Löschbeschaltung (3) gemessenen Werte des Stromes oder
der Stromsteilheit tiefpaßgefiltert werden
- ein gleitender Mittelwert (gemittelter Stromwert oder
gemittelte Stromsteilheit) aus den tiefpaßgefilterten Werten gebildet wird und
- falls der gemittelte Stromwert unterhalb einer vorgegebenen minimalen Stromschwelle Imln oder oberhalb
einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle Imii:<
liegt, keine Ansteuerung der Löschbeschaltung (3) erfolgt
- falls der gemittelte Stromwert in einem einen Bereich Ba liegt, für den gilt Imin
< Ba < Ima;<
, dann eine Ansteuerung der Löschbeschaltung (3) erfolgt, wenn zugleich
- der Strom eine vorgegebene Schwelle Itrig in Ba für
eine vorgegebene Zeit Titrig überschreitet oder
- die gemittelte Stromsteilheit für eine vorgegebene Zeit
über einer vorgegebenen Stromsteilheitsschwelle g liegt.
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1998
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