Kurzschlussstrombegrenzer

Die Erfindung betrifft einen Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In elektrischen Stromkreisen, insbesondere zur Energieversor gung im Mittelspannungsbereich und im Hochspannungsbereich, kommt es beispielsweise bei Versagen einer Isolation zu Kurz schlüssen. Durch den Kurzschluss fließen große Ströme, die gegebenenfalls Betriebsmittel im Energieversorgungsnetz be schädigen oder zerstören können. Durch den Ausbau von dezent ralen Einspeiseanlagen kann der Kurzschlussstrom so weit an- steigen, dass die Bemessungswerte der bestehenden Betriebs mittel überschritten werden. Eine Möglichkeit, einen unzuläs sig hohen Kurzschlussstrom zu verhindern, ist der Einsatz von strombegrenzenden Geräten. Das Prinzip einiger kurzschluss strombegrenzender Geräte besteht darin, dass schnelle Unter brechereinheiten das Abschalten des Kurzschlussstroms gewähr leisten. Für den Normalbetrieb existiert dabei ein Nennstrom pfad, der im Kurzschlussfall geöffnet werden kann. Parallel zum Nennstrompfad befindet sich ein weiterer Strompfad mit einer Sicherung, beispielsweise einer Schmelzsicherung, die den Kurzschlussstrom abschalten kann.

Bei einem Kurzschluss wird der Nennstrompfad geöffnet, wodurch ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung be wirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Paral lelpfad mit der Sicherung, wodurch der Lichtbogen erlischt. Bei dieser Anordnung müssen die Impedanz des Parallelstrom pfades und die des Nennstrompfades aufeinander abgestimmt sein, um die Kommutierung des Kurzschlussstroms zu ermögli chen. Zudem sollte im Nennbetrieb der Strom durch die Siche rung nicht zu groß werden, damit die Sicherung nicht vorzei tig auslöst. Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz des Parallelstrompfades im Nennbetrieb, um die Si cherung nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Im pedanz im Kurzschlussfall, um den Strom im Parallelstrompfad kommutieren zu können.

Um diesem Zielkonflikt entgegenzutreten, gibt es Anwendungen, bei denen der Hauptstrompfad bei Auftreten eines Fehlers im Netz aufgesprengt wird. Dies führt zu einer sehr hohen Licht bogenspannung, die den Strom auch in den Parallelstrompfad mit einer vergleichsweisen hohen Impedanz kommutieren lässt. Die Sicherung im Parallelstrompfad muss den Strom so lange tragen, bis die Trennstrecke im Nennstrompfad die auftretende Spannung isolieren kann. Danach unterbricht die Sicherung den Strompfad und der Kurzschlussstrom ist ausgeschaltet. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen hohen technischen Auf wand, in sehr kurzer Zeit den Hauptstrompfad zu sprengen. Ei ne zusätzliche Sprengladung oder Sprengvorrichtung im Haupts trompfad ist erforderlich. Diese muss in sehr kurzer Zeit ge zündet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kurzschluss strombegrenzer bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik mit einem geringen technischen Aufwand dazu geeignet ist, dass in einem Kurzschlussfall der Stromfluss vom Nenns trompfad in Parallelstrompfad kommutiert.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Kurzschlussstrombe grenzer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Kurzschlussstrombegrenzer nach Patentan spruch 1 umfasst eine Unterbrechereinheit und eine hierzu pa rallel geschaltete Strombegrenzungseinheit. Die Strombegren zungseinheit umfasst dabei ein Sicherungselement. Die Erfin dung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strombegrenzungsein heit zudem ein Bauelement mit einer nichtlinearen Leitfähig keit umfasst, wobei dieses Bauelement mit dem Sicherungsele ment in Reihe geschaltet ist. Dabei befindet sich die Unter- brechereinheit in einem Nennstrompfad und das Sicherungsele ment mit dem in Reihe geschalteten Bauelement in einem Paral lelstrompfad .

Im Nennbetrieb ist der Kurzschlussstrombegrenzer in ein funk tionierendes Stromnetz eingebettet. Sowohl das Sicherungsele ment als auch die Unterbrechereinheit haben im Nennbetrieb einen niedrigen Widerstand, so dass sich der Strom auf beide Pfade aufteilen würde, wenn keine weiteren Maßnahmen getrof fen werden. Das zusätzliche Bauelement mit der nichtlinearen Leitfähigkeit hat bei niedrigen Spannungen, also bei geringem Widerstand im Nennstrompfad, einen hohen Widerstand und ver hindert, dass im Nennbetrieb ein signifikanter Anteil des Stromes durch die Begrenzungseinheit fließt. Beim Auftreten eines Fehler- oder Kurzschlussstroms werden die Kontakte der Unterbrechereinheit im Nennstrompfad geöffnet. Durch den Stromanstieg und vor allem durch die auftretende Lichtbogen spannung in der Unterbrechereinheit zwischen den zwei Kontak ten überschreitet die dort auftretende Spannung die Schwel lenspannung des nichtlinearen Bauelementes. Dieses nichtline are Bauelement wird oberhalb der Schwellenspannung niederoh mig und der Strom kommutiert in den Parallelstrompfad.

Der bisher bestehende Zielkonflikt, die Impedanz des Siche rungselementes im Nennbetrieb möglichst hoch auslegen zu müs sen, fällt durch die beschriebene Erfindung weg. Durch die starke Nichtlinearität der Strom-Spannungskennlinie des Bau elementes wird ein Stromfluss durch den Parallelstrompfad im Normalbetrieb nahezu verhindert. Somit fällt die unerwünschte Anforderung, die Sicherung auf den Maximalstrom auszulegen, weg und die Impedanz der Sicherung kann so gering wie möglich gewählt werden. Das in Serie geschaltete Sicherungselement muss daher nicht auf einen Dauerstrom ausgelegt werden, wie dies bei Geräten gemäß des Standes der Technik notwendig ist. Auch kann auf eine technisch aufwendige Sprengvorrichtung für den Nennstrompfad verzichtet werden. In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement. Hierzu ist insbesondere eine Diode, ein Thyristor, ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Ga te-Elektrode, englisch insulated-gate bipolar transistor) , ein IGCT (integrated gate-commutated thyristor) oder ein Feldeffekttransistor geeignet. Besonders bevorzugt ist eine Diode geeignet, da diese kostengünstig darstellbar ist.

Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom in eine Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Unter einem Thyristor wird ein einschalt- bares Bauelement, insbesondere Halbleiterbauelement verstan den, was bedeutet, dass der Thyristor in einem Ausgangszu stand nichtleitend ist und durch einen kleinen Strom an einer Elektrode, einer Gateelektrode eingeschaltet wird. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom bis zum nächsten Stromnulldurchgang leitend.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Strombegrenzungseinheit mindestens zwei antiparallel ge richtete Bauelemente auf. Dies ermöglicht eine Anwendung der beschriebenen Erfindung in einem Wechselspannungskreis. Je nach vorherrschender Stromrichtung ist immer ein Bauelement in Sperr- bzw. Durchgangsrichtung geschaltet. Es hat sich da bei herausgestellt, dass hierbei zwei antiparallel geschalte te Dioden besonders vorteilhaft sind, da die auftretende Spannung über dem geschlossenen Nennstrompfad unterhalb der Vorwärtsspannung einer Diode liegt. Jedoch auch alle anderen genannten möglichen Bauelemente können in dieser beschriebe nen antiparallelen Schaltung eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist der Kurzschluss strombegrenzer in der Art ausgestaltet, dass der zu begren zende Kurzschlussstrom II zwischen 10 Kiloampere und 80 Kilo ampere, insbesondere zwischen 10 Kiloampere und 50 Kiloampere liegt. Hierbei handelt es sich um vergleichsweise große Strö me, die bei einem entsprechenden Kontaktsystem mit einem ge ringen Kontaktwiderstand zu einem geringen Spannungsfall füh- ren, wobei auch die entsprechenden Bauelemente mit einer re lativ geringen Schwellenspannung ausgestaltet sein können. Dabei ist es ferner zweckmäßig, dass der Spannungsfall Ull über der Unterbrechereinheit kleiner ist als die Schwellen spannung des nichtlinearen Bauelementes. Erst wenn die

Schwellenspannung des Bauelementes überschritten ist, kommu- tiert der Strom in den Parallelstrompfad.

Besonders zweckmäßig ist die Anwendung einer Vakuumschaltröh re im Nennstrompfad, da hierbei geringe Kontaktwiderstände realisiert werden können und gleichzeitig eine hohe Schaltge schwindigkeit erreicht werden kann.

Die Schwellenspannung des Bauelementes liegt bevorzugt in ei nem Bereich von 0,1 Volt und 1,5 Volt, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,2 Volt und 0,8 Volt. In diesem Span nungsbereich sind kostengünstige Bauteile erhältlich, die ge gebenenfalls auch in Reihe hintereinander geschaltet sein können. Dabei können auch jeweils zwei antiparallele Bauteile in Reihe hintereinander geschaltet sein.

Der Kontaktwiderstand der Unterbrechereinheit des Kurz schlussstrombegrenzers liegt korrespondierend mit dem flie ßenden Strom und der abfallenden Spannung bevorzugt zwischen 5 mW und 200 mW, besonders bevorzugt zwischen 10 mW und 60 mW .

Besonders bevorzugt ist der Kurzschlussstrombegrenze für den Einsatz in einem Hochspannungs- oder Mittelspannungsnetz aus gelegt .

Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere vor teilhafte Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um reine schematische Ausge staltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen .

Dabei zeigen: Figur 1 ein Schaltbild eines Kurzschlussstrombegrenzers mit einer Unterbrechereinheit und einem Sicherungsele ment gemäß des Standes der Technik,

Figur 2 einen Kurzschlussstrombegrenzer mit einer Unterbre chereinheit und einer Strombegrenzungseinheit um fassend ein Sicherungselement und ein weiteres Bau element,

Figur 3 ein Ersatzschaltbild für den Kurzschlussstrombe

grenzer gemäß Figur 2 und

Figur 4 ein Ersatzschaltbild gemäß Figur 3 bei geöffneter

Unterbrechereinheit .

In Figur 1 ist ein Kurzschlussstrombegrenzer nach dem Stand der Technik abgebildet. Dieser umfasst zum einen einen Nenn strompfad 12, der durch eine Unterbrechereinheit 4 unter brechbar ist. Bei der Unterbrechereinheit 4 handelt es sich gemäß dem Stand der Technik in der Regel um einen Einmal- Schalter mit Gasisolationsstrecke. Ferner umfasst der Strom begrenzer 2 einen Parallelstrompfad 14, in dem eine Strombe grenzungseinheit 6 angeordnet ist, die im Wesentlichen ein Sicherungselement 8 umfasst. Bei einem Kurzschlussfall wird der Nennstrompfad 12 geöffnet, wobei ein Lichtbogen entsteht. Die Lichtbogenspannung bewirkt eine vollständige Kommutierung des Stroms in den Parallelstrompfad 14 mit dem Sicherungsele ment 8, wobei der Lichtbogen erlischt und das Sicherungsele ment beginnt aufzuschmelzen. Das Sicherungselement beginnt erst mit der Strombegrenzung, wenn der Nennstrompfad durch die Unterbrechereinheit sicher isoliert ist. Dabei ist es notwendig, dass die Impedanz des Parallelstrompfades und die des Nennstrompfades entsprechend aufeinander abgestimmt sind, damit die Kommutierung im Kurzschlussfall vom Nennstrompfad 12 in den Parallelstrompfad 14 erfolgt. Eine weitere Heraus forderung bei der Auswahl des Sicherungselementes und der da raus entstehenden Impedanz besteht darin, dass im Nennbetrieb der Strom, der durch das Sicherungselement 8 fließt, nicht zu hoch wird, damit das Sicherungselement nicht bereits während des Nennbetriebs durch Aufschmelzen zerstört wird.

Somit besteht ein Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Impedanz im Parallelstrompfad relativ zum Nennstrompfad, um Sicherungen nicht zu überlasten und einer möglichst geringen Impedanz relativ zum Nennstrompfad bei einem auftretenden Kurzschlussfall, um den Strom in den Parallelstrompfad kommu- tieren zu lassen.

Dieser Zielkonflikt wird dadurch gelöst, dass gemäß Figur 2 mindestens ein Bauelement 1 0 mit einer nichtlinearen Leitfä higkeit in Serie zum Sicherungselement 8 und als Bestandteil der Strombegrenzungseinheit 6 parallel zum Nennstrompfad 12 geschaltet ist. In der Abbildung gemäß Figur 2 sind zwei Dio den 1 1 , 13 antiparallel geschaltet und bilden somit das Bau element 1 0 . Somit ist auch in einer Wechselstromanwendung ge währleistet, dass je nach Stromrichtung die jeweiligen Teil bauelemente des Bauelementes 1 0 , in dem Beispiel gemäß Figur 2 die Dioden 1 1 oder 13 in eine Richtung entlang des Paral lelstrompfades 14 leiten. In Figur 2 ist in der Grundstellung der Nennbetrieb des Kurzschlussstrombegrenzers 2 dargestellt, die Unterbrechereinheit 4 ist geschlossen, weshalb der Strom fluss entlang des Nennstrompfades 12 erfolgt. Hierbei fällt aufgrund eines Kontaktwiderstandes R eine Spannung Un ab, die allerdings aufgrund des geringen Kontaktwiderstandes R, der bevorzugt im Bereich zwischen 5 mW und 2 0 0 mW , besonders bevorzugt zwischen 1 0 mW und 60 mW liegt, relativ gering ist. Die Spannung Un liegt dabei zwischen 0 , 1 Volt und 1 , 5 Volt, bevorzugt zwischen 0 , 2 Volt und 0 , 8 Volt. Dieser gerin ge Widerstand und die dadurch geringe abfallende Spannung führen dazu, dass ein relativ hoher Stromfluss erfolgen kann. Der Strom Ii, der bei Nennbetrieb entlang des Nennstrompfades 12 fließt, kann zwischen 0 , 8 kA und 4 kA, bevorzugt zwischen 1 kA und 4 kA liegen. Dabei errechnet sich die Nennspannung Un über die Gleichung Gleichung 1 Un = Ri x Ii.

Der Widerstand Ri ergibt sich dabei aus der Summe des Kon taktwiderstandes zwischen zwei hier nicht dargestellten Kon takten und dem Widerstand des Anschlusses bzw. der Kontakt bolzen der Unterbrechereinheit 4, die bevorzugt in Form einer Vakuumschaltröhre ausgestaltet ist, sowie der Widerstand der Anschlussleitungen. Das Bauelement 10, das gemäß Figur 2 in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden 11 und 13 aus gestaltet ist, weist dabei eine Schwellenspannung oder

Schleusenspannung U ₁₅ auf, die im Nennbetrieb höher ist, als die Nennspannung Un, die aufgrund des Kontaktwiderstandes entlang der Unterbrechereinheit 4 abfällt.

Gleichung 2 Un < U

Solange diese Bedingung erfüllt ist, sperrt die Diode 11 oder die Diode 13 den Parallelstrompfad 14, sodass kein oder nur ein sehr geringer Strom vom Nennstrompfad 12 in den Paral lelstrompfad 14 kommutieren kann. Somit kann das Sicherungs element 8 mit einer relativ geringen Impedanz ausgestaltet sein, sodass der Strom im Kurzschlussfall und bei Überschrei ten der Schwellenspannung U ₁₅ in den Parallelstrompfad 14 kommutieren kann.

In Figur 3 ist ein Ersatzschaltbild der Darstellung gemäß Fi gur 2 gegeben, in dem die Impedanz Z, die Spannung Un und U ₁₅ sowie die Stromflüsse Ii und der noch zu beschreibende Strom fluss I2 dargestellt ist. Der Stromfluss I3 beschreibt den Netzstromfluss, der je nach Schaltzustand des Kurzschluss strombegrenzers 2 sich in die Ströme Ii und I ₂ aufteilt.

In Figur 4 ist das Auftreten eines Fehlers oder Kurzschluss stromes dargestellt, bei dem die Unterbrechereinheit 4 in sehr kurzer Zeit, insbesondere weniger als 3 ms öffnet, wodurch zwischen zwei hier nicht dargestellten Kontakten der Unterbrechereinheit 4 ein Lichtbogen entsteht. Durch diesen auftretenden Lichtbogen entsteht auch eine Lichtbogenspannung U12, die höher ist, als die Schwellenspannung U15 des Bauele mentes 10. Das heißt die Nennspannung Un steigt durch den Stromanstieg und den Lichtbogen so stark an, dass sie zur Spannung U12 wird und die Schwellenspannung U15 des Bauelemen tes 10 überschritten wird, was dazu führt, dass die Diode 11 oder die Diode 13 in Abhängigkeit der Strompolarität des Wechselstroms leitend wird und der Strom I3 in Form des Stro mes I2 in den Parallelstrompfad 14 kommutiert. Wenn der Strom im Hauptstrompfad Ii nahe null ist, erlischt der Lichtbogen. Sobald die Trennstrecke der Unterbrechereinheit ihre Span nungsfestigkeit erreicht hat, schmilzt das Sicherungselement und begrenzt den Kurzschlussstrom.

Anstelle von Dioden 11 und 13 können auch aktivgesteuerte Bauelemente, wie Thyristoren, Funkenstrecken oder Triggered Vacuum Switches verwendet werden. Grundsätzlich können auch IGBTs oder IGCTs, sowie Feldeffekttransistoren zum Einsatz kommen. Der Vorteil an Dioden besteht darin, dass diese ge genüber den genannten aktiven Bauelementen relativ günstig sind und selbst Dioden 11, 13 mit relativ geringen Schwellen spannungen von 0,3 V bis 4 V anwendbar sind. Dies liegt wie derum daran, dass auch der Kontaktwiderstand Ri, der über den Kontakt in der Unterbrechereinheit 4, insbesondere in der Va kuumschaltröhre, abfällt, ebenfalls sehr gering ist, was wie derum den Einsatz einer Diode mit einer geringen Schwellen spannung ermöglicht. Sollte der Kontaktwiderstand höher sein oder aus einem anderen Grund die Schwellenspannung U15 der Diode 11, 13 oder eines ähnlichen Bauelementes 10 nicht aus reichend sein, so können diese Bauelemente 10 entlang des Pa rallelstrompfades 14 in Reihe geschaltet werden. Bei der An wendung von Wechselstrom sollten dann wiederum jeweils anti parallel geschaltete Bauelemente, analog der Dioden 11 und 13 in Reihe entlang des Nennstrompfades 14 geschaltet sein.

Gemäß des Standes der Technik müssen jeweils die Impedanzen des Parallelstromkreises 14 als Kompromiss für die Nennbedin gung und für die Stromkommutierung ausgelegt sein. Durch die beschriebene Anordnung, die auf der starken Nichtlinearität der Bauelementkennlinien, insbesondere der Diodenkennlinien beruht, wird ein zu großer Stromfluss I ₂ durch den Parallels trompfad 14 im Nennbetrieb verhindert. Somit fällt die Rand bedingung des Maximalstroms im Nennbetrieb für das Siche- rungselement 8 weg und die Impedanz des Sicherungselementes kann so gering wie möglich ausgelegt werden. Typische Schwel lenspannungen U ₁₅ von herkömmlichen Dioden 11, 13 befinden sich in derselben Größenordnung wie der Spannungsfall in ei ner Unterbrechereinheit 4, insbesondere in einer Vakuum- schaltröhre bei typischen Nennströmen im Mittelspannungsnet zen und Hochspannungsnetzen. Somit kann bei der beschriebenen Anordnung auf kostengünstige herkömmlich erhältliche Bauele mente 10, insbesondere Dioden 11 und 13 zurückgegriffen wer den, was die beschriebene Anordnung gegenüber dem Stand der Technik besonders kostengünstig macht.

Bezugszeichenliste

2 Kurzschlussstrombegrenzer

4 Unterbrechereinheit

6 Strombegrenzungseinheit

8 Sicherungselement

Ri Kontaktwiderstand

Uu Nennspannung

Ul2 LichtbogenSpannung

Ui3 KommutierungsSpannung

Ul4 BegrenzungsSpannung

Ul5 Schwellspannung Bauelement z Impedanz Parallelstrompfad

11 Nennstrom

I ₂ Kommutierström

1 ₃ Netzstromfluss

10 Bauelement

11 Diode

12 Nennstrompfad

13 Diode

14 Parallelstrompfad