DE3904214A1 - Method for limiting a short-circuit current flowing through a high-voltage mains power supply - Google Patents

Method for limiting a short-circuit current flowing through a high-voltage mains power supply

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DE3904214A1 DE19893904214 DE3904214A DE3904214A1 DE 3904214 A1 DE3904214 A1 DE 3904214A1 DE 19893904214 DE19893904214 DE 19893904214 DE 3904214 A DE3904214 A DE 3904214A DE 3904214 A1 DE3904214 A1 DE 3904214A1
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Abstract

The device for limiting a short-circuit current flowing through a high-voltage mains contains a fast-switchable high-voltage switch (H). This high-voltage switch (H) is arranged in the current path (In) of the short-circuit current. In addition, a limitation element is provided which, when the short-circuit current is produced, produces an electrical voltage which is directed against the mains voltage of the high-voltage mains. This device should, despite comparatively simple construction from mass-producible components, guarantee efficient limitation of the short-circuit current. This is achieved in that the limitation element is electrically in parallel with the high-voltage switch (H) and is formed by a multistage network (N) of current-limiting low-voltage switches (for example 100, 110). <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Vorrichtung zum Begrenzen eines in einem Hochspannungsnetz fließenden Kurz­ schlußstroms gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention is based on a device for Limiting a short flowing in a high-voltage network final current according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik von Strombegrenzungsvorrichtungen in Hoch­ spannungsnetzen wie dies etwa aus EP-01 83 015 A 1 bekannt ist. Bei den bekannten Strombegrenzungsvorrichtungen wird ein in einem Energieübertragungsnetz auftretender Kurzschlußstrom begrenzt durch Erhöhung der Reaktanz einer Drosselspule in­ folge einer kurzschlußstrombedingten Entsättigung eines ferromagnetischen Kerns. Bei Hochspannungsnetzen mit Betriebs­ spannungen größer 1 kV bedingt dies jedoch vergleichsweise große und daher aufwendige Reaktanzen.With this preamble, the invention relates to one State of the art of high current limiting devices voltage networks such as is known from EP-01 83 015 A1. In the known current limiting devices, an in short-circuit current occurring in an energy transmission network limited by increasing the reactance of a choke coil in follow a desaturation due to short-circuit current ferromagnetic core. For high-voltage networks with operation however, voltages greater than 1 kV are comparatively necessary large and therefore complex reactances.

Aus DE 25 39 831 A1 sind vorzugsweise im Bereich von Nieder­ spannungen, d.h. bei Betriebsspannungen kleiner 1 kV, arbei­ tende Strombegrenzungsvorrichtungen bekannt, bei denen ein zwischen Schaltstücken der Strombegrenzungsvorrichtungen ge­ bildeter Schaltlichtbogen in eine den Schaltlichtbogen in Teillichtbögen auftrennende Löschvorrichtung geführt wird. Hierdurch wird eine hohe Impedanz erreicht, welche zusammen mit einem temperaturabhängigen Widerstand einen Kurzschluß­ strom wirkungsvoll begrenzt.From DE 25 39 831 A1 are preferably in the area of Nieder tensions, i.e. at operating voltages less than 1 kV, working Ending current limiting devices known in which a between contacts of the current limiting devices ge switching arc formed in a switching arc in Extinguishing device separating partial arcs is performed. This achieves a high impedance, which together  a short circuit with a temperature dependent resistor current effectively limited.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Begrenzen eines in einem Hochspannungsnetz fließenden Kurzschlußstroms anzugeben, welche trotz vergleichsweise einfachen Aufbaus aus serienmäs­ sig erhältlichen Komponenten eine wirkungsvolle Begrenzung des Kurzschlußstroms ermöglicht.The invention as defined in claim 1 solves the task of a device for limiting one in one To specify the high-voltage network flowing short-circuit current, which despite the comparatively simple construction from series available components an effective limitation of the Short-circuit current allows.

Die erfindungsgemäße Strombegrenzungsvorrichtung erlaubt durch geeignete Verkoppelung einer größeren Zahl von serienmäßig erhältlichen Niederspannungsschaltern eine wir­ kungsvolle Begrenzung eines in einem auf Betriebsspannungen größer 1 kV ausgelegten Hochspannungsnetz fließenden Kurz­ schlußstroms. Sie ist durch einfachen und kompakten Aufbau ausgezeichnet.The current limiting device according to the invention allows by appropriately coupling a larger number of standard low-voltage switches a we Limited limitation of one in one to operating voltages High-voltage network flowing short greater than 1 kV final current. It is simple and compact in structure excellent.

Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen die beiden Figuren Schaltschemen zweier Ausführungs­ formen der erfindungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung. The invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained in more detail. Here the two figures show circuit diagrams of two versions shape the current limiting device according to the invention.  

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung bezeichnet C eine breitbandig ausgelegte Stromerfassungseinheit, mit der ein durch einen Hochspannungsschalter H eines Hochspannungsnetzes fließender Strom erfaßt wird. Die Stromerfassungseinheit C ist mit einer Detektionslogik L verbunden, welcher ihrerseits mit einer auf schnellschaltbare Kontakte des Hochspannungs­ schalters H wirkenden schnellen Kontaktöffnungsvorrichtung D in Verbindung steht. Elektrisch parallel zum Hochspannungs­ schalter H liegt ein von einem zweistufigen Netzwerk N von strombegrenzenden Niederspannungsschalten 100, 200, 300, 110, 120, 130, 210, 220, 230, 310, 320 und 330 gebildetes Begrenzungselement.In the embodiment of the current limiting device according to the invention shown in FIG. 1, C denotes a broadband current detection unit with which a current flowing through a high-voltage switch H of a high-voltage network is detected. The current detection unit C is connected to a detection logic L , which in turn is connected to a fast contact opening device D acting on fast-switching contacts of the high-voltage switch H. Electrically parallel to the high-voltage switch H is a limiting element formed by a two-stage network N of current-limiting low-voltage switches 100 , 200 , 300 , 110 , 120 , 130 , 210 , 220 , 230 , 310 , 320 and 330 .

In einer ersten Stufe des Netzwerkes N sind drei zueinander in Serie geschaltete Niederspannungsschalter 100, 200, 300 vorge­ sehen. Die Serienschaltung dieser drei Niederspannungsschalter liegt elektrisch parallel zum Hochspannungsschalter H. An­ stelle von drei Niederspannungsschaltern können auch zwei, vier oder gegebenenfalls sogar eine noch höhere Anzahl von Niederspannungsschaltern miteinander in Serie geschaltet sein.In a first stage of the network N , three low-voltage switches 100 , 200 , 300 connected to one another in series are provided. The series connection of these three low-voltage switches is electrically parallel to the high-voltage switch H. Instead of three low-voltage switches, two, four or possibly even an even higher number of low-voltage switches can also be connected in series with one another.

In einer zweiten Stufe des Netzwerkes sind drei Gruppen N 1, N 2 bzw. N 3 von zueinander in Serie geschalteten Niederspannungs­ schaltern 110, 120 und 130, 210, 220 und 230 bzw. 310, 320 und 330 vorgesehen. Jede dieser Gruppen, z.B. die Gruppe N 1, liegt elektrisch parallel zu jeweils einem, z.B. 100, der Niederspannungsschalter 100, 200 bzw. 300. Auch in dieser Stufe können anstelle von drei, zwei, vier oder gegebenenfalls sogar noch mehr Niederspannungsschalter miteinander in Serie geschaltet sein.In a second stage of the network, three groups N 1 , N 2 and N 3 of low-voltage switches 110 , 120 and 130 , 210 , 220 and 230 or 310 , 320 and 330 connected in series with one another are provided. Each of these groups, for example the group N 1 , is electrically parallel to one, for example 100 , of the low-voltage switches 100 , 200 or 300 . In this stage too, instead of three, two, four or possibly even more low-voltage switches, they can be connected in series with one another.

Die Niederspannungsschalter sind im wesentlichen gleich ausge­ bildet und weisen Kontakte auf, welche bei Auftreten eines durch sie hindurchfließenden Kurzschlußstromes durch elektrodynamische Kräfte geöffnet und nach Stromunterbrechung mit einer kurzen einstellbaren Verzögerung wieder geschlossen werden. Solche Niederspannungsschalter weisen üblicherweise Schaltkammern von ca. 0,5 l Volumen auf und beherrschen Ströme in der Größenordnung von 20 kA. Bei einem Abschaltvorgang können sie innerhalb 1-2 ms nach Stromanstieg eine Bogenspannung von der Größenordnung 500 V aufbauen.The low voltage switches are essentially the same forms and have contacts, which occur when a  short-circuit current flowing through them Electrodynamic forces opened and after a power cut closed again with a short adjustable delay will. Such low voltage switches usually have Switching chambers with a volume of approx. 0.5 l and master currents in the order of 20 kA. During a shutdown they can be switched on within 1-2 ms after the current increases Build up an arc voltage of the order of 500 V.

Diese Strombegrenzungsvorrichtung wirkt wie folgt:This current limiting device works as follows:

Die Detektionslogik L erkennt aus einem von der Stromerfas­ sungseinheit C abgegebenen Ausgangssignal, etwa durch Ver­ gleich mit einem Grenzsignal, ob in einem den Hochspannungs­ schalter H enthaltenden Strompfad In ein Kurzschlußstrom fließt. Ca. 0,5 ms nach Auftreten des Kurzschlußstromes gibt sie ein Ausgangssignal an die Kontaktöffnungsvorrichtung D ab. Innerhalb weiterer 0,5 ms ab Auftreten des Kurzschlußstroms werden nun die Kontakte des Hochspannungsschalters H soweit geöffnet, daß ein dabei gezogener Schaltlichtbogen eine Span­ nung von mehreren hundert, vorzugsweise mehr als 250 Volt aufweist.The detection logic L recognizes from an output signal emitted by the current detection unit C , for example by comparison with a limit signal, whether a short-circuit current flows in a current path containing the high-voltage switch H. Approx. 0.5 ms after the occurrence of the short-circuit current, it outputs an output signal to the contact opening device D. Within a further 0.5 ms from the occurrence of the short-circuit current, the contacts of the high-voltage switch H are now opened to such an extent that a switching arc drawn thereby has a voltage of several hundred, preferably more than 250 volts.

Der abzuschaltende Kurzschlußstrom, getrieben durch diese Spannung, kommutiert nun in die von den zunächst noch geschlossenen Niederspannungsschaltern 100, 200 und 300 gebildete erste Stufe des als Begrenzungselement wirkenden Netzwerks N. Diese Kommutation ist nach ca. 0,5 ms abgeschlossen. Damit wird der Strompfad I n stromlos. Der gesamte Kurzschlußstrom fließt durch die Niederspannungsschalter 100, 200 und 300 der ersten Stufe des Netzwerkes N. Dieser Stromfluß führt zu einem elektrodynamisch bedingten Öffnen der Kontakte dieser Niederspannungsschalter und somit zu einer Kommutation des Kurzschlußstroms in einen durch die Niederspannungsschalter 110, 120, 130, 210, 220, 230, 310, 320 und 330 gebildeten und parallel zu I n liegenden Strompfad. The short-circuit current to be switched off, driven by this voltage, now commutates into the first stage of the network N which acts as a limiting element and is formed by the initially still closed low-voltage switches 100 , 200 and 300 . This commutation is completed after approx. 0.5 ms. The current path I n is thus de-energized. The entire short circuit current flows through the low voltage switches 100 , 200 and 300 of the first stage of the network N. This current flow leads to an electrodynamically induced opening of the contacts of these low-voltage switches and thus to a commutation of the short-circuit current into a current path formed by the low-voltage switches 110 , 120 , 130 , 210 , 220 , 230 , 310 , 320 and 330 and lying parallel to I n .

Hierbei ist es zweckmäßig, daß jeweils Gruppen N 1, N 2 bzw. N 3 von drei in Serie geschalteten Niederspannungsschaltern 110, 120 und 130, 210, 220 und 230 bzw. 310, 320 und 330 parallel zu jedem der Niederspannungsschalter 100, 200 bzw. 300 der ersten Stufe liegen. Da die Niederspannungsschalter beim Öffnen jeweils eine Begrenzungsspannung von ca. 500 V aufbauen können, ist die Kommutation von der ersten in die zweite Stufe auch dann noch ohne weiteres möglich, wenn vier oder mehr Niederspannungsschalter in jeder der Gruppen N 1, N 2 bzw. N 3 miteinander in Serie geschaltet sind. Die Kommutation von der ersten in die zweite Stufe ist nach ca. 1-2 ms abgeschlossen. Der nun durch die Niederspannungsschalter der zweiten Stufe des Netzwerkes fließende Kurzschlußstrom öffnet durch elektrodynamische Kräfte deren Konakte. Die hierbei gebildeten neun in Serie geschalteten Lichtbögen bauen eine Spannung von ca. 4,5 kV auf. Diese Spannung begrenzt in einem Hochspannungsnetz von 4,5 kV Betriebsspannung den Kurz­ schlußstrom.It is appropriate that groups N 1 , N 2 and N 3 of three low-voltage switches 110 , 120 and 130 , 210 , 220 and 230 or 310 , 320 and 330 connected in series to each of the low-voltage switches 100 , 200 and 300 of the first stage. Since the low-voltage switches can build up a limit voltage of approx. 500 V each when opened, commutation from the first to the second stage is still possible even if four or more low-voltage switches in each of the groups N 1 , N 2 or N 3 are connected in series. The commutation from the first to the second stage is completed after approx. 1-2 ms. The short-circuit current now flowing through the low-voltage switches of the second stage of the network opens their contacts through electrodynamic forces. The nine arcs connected in series build up a voltage of approx. 4.5 kV. This voltage limits the short-circuit current in a high-voltage network of 4.5 kV operating voltage.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Strombegrenzungsvorrichtung läßt sich ein Span­ nungsaufbau von ca. 18 KV erreichen, bei Verwendung von je­ weils vier Niederspannungsschaltern in der ersten Stufe und in jeder Gruppe der zweiten Stufe sogar von ca. 32 kV, ein Wert, der für ein 24-kV-Netz ausreicht. Zu diesem Zweck weist die Strombegrenzungsvorrichtung nach Fig. 2 eine dritte Stufe von Niederspannungsschaltern 111, 112, 113, 114 usw. auf. Diese Niederspannungsschalter sind in Gruppen, z.B. N 1′, miteinander in Serie geschaltet. Jede Gruppe, z.B. N 1′, liegt jeweils elektrisch parallel zu einem Niederspannungsschalter, z.B. 110, der zweiten Stufe. Bei dieser Ausführungsform ist es von besonderer Bedeutung, daß die einzelnen Stufen möglichst induktivitätsarm aufgebaut sind, um so rasche Kommutationen von einer Stufe zur nächsthöheren Stufe zu ermöglichen. Bei der ersten Stufe wird dies durch eine längs einer Geraden er­ streckte Anordnung der Niederspannungsschalter 100, 200 und 300 erreicht. Bei der zweiten Stufe hingegen werden die in den einzelnen Gruppen, z.B. N 1, vorgesehenen Niederspannungsschal­ ter 110, 120, 130 unter Bildung eines in einer Ebene liegenden Mäanders miteinander verbunden. Die in den Gruppen, z.B. N 1′, der dritten Stufe liegenden Niederspannungsschalter werden hierbei vorzugsweise in Ebenen angeordnet, die parallel zuein­ ander verlaufen und senkrecht auf der die Niederspannungs­ schalter der zweiten Stufe enthaltenden Ebene stehen. Hier­ durch wird es möglich, die Niederspannungsschalter, z.B. 111 und 114 bzw. 112 und 113, jeder Gruppe, z.B. N 1′, der dritten Stufe paarweise zueinander antiparallel zuschalten. Dies be­ dingt eine Verstärkung der das Öffnen der Kontakte der Nieder­ spannungsschalter der dritten Stufe bewirkenden Abstoßungs­ kräfte und damit eine erhebliche Verkürzung der zum Aufbau der strombegrenzenden Spannung erforderlichen Zeit.With the embodiment of the current limiting device according to the invention shown in FIG. 2, a voltage build-up of approximately 18 KV can be achieved using four low-voltage switches each in the first stage and in each group of the second stage even of approximately 32 kV Value that is sufficient for a 24 kV network. For this purpose, the current limiting device according to FIG. 2 has a third stage of low voltage switches 111 , 112 , 113 , 114 etc. These low-voltage switches are connected in series with one another in groups, for example N 1 '. Each group, for example N 1 ', is in each case electrically in parallel with a low-voltage switch, for example 110 , of the second stage. In this embodiment, it is of particular importance that the individual stages are constructed with as little inductance as possible in order to enable rapid commutations from one stage to the next higher stage. In the first stage, this is achieved by extending the low-voltage switch 100 , 200 and 300 along a straight line. In the second stage, on the other hand, the low-voltage switches 110 , 120 , 130 provided in the individual groups, for example N 1 , are connected to one another to form a meander lying in one plane. The lying in the groups, for example N 1 ', the third stage low-voltage switch are preferably arranged in levels that run parallel to each other and are perpendicular to the level containing the low-voltage switch of the second stage. This makes it possible to switch the low-voltage switches, eg 111 and 114 or 112 and 113 , of each group, eg N 1 ', of the third stage in pairs antiparallel to each other. This requires an increase in the opening forces of the contacts of the low voltage switches of the third stage repelling forces and thus a considerable reduction in the time required to build up the current-limiting voltage.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Begrenzen eines in einem Hochspannungs­ netz fließenden Kurzschlußstroms mit einem im Pfad (In) des Kurzschlußstroms angeordneten Hochspannungsschalter (H) und einem bei Auftreten des Kurzschlußstroms eine der Netzspannung des Hochspannungsnetzes entgegengesetzt gerichtete elektrische Spannung erzeugenden Begren­ zungselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungselement elektrisch parallel zum Hochspannungsschalter (H) liegt und von einem mehrstufigen Netzwerk (N) von Niederspannungsschaltern (z.B. 100) gebildet ist.1. A device for limiting a short-circuit current flowing in a high-voltage network with a high-voltage switch ( H ) arranged in the path ( In ) of the short-circuit current and an element generating the opposite voltage to the mains voltage of the high-voltage network when the short-circuit current occurs, characterized in that the Limiting element is electrically parallel to the high-voltage switch ( H ) and is formed by a multi-stage network ( N ) of low-voltage switches (eg 100 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer elektrisch parallel zum Hochspannungsschalter (H) liegenden ersten Stufe des Netzwerks (N) mindestens zwei erste Niederspannungsschalter (z.B. 100, 200) einer ersten Gruppe von Niederspannungsschaltern zueinander in Serie geschaltet sind, und daß in einer zweiten Stufe der Anzahl der ersten Niederspannungsschalter entsprechende zweite Gruppen (N 1, N 2, N 3) von zueinander in Serie geschalteten zweiten Niederspannungsschaltern (z.B. 110, 120, 130) vorgesehen sind, von denen jede Gruppe (z.B. N 1) jeweils parallel zu einem der ersten Niederspannungsschalter (100) liegt.2. Device according to claim 1, characterized in that in an electrically parallel to the high-voltage switch ( H ) lying first stage of the network ( N ) at least two first low-voltage switches (eg 100 , 200 ) of a first group of low-voltage switches are connected to one another in series, and that in a second stage the number of first low-voltage switches corresponding second groups ( N 1 , N 2 , N 3 ) of second low-voltage switches (eg 110 , 120 , 130 ) connected in series are provided, each group (eg N 1 ) each lies parallel to one of the first low-voltage switches ( 100 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dritten Stufe der Anzahl der zweiten Niederspannungsschalter (z.B. 110) entsprechende dritte Gruppen (z.B. N 1′) von zueinander in Serie geschalteten dritten Niederspannungsschaltern (z.B. 111, 112) vorgesehen sind, von denen jede Gruppe (N 1′) jeweils parallel zu einem der zweiten Niederspannungsschalter (z.B. 110) liegt. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in a third stage the number of second low-voltage switches (eg 110 ) corresponding third groups (eg N 1 ') of third low-voltage switches connected in series (eg 111 , 112 ) are provided by which each group ( N 1 ') lies in parallel to one of the second low-voltage switches (eg 110 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in weiteren Stufen jeweils der Anzahl der Niederspannungsschalter einer unmittelbar vorhergehenden Stufe entsprechende Gruppen von zueinander in Serie geschalteten weiteren Niederspannungsschaltern vorgesehen sind, von denen jede Gruppe jeweils parallel zu einem der Niederspannungsschalter der unmittelbar vorhergehenden Stufe liegt.4. The device according to claim 3, characterized in that in further stages the number of Low voltage switch of an immediately preceding one Level corresponding groups of each other in series switched further low voltage switches provided are, of which each group is parallel to one of the Low voltage switch of the immediately preceding one Level is. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in mindestens einer der zweiten Gruppen (z.B. N 1) vorgesehen zweiten Niederspannungsschalter (z.B. 110) unter Bildung eines in einer ersten Ebene liegenden Mäanders miteinander verbunden sind, und daß die der mindestens einen zweiten Gruppe (z.B. N 1) zugeordneten dritten Gruppen (z.B. N 1′) von dritten Niederspannungsschaltern (z.B. 111) jeweils in senkrecht auf der ersten Ebene stehenden und zueinander parallel verlaufenden zweiten Ebene angeordnet sind.5. The device according to claim 3, characterized in that the provided in at least one of the second groups (for example N 1 ) second low voltage switch (for example 110 ) are interconnected to form a meander lying in a first plane, and that the at least a second Group (eg N 1 ) assigned third groups (eg N 1 ') of third low-voltage switches (eg 111 ) are each arranged in a second plane that is perpendicular to the first plane and runs parallel to one another. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederspannungsschalter (z.B. 111, 114) der dritten Gruppen (N 1′) jeweils paarweise zueinander antiparallel geschaltet sind.6. The device according to claim 5, characterized in that the low voltage switches (eg 111 , 114 ) of the third groups ( N 1 ') are each connected in pairs antiparallel to each other.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD221895A1 (en) * 1983-09-20 1985-05-02 Inst Prueffeld Elekt METHOD AND DEVICE FOR CURRENT COMBUSTION, ESPECIALLY SHORT-TERM STREAMS
EP0183015A1 (en) * 1984-10-31 1986-06-04 BBC Brown Boveri AG Current-limiting device

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