DE29819621U1 - Kurzschlußstrombegrenzer für die Begrenzung von Fehlerströmen in einem elektrischen Energienetz - Google Patents

Description

SC/ar 97443G
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 6^th 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.

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 I_min oder oberhalb einer vorgegebenen einer Stromschwelle I_max liegt, nie eine Ansteuerung der Löschbeschaltung erfolgt, und

- falls der gemittelte Stromwert in einem einen Bereich Ba liegt, für den gilt I_min < B_a < I_ma;, , dann eine Ansteuerung der Löschbeschaltung erfolgt, wenn

- der Strom eine vorgegebene Schwelle I_trig in B_a für eine vorgegebene Zeit T_itrig überschreitet

- oder die gemittelte Stromsteilheit für eine vorgegebene Zeit Tdidtti-ig über einer vorgegebenen Stromsteilheitsschwelle di/dt_trig liegt.

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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 i_L komplett als Strom i_A über den Stromabschalter 1 geführt, durch den Löschkreis 3 fließt kein Strom. Die Meßeinrichtung 5 erfaßt ständig den Strom i_A, der durch den Stromabschalter 1 fließt und stellt den Meßwert der Meßwertverarbeitungseinheit 6 zur Verfügung. In der Meßwertverarbeitungseinheit 6 wird aus dem

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gemessenen Strom i_A zusätzlich die aktuelle Stromsteilheit di_A/dt berechnet. Die beiden Werte von i_A und di_A/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 i_A und der aktuellen Stromsteilheit di_A/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 i_L 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 S_L 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

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(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 S_L 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 T_LA und T_LB gebildet wird. Dabei führt Thyristor T_LA jeweils den Strom i_A in der in Figur 1 eingezeichneten Richtung und Thyristor T_LB in der entgegengesetzten Richtung. Die Ansteuerung der beiden Thyristoren T_LA, T_LB 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) T_QpB, T_QpA, T_QnA/ T_QnB vor, von denen jeweils einer in einem Zweig einer Brückenschaltung angeordnet ist. Dabei sind die vier Thyristoren T_QpB, T_QpA, T_QnA, T_QnB in ihrer Durchlaßrichtung so geschaltet, daß bei Zündung jeweils von zwei Thyristoren (T_QpA/T_QriA 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) L_b und eines Löschkondensators C_Q

vorgesehen. In dem dargestellten Beispiel sind dem Löschkondensator C₂ zusätzlich zweimal ein ZnO-Varistor V_a bzw. V₂ jeweils in Reihe mit einem Widerstand Ri bzw. R₂ parallelgeschaltet. Die Reihenschaltung bestehend aus der Induktivität L_b und dem Löschkondensator C_Q ist desweiteren an eine Ladeeinrichtung angeschlossen.

Die dem Löschkondensator C_Q 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 C_Q wird über die Ladeeinrichtung derart auf einen definierten Spannungswert U_Cqo aufgeladen, daß an dem Löschkondensator C_Q 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 i_A die beiden Löschthyristoren T_QpA und T_QnA, bei negativer Stromrichtung von i_A die beiden Löschthyristoren T_QpB und T_QnB durchschalten. Auf diese Weise bildet der Nebenstromkreis mit der Löschbeschaltung 3 eine dem Stromabschalter 1 parallelgeschaltete, durchgehend

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leitende Verbindung, über die nun ein Teil des Laststromes i_L (d.h. des Fehlerstroms) fließt, wodurch der Strom i_A durch den Stromabschalter 1 reduziert wird. Zusätzlich kann sich nun der vorgeladene Löschkondensator C₂ über die Begrenzungsdrossel L_b und die weiterhin in Reihe liegenden parasitären Impedanzen entladen. Der Entladestrom des Löschkondensators C_Q hat die gleiche Richtung wie der übernommene Teil des Laststroms i_L und überlagert sich mit diesem verstärkend zu einem Gesamtstrom i_c. Der von dem Nebenstromkreis übernommene Teil des Laststroms i_L 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 i_L überlagert, so daß sich schließlich ein Gesamtstrom von Null durch den Stromabschalter 1 ergibt. Der Strom i_A 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 C_Q in seiner Polarität umgeladen, so daß sich nun eine Gegenspannung am Kondensator C_Q 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 Tq_pä, T_QnA bzw. T_Qp_B,T_QnB und der Vorgang ist beendet.

Nach einem zweiten, alternativen Steuerverfahren zünden wiederum im Fall eines Zündsignals an die Löschbeschaltung bei positiver Stromrichtung des Stromes

i_A die Löschthyristoren T_feA und T_QnA und bei negativer Stromrichtung des Stromes i_A die Löschthyristoren &Tgr;_{&Ogr;&rgr;&Bgr;} und T_QnB durch. Wie in dem ersten Steuerverfahren folgt eine Entladung des Löschkondensators C_Q und eine Kommutierung des Stroms i_A von dem Stromabschalter 1 auf den Nebenstromkreis. Sobald der Strom i_A 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 C_Q sich in einem Kreisstrom innerhalb der Löschbeschaltung entlädt.

Auf diese Weise wird vermieden, daß die noch im Löschkondensator C_Q gespeicherte Restenergie, die für die komplette Kommutierung des Laststroms i_L 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 i_A 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 i_L 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 i_A und Stromsteilheit di_A/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 i_A durch den Stromabschalter 1 proportionaler Strom K_w*i_A erfaßt. Nach einer Tiefpaßfilterung durch den Tiefpaß 10 wird der Strom K_w*i_A zum einen in dem Multiplizierer 12 mit einem Faktor Kp multipliziert und zum anderen in dem Multiplizierer/Differenzierer 11 differenziert und mit einem Faktor K_D multipliziert. Der Ausgang des Multiplizierers 12 liefert also einen dem Strom i_A proportionalen Wert K_w*K_P*i_A und der Ausgang des Multiplizierers/Differenzierers 11 einen der aktuellen Stromsteilheit di_A/dt im Stromabschalter 1 proportionalen Wert K_w*K_D*di_A/dt. Die beiden Werte K&ldquor;*K_P*i_A und K_w*K_D*di_A/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 di_A/dt proportionaler Strom K_w*di_A/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 di_A/dt proportionalen Wert K_w*K_P*di_A/dt und der Ausgang des Multiplizierers/Integrators 15 einen dem aktuellen Strom i_A durch den Stromabschalter 1 proportionalen Wert K_w*Ki*i_A. Die beiden Werte K_w*K_P*di_A/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 i_A und Stromsteilheit di_A/dt sowie unterschiedliche Schwellenwerte Pi, erhält und der als Ausgangswerte Steuerimpulse CS_A, CS_Q zur Steuerung des Stromabschalters 1 und des Löschkreises 2 ausgibt.

Zur Kurzschlußerkennung werden, wie oben beschrieben, entweder der Strom i_A oder die Stromsteilheit di_A/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 i_A und Stromsteilheit di_A/dt werden über mehrere Meßpunkte einer gleitenden Mittelwertbildung unterzogen. Liegt der Absolutwert des Stroms unterhalb einer minimalen Stromschwelle I_min oder oberhalb einer maximalen Stromschwelle I_max, so erfolgt keine Ansteuerung der Löschbeschaltung. Für den Bereich B_A möglicher Auslösung gilt also I_mi_n< B_A<I_max· Innerhalb von B_A liegt die Triggerschwelle Itrig, bei der ausgelöst wird, wenn diese nach der Tiefpaßfilterung und der Mittelwertbildung für eine definierte Zeit T_itrig überschritten wird. Liegt der Stromabsolutwert in B_A so kann weiterhin ausgelöst werden, wenn nach Tiefpaßfilterung und Mittelwertbildung die Stromsteilheit di_A/dt für eine definierte Zeit T_di/_dttrig oberhalb der Stromsteilheitsschwelle di/dt_tri_g liegt.

Erreicht ein Kurzschlußstrom Werte oberhalb der maximalen Stromschwelle I_max, 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-

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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)

SC/ar 97443G 29. Oktober 1998 SCHUTZANSPRÜCHE

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 (C_Q) und einer Begrenzungsdrossel (L_b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- jeder der Brückenzweige der Brückenschaltung der Löschbeschaltung (3) mindestens ein schaltbares Löschelement (T_QpA, T_QpB, T_QnA, T_QnB) umfaßt,

- die Steuereinheit (2,5,6) mit j.edem der schaltbaren Löschelemente (T_QpA, T_QpB, T_QnA, T_QnB) verbunden ist und

- bei einem detektierten Fehlerstrom jeweils zwei in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnete Löschelemente (T_QpA, T_QnA bzw. T_QpB, T_QnB) derart angesteuert werden, daß sich der Entladestrom des Löschkondensators (C_Q) dem von dem Hauptstromkreis abgezweigten Strom (i_Q) 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 (C_Q) 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 (Tq_pA, T_QpB, T_QnB) jeweils Thyristoren sind.

7. Kurzschlußstrombegrenzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- dem Löschkondensator (C_Q) 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 (V_1xV₂) 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 I_mln oder oberhalb einer vorgegebenen maximalen Stromschwelle I_mii:< liegt, keine Ansteuerung der Löschbeschaltung (3) erfolgt

- falls der gemittelte Stromwert in einem einen Bereich Ba liegt, für den gilt I_min < B_a < I_ma;< , dann eine Ansteuerung der Löschbeschaltung (3) erfolgt, wenn zugleich

- der Strom eine vorgegebene Schwelle I_trig in B_a für eine vorgegebene Zeit T_itrig überschreitet oder

- die gemittelte Stromsteilheit für eine vorgegebene Zeit

über einer vorgegebenen Stromsteilheitsschwelle g liegt.