DE3520347A1

DE3520347A1 - Verfahren zum abschalten eines kurzschlussstromes mit fehlenden nulldurchgaengen

Info

Publication number: DE3520347A1
Application number: DE19853520347
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. 6104 Seeheim Balzer
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1985-06-07
Filing date: 1985-06-07
Publication date: 1986-12-11

Description

Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlußstromes mit
fehlenden Nulldurchgängen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlußstromes mit fehlenden Nulldurchgängen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren kann z.B. angewendet werden zur Abschaltung von gneratornahen Kurzschlüssen in Hochspannungsanlagen. Eine derartige Situation ist in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Generator 1, der über einen Maschinentransformator 2 und eine Schaltanlage 3 in die Hochspannungsebene eines Stromversorgungssystems einspeist.
Die Schaltanlage 3 enthält eine Sammelschiene 4 und Leistungsschalter 5 in der Einspeiseleitung 6 und in den Abzweigleitungen 7. Mit K sind angenommene Kurzschlußorte bezeichnet.
Die dargestellten Leistungsschalter können Kurzschlußströme nur während eines Nulldurchganges des Wechselstromes abschalten. Soll eine Überbeanspruchung des Leistungsschalters vermieden werden, so müssen alle Phasenströme nach dem Ansprechen des Schalters innerhalb weniger Perioden des Wechselstromes Nulldurchgänge aufweisen. Kurzschlußströme, insbesondere bei generatornahen Kurzschlüssen, können jedoch einen stark asymmetrischen Verlauf zur Nullinie annehmen. Das heißt es tritt ein hoher Gleichstromanteil des Kurzschlußstromes auf, der erst nach einiger Zeit abklingt, wodurch es einige 10 bis einige 100 ms lang dauern kann bis ein erster Nulldurchgang des Kurzschlußstromes auftritt.
In den Figuren 2 und 3 sind typische Verläufe von solchen Kurzschlußströmen dargestellt, wobei vertikal der Strom I und horizontal die Zeit t aufgetragen sind.
Fig. 2 zeigt einen unbeeinflußten Stromverlauf 8 in einer der drei Phasen, und zwar der Phase mit der maximalen Asymmetrie. Unbeeinflußter Stromverlauf bedeutet hierbei, daß der Stromverlauf nicht durch die Abschaltung beeinflußt wird. Im dargestellten Beispiel fließt zunächst ein Betriebsstrom 9 bis zum Zeitpunkt t0 ein Kurzschluß eintritt, wonach der Strom ansteigt und asymmetrisch zur Nullinie verläuft. Als Fehlerfall wurde dabei ein dreipoliger Kurzschluß mit ungleichzeitigem Auftreten in den drei Phasen eines Drehstromsystems angenommen, wobei die Ungleichzeitigkeit bewirkt, daß eine starke Verlagerung des Kurzschlußstromes in einer der Phasen auftritt. Fig. 3 zeigt den Kurzschlußstromverlauf aller drei Phasen in den ersten Perioden nach Eintritt des Kurzschlusses in einem Fehlerfall mit einem zweipoligen Kurzschluß mit Erdberührung und nachfolgendem Übergang zum dreipoligen Kurzschluß. Auch in diesem Beispiel ist einer der Ströme, nämlich in der Phase R besonders stark asymmetrisch und hat erst nach mehr als 200ms den ersten Nulldurchgang.
Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, setzt sich der resultierende Kurzschlußstrom aus einem in den einzelnen Phasen meist verschieden großen Gleichstrom und einem Wechselstrom zusammen. Der Wechselstrom geht exponentiel auf den Wert des Dauerkurzschlußstromes zurück und der Gleichstrom klingt mit einer Gleichstromzeitkonstante ab. Erst von dem Zeitpunkt an, in dem der Gleichstromanteil gleich oder kleiner als die Wechselstromamplitude des Kurzschlußstromes geworden ist, weist der Kurzschlußstrom Nulldurchgänge auf. Im Kurzschlußfall sind die tatsächlich auftretenden Stromverläufe von zahlreichen Einflüssen abhängig, z.B. von der Vorbelastung des Generators, von der Kurzschlußart und der Folge des Auftretens des Kurzschlusses in den drei Phasen.
Damit ergeben sich je nach Kurzschlußfall unterschiedlich lange Zeiten bis alle Phasen einen Nulldurchgang aufweisen. Man kann jedoch unter Annahme der ungünstigen Verhältnissen und eines Sicherheitszuschlages eine maxi male Dauer berechnen und davon ausgehend den Auslösezeitpunkt für den Leistungsschalter festlegen.
Bei der Festlegung des Auslösezeitpunktes für einen Leistungsschalter wird berücksichtigt, daß durch die Abschaltung der Phasen mit Nulldurchgängen der Gleichstromanteil in der Phase mit dem stark asymmetrischen Kurzschlußstrom rascher abnimmt als im ungestörten Verlauf. Außerdem kann der Schalter auch einige Perioden den Kurzschlußstrom im Lichtbogen führen ohne daß die Löschkammer des Leistungsschalters überbeansprucht wird. Aufgrund dieser Verhältnisse kann der Auslösezeitpunkt um einige iOms vorverlegt werden, gegenüber dem Zeitpunkt des natürlichen Nulldurchganges bei unbeeinflußtem Verlauf. Wird allerdings zu früh abgeschaltet, kann zu dem Zeitpunkt, an dem der erste Stromnulldurchgang erfolgt, die Löschfähigkeit des Schalters bereits nicht mehr voll gegeben sein.
Der Lichtbogenwiderstand im Schalter hat - ebenso wie der Widerstand eines Lichtbogens am Fehlerort - einen erheblichen Einfluß auf den Kurzschlußstromverlauf nach der Kontakttrennung. Je größer der Lichtbogenwiderstand ist, desto rascher klingt der Gleichstromanteil des Kurzschlußstromes ab. Der Widerstand des Schaltlichtbogens im Leistungsschalter kann durch die Anzahl der Löschkammern beeinflußt werden. Je höher die Anzahl der Löschkammern ist, desto höher ist der Widerstand des Schaltlichtbogens. Wenn also z.B. aufgrund von Anforderungen aus der Schutztechnik eine kurze Ausschaltzeit verlangt wird, muß eine bestimmte Anzahl von Löschkammern vorgesehen werden. Die Ausschaltzeit ist dabei definiert als Zeit zwischen einem Fehlereintritt und dem Öffnen der Kontakte des Leistungsschalters.
Weitere Einzelheiten zum Problem des Abschaltens von Kurzschlußströmen ohne Nulldurchgänge können den nachstehenden Aufsätzen entnommen werden: "Asymmetrische Kurzschlußströme von Generatoren unter Berücksichtigung des Lichtbogens beim Ausschalten' Brown Boveri Mitteilungen, Heft 5, 1974, Seite 199 bis 206 und "Das Ausschalten von Kurzschlußströmen mit ausbleibenden Nulldurchgängen durch Hochspannungsschalter" Brown Boveri Mitteilungen, Heft 4, 1980, Seite 237 bis 243.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das den Einsatz preisgünstiger Leistungsschalter, d.h. von Schaltern mit einer geringeren Anzahl von Lichtbogenkammern ermöglicht im Vergleich zu einer Auslegung nach bekannten Verfahren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß durch die in jedem einzelnen Kurzschlußfall durchgeführte Berechnung des frühestmöglichen Auslösezeitpunktes sich in den meisten Kurzschlußfällen eine wesentlich geringere Ausschaltzeit ergibt, als bei einer festeingestellten Auslösezeit. Unter Auslösezeit wird die Zeitspanne zwischen Eintritt eines Kurzschlusses und dem Auslösezeitpunkt verstanden, zu dem der Schalter einen Befehl zum Öffnen der Kontakte erhält. Die sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden kürzeren Schaltzeiten wirken sich günstig auf die Zeiten anderer Schalter im Stromversorgungssystem und auf die Belastung aller von einem Kurzschluß betroffenen Komponenten aus.
Nachstehend wird anhand eines in Fig. 4 dargestellten Beispiels das Verfahren erläutert.
Alle drei Phasen R, S, T des Drehstromsystems werden dauernd hinsichtlich der Zulässigkeit des Stromverlaufs überwacht. Bereits nach zwei Abtastwerten, die außerhalb eines zulässigen Bereichs liegen, kann ein Kurzschlußstrom festgestellt werden. Die Abtastfrequenz sollte über 1 KHz liegen, damit die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t0 des Kurzschlußeintrittes und einem Zeitpunkt t1, zu dem der Kurzschluß festgestellt ist, ausreichend kurz ist. Wenn ein Kurzschlußfall festgestellt ist, erfolgt eine weitere Abtastung in einem Anfangsbe reich 10 bis zu einem Zeitpunkt t2, wodurch die erforderlichen Daten gewonnen werden zur Berechnung des voraussichtlichen ersten Nulldurchganges des nicht durch Abschalten beeinflußten Kurzschlußstromes 8 zu einem Zeitpunkt t5. Als Abtastzeit bis zum Zeitpunkt t2 wird ungefähr eine halbe Periode der Netzfrequenz benötigt.
Die Berechnung des Zeitpunktes t5 für den ersten Nulldurchgang mit Hilfe der Daten über den Stromverlauf im Anfangsbereich 10 bis zum Zeitpunkt t2 wird in allen drei Phasen durchgeführt. Dieser Berechnung liegt ein mathematisches Modell (Generatormodell) zur Nachbildung der Reaktion des Hochspannungssystems auf den Kurzschlußfall zugrunde, das zunächstals Grundmodell vorliegt und aufgrund der Abtastwerte aus dem Anfangsbereich 10 an den speziellen Fall angepaßt wird. Ausgehend vom Zeitpunkt t5 wird der Auslösezeitpunkt t3 für die Abschaltung berechnet. Bei der Berechnung des Auslösezeitpunkts t3 geht man von dem Zeitpunkt t5 des Stromverlaufs in derjenigen Phase aus, die die größte Asymmetrie gegenüber der Nullinie und damit die längste Dauer bis zum Eintritt des Zeitpunkts t5 aufweist.
Diese Phase mit der größten Asymmetrie ist in Figur 4 dargestellt. Wie bei den Figuren 2 und 3 ist der Strom I über der Zeit t aufgetragen.
Nach dem Auslösezeitpunkt t3 vergeht eine z.B. durch den Schalterantrieb bedingte sogenannte Schaltereigenzeit, nach der die Schalterkontakte öffnen. Wie bereits weiter oben beschrieben, wird der tatsächliche Stromverlauf -in Fig. 4 als Stromverlauf 11 dargestellt - nach dem Öffnen der Kontakte gegenüber dem unbeeinflußten Stromverlauf 8 durch den Lichtbogenwiderstand und die früheren Nulldurchgänge in den anderen Phasen verändert, so daß der tatsächliche erste Nulldurchgang und somit die Ausschaltung zu einem Zeitpunkt t4 erfolgt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden solche Einflüsse auf den Stromverlauf 11 in den Algorithmus zur Berechnung des Auslösezeitpunktes t3 einbezogen, wodurch der Auslösezeitpunkt t3 etwas vorverlegt werden kann und der tatsächliche Ausschaltzeitpunkt t4 deutlich vor dem theoretischen Zeitpunkt t5 liegt. Für die Vorausberechnung des Zeitpunktes t5 bzw. des daraus rückgerechneten Auslösezeitpunktes t3 steht lediglich die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t2 (Ende der Abtastung) und dem Auslösezeitpunkt t3 zur Verfügung. Daraus lassen sich die Anforderungen an die Rechenleistung ableiten.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlußstromes mit fehlenden Nulldurchgängen in wenigstens einer der Phasen eines Hochspannungssystems, bei dem alle Phasenströme bezüglich des Auftritts eines Kurzschlußstromes überwacht werden und bei Feststellung eines Kurzschlußstromes ein Auslosebefehl an einen Hochspannungsleistungsschalter gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß - in allen Phasen der Verlauf des Kurzschlußstromes (I) in einem Anfangsbereich (10) abgetastet wird, - aufgrund desjenigen Kurzschlußstromes, der die größte Asymmetrie zur Nullinie aufweist und unter Zugrundelegung eines mathematischen Modells zur Nachbildung der Reaktion des Hochspannungssystems zunächst der voraussichtliche Zeitpunkt (t5) des ersten Nulldurchgangs des unbeeinflußten Kurzschlußstromes (8) berechnet wird, und - davon ausgehend unter Berücksichtigung der Schaltereigenzeit und gegebenenfalls sonstiger Einflüsse ein Auslösezeitpunkt (t3) berechnet wird, der vor dem Zeitpunkt (t5) des ersten Nulldurchgangs liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Auslösezeitpunktes (t3) der Einfluß des Lichtbogenwiderstandes des Schalters berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Auslösezeitpunktes (t3) der Einfluß der Abschaltung von Phasen mit früherem Nulldurchgang auf die Phase mit der größten Asymmetrie berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden dadurch gekennzeichnet, daß der Berechnung des Zeitpunktes (t5) des ersten Nulldurchgangs und des Auslösezeitpunktes (t3)-ein Grundmodell zugrundeliegt, das aufgrund der Abtastung im Anfangsbereich (10) an die im Einzelfall vorliegenden Netzverhältnisse angepaßt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Stromes (I) im Anfangsbereich (10) mit einer Abtastfrequenz erfolgt, die über ein Kilohertz liegt.