WO1999017415A1 - Leistungsschaltereinrichtung zur energieversorgung und -verteilung - Google Patents

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Erhard Baltzer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • Circuit breaker device for power supply and distribution
  • the invention relates to a circuit breaker device, in particular for low and medium voltage networks, for energy supply and distribution.
  • the object on which the invention is based is to provide a concept for realizing a circuit breaker device in which the effort for the control in both air-insulated and m gas-insulated systems is considerably reduced and, in particular n gas-insulated systems, gas-tight, mechanically complex bushings for controlling the Circuit breakers are unnecessary. According to the invention, this is achieved by features 1.1.
  • the circuit breaker device contains a semiconductor switch,
  • the high-temperature superconducting current limiter is connected to a quench detector
  • REPLACEMENT BLADE (RULE 26) 1.4 the quench detector acts on control electronics in such a way that when a voltage drop at the current limiter is detected by means of the control electronics, the semiconductor switch controls the blocking state directly
  • the invention is based on the knowledge of short-circuit current limitation with superconducting current limiters n in conjunction with circuit breaker devices, in particular the
  • liquid nitrogen present for the current limiter can also be used to cool the semiconductors.
  • the semiconductor switch is formed from controllable semiconductors (thyristors).
  • the semiconductor switch can thereby be controlled in a particularly simple manner from the conductive state to the non-conductive state or vice versa.
  • the operating voltage of the circuit breaker devices can be realized by connecting the semiconductor switches in series. Circuit breakers for various operating voltages can thus be manufactured.
  • the operating current of the circuit breaker devices can be realized by a parallel connection of semiconductor switches. This allows circuit breakers to be designed for a wide range of different operating currents and operating voltages.
  • the circuit breaker device LS contains the semiconductor switch HS, which forms a series circuit with the high-temperature superconducting current limiter SB.
  • the high-temperature superconducting current limiter SB is connected to a quench detector QD, which influences the downstream control electronics SE with its output signal in the event of a transition from the superconducting state to the normally conducting state in such a way that when a voltage drop is detected at the current

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -verteilung. Die Leistungsschaltereinrichtung enthält einen Halbleiterschalter (HS), dem ein hochtemperatur-supraleitender Strombegrenzer (SB) nachgeschaltet ist. Der Strombegrenzer (SB) steht mit einem Quenchdetektor (QD) in Verbindung, der derart auf eine Steuerelektronik (SE) einwirkt, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer (SB) der Halbleiterschalter (HS) unmittelbar in den Sperrzustand gesteuert ist. Die Leistungsschaltereinrichtung wird zur Energieversorgung und -verteilung, insbesondere in Nieder- und Mittelspannungsnetzen, eingesetzt.

Description

Beschreibung
Leistungsschaltereinrichtung zur Energieversorgung und -Verteilung
Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -Verteilung.
In den Nieder- und Mittelspannungsnetzen sind bisher zur
Energieversorgung und -Verteilung luft- und gasisolierte Leistungsschalter eingesetzt. Zur Ein- und Ausschaltung dieser Leistungsschalter sind mechanisch betätigte Antriebe vorgesehen, die, insbesondere m Bezug auf die gasisolierten Anla- gen, mittels gasdichter Durchfuhrungen auf die Leistungsschalter einwirken.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Konzept zur Realisierung einer Leistungsschaltereinrichtung anzugeben, be dem der Aufwand für die Steuerung sowohl in luft- als auch m gasisolierten Anlagen erheblich reduziert ist und, insbesondere n gasisolierten Anlagen, gasdichte, mechanisch aufwendige Durchfuhrungen zur Steuerung der Leistungsschalter entbehrlich sind. Erfmdungsgemaß wird dies durch die Merkmale 1.1 die Leistungsschaltereinrichtung enthalt einen Halbleiterschalter,
1.2 dem Halbleiterschalter ist ein hochtemperatur-supraleitender Strombegrenzer nachgeschaltet,
1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer steht mit einem Quenchdetektor m Verbindung,
ERSATZBLÄIT (REGEL26) 1.4 der Quenchdetektor wirkt derart auf eine Steuerelektronik ein, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer mittels der Steuerelektronik der Halblei- terschalter unmittelbar m den Sperrzustand gesteuert
erreicht .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine Kurzschlußstrombegrenzung mit supraleitenden Strombegrenzern n Verbm- düng mit Leistungsschaltereinrichtungen, insbesondere der
Nieder- und Mittelspannungstechnik, zu nutzen. Der Effekt der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer, beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand (Quench) den Widerstandswert des Materials zu verandern, ist m einem Artikel der Fachzeitschrift „etz, Heft 12/1997, Seite 36, 37 beschrieben und dient im Zusammenhang mit der erfinderischen Leistungsschaltereinrichtung direkt zur Steuerung des Schaltelements, das durch die Unterbrechung des Stromflusses die Abschaltung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz bewirkt. Als erfindungswesentlich ist darüber hinaus anzusehen, daß die Leistungsschaltereinrichtung als Schaltelement statt des mechanisch zu betätigenden Schaltkontaktes einen Halbleiterschalter vorsieht, der im Zusammenwirken mit dem Quenchdetektor m sehr kurzer Zeit ohne mechanisch zu betätigende Schaltgestange in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden kann. Durch die kurze Reaktionszeit der Halbleiterschal- ter ist die Eigenerwärmung der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer gegenüber den herkömmlichen, mechanisch gesteuerten Leistungsschaltereinrichtungen erheblich reduziert. Bei einem etwa linearen Zusammenhang zwischen der Erwärmung und der Ruckkuhlzeit der supraleitenden Strombegrenzer er-
ERSATZBLÄΓT (REGEL 26) niedπgt sich bei einer Reduzierung der normalleitenden
Stromflußdauer bei mechanisch steuerbaren Leistungsschaltereinrichtungen von ca. 50 ms (Millisekunden) bei elektronisch steuerbaren Halbleiterschaltern auf ca. 10 ms, so daß sich die Ruckkuhlzeit dementsprechend von 1 s (Sekunde) auf 0,2 s verringert.
Unterbrechungszeiten von 200 ms als Folge eines Kurzschlusses sind m den Netzen der Nieder- und Mittelspannungstechnik noch zulassig, so daß die Anwendung dieser Strombegrenzer allgemein m Schaltkreisen der Energieversorgung und -Verteilung möglich ist.
Halbleiterschalter der verschiedensten Arten wurde wegen der hohen Verlustleistungen bisher für diese Anwendungszwecke j e- doch nicht eingesetzt
Im Zusammenhang mit den hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzern und einem schnell reagierenden Quenchdetektor ist, wie bereits ausgeführt, eine sehr kurze Ruckkuhlzeit des Strombegrenzers erreichbar, so daß die Aufwendungen zur Kuh- lung der Halbleiterschalter in einem wirtschaftlich vertretbaren Rahmen liegen.
Bei entsprechender Positionierung kann zur Kühlung der Halbleiter auch der für den Strombegrenzer vorhandene flussige Stickstoff verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Merkmal
2.1 der Halbleiterschalter ist aus steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) gebildet, vorgesehen.
ERSATZBLÄTT (REGEL26) Der Halbleiterschalter kann dadurch besonders einfach vom leitenden Zustand m den nicht leitenden Zustand bzw. umgekehrt gesteuert werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal
3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für verschiedene Betriebsspannungen herstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht das Merkmal
4.1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen st durch eine Parallelschaltung von Halbleiterschaltern realisierbar, vor. Damit lassen sich Leistungsschalter für ein breites Spektrum von unterschiedlichen Betriebsstromen und Betriebsspannungen konzipieren.
Die Erfindung wird durch ein figürlich dargestelltes Ausfuh- rungsbeispiel naher erläutert, m dem lediglich die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Schaltelemente dargestellt sind. Die Leistungsschaltereinrichtung LS enthalt den Halbleiter- Schalter HS, der mit dem hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer SB eine Reihenschaltung bildet. Der hochtemperatur- supraleitende Strombegrenzer SB ist mit einem Quenchdetektor QD verbunden, der mit seinem Ausgangssignal im Fall des Überganges vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zu- stand die nachgeschaltete Steuerelektronik SE derart beeinflußt, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombe-
ERSATZBLAH (REGEL26) grenzer SB der Halbleiterschalter HS unmittelbar in den
Sperrzustand geschaltet ist. Mit dieser Schaltmaßnahme werden sowohl der Strombegrenzer SB als auch die nicht dargestellten Verbraucher vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz abgeschal- tet .
Im Gegensatz zu den konventionellen Kurzschlußstrombegrenzern, beispielsweise realisiert durch schnelle Schalter, sind bei dem erfindungsgemäßen Leistungsschaltereinrichtungen keine zusätzlichen Einrichtungen zur Fehlererkennung und zur Auslösung des Strombegrenzers SB erforderlich. Das Verfahren arbeitet reversibel und ohne Austausch von Komponenten nach einem Ansprechen im Kurzschlußfall. Die reversible Wirkungsweise der hochtemperatur-supraleitenden Strombegrenzer SB ermöglicht darüber hinaus die automatische Wiederaufhebung der Abtrennung vom Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz, nachdem der Fehlerzustand, beispielsweise ein Kurzschlußstrom, beseitigt ist .

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsschaltereinrichtung, insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsnetze, zur Energieversorgung und -Verteilung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Merkmale
1.1 die Leistungsschaltereinrichtung (LS) enthalt einen Halbleiterschalter (HS) ,
1.2 dem Halbleiterschalter (HS) ist ein hochtemperatur- supraleitender Strombegrenzer (SB) nachgeschaltet, 1.3 der hochtemperatur-supraleitende Strombegrenzer (SB) steht mit einem Quenchdetektor (QD) in Verbindung, 1.4 der Quenchdetektor (QD) wirkt derart auf eine Steuerelektronik (SE) ein, daß beim Erkennen eines Spannungsabfalls am Strombegrenzer (SB) mittels der Steuerelek- tronik (SE) der Halbleiterschalter (HS) unmittelbar m den Sperrzustand gesteuert ist.
2. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal 2.1 der Halbleiterschalter (HS) ist aus steuerbaren Halbleitern (Thyristoren) gebildet.
3. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1 und den Patentansprüchen 1 und 2, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal
3.1 die Betriebsspannung der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Reihenschaltung der Halbleiterschalter (HS) realisierbar.
4. Leistungsschaltereinrichtung nach Patentanspruch 1, den Patentansprüchen 1 und 2 und den Patentansprüchen 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h das Merkmal .1 der Betriebsstrom der Leistungsschaltereinrichtungen (LS) ist durch eine Parallelschaltung von Halbleiterschaltern (HS) realisierbar.
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