DE3520347A1

DE3520347A1 - Method for cutting off a short-circuit current having no zero crossings

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

Abstract

In the case of cutting off short-circuits in high-voltage systems, rather than, as in the past, proceeding from a fixed tripping time, which is calculated on the assumption of unfavourable conditions, for a power circuit breaker, the invention proposes that an individual tripping time (t3) be calculated in each case of a short-circuit which occurs at a time (t0) and is identified at a time (t1). For this purpose, it is proposed to sample the current behaviour (I) in an initial region (10) until a time (t2) and, using the data obtained from this, to adapt a mathematical model which is used for calculating the predicted theoretical time (t5) of the first zero crossing of an uninfluenced short-circuit current (8). Starting from the theoretical time (t5), the tripping time (t3) is calculated, taking into account the response time of the circuit breaker itself and any other influences. The actual first zero crossing occurs at a time (t4) which, if the tripping time (t3) is selected suitably, is before the theoretical time (t5). <IMAGE>

Description

Verfahren zum Abschalten eines Kurzschlußstromes mitProcedure for switching off a short-circuit current with

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.missing zero crossings The invention relates to a method for switching off a short-circuit current with missing zero crossings according to the preamble of claim 1. Such a method can be used, for example, for disconnection of short-circuits close to the generator in high-voltage systems. Such a situation is shown in FIG.

Fig. 1 zeigt einen Generator 1, der über einen Maschinentransformator 2 und eine Schaltanlage 3 in die Hochspannungsebene eines Stromversorgungssystems einspeist.Fig. 1 shows a generator 1, which via a machine transformer 2 and a switchgear 3 in the high voltage level of a power supply system feeds.

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.The switchgear 3 contains a busbar 4 and circuit breakers 5 in the feed line 6 and in the branch lines 7. With K are assumed Short-circuit locations designated.

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.The circuit breakers shown can only short-circuit currents during switch off a zero crossing of the alternating current. Should be overuse of the circuit breaker are to be avoided, all phase currents must have responded of the switch have zero crossings within a few periods of the alternating current. However, short-circuit currents, especially in the case of short-circuits close to the generator, can cause a assume a strongly asymmetrical course to the zero line. That means there is a high kick DC component of the short-circuit current, which only decays after some time, whereby it can take a few 10 to a few 100 ms for a first zero crossing of the short-circuit current occurs.

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.Typical curves of such short-circuit currents are shown in FIGS shown, with the current I plotted vertically and the time t horizontally.

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.Fig. 2 shows an unaffected current curve 8 in one of the three Phases, namely the phase with the maximum asymmetry. Uninfluenced current course means here that the current course is not influenced by the shutdown. In the example shown, an operating current 9 initially flows up to the point in time t0 a short circuit occurs, after which the current increases and asymmetrically to the zero line runs. A three-pole short-circuit with non-simultaneous Occurrence in the three phases of a three-phase system assumed, with the non-simultaneity causes a strong shift in the short-circuit current occurs in one of the phases. Fig. 3 shows the short-circuit current profile of all three phases in the first periods after the occurrence of the short circuit in the event of a fault with a two-pole short circuit with earth contact and subsequent transition to three-pole short circuit. Also in this An example is one of the currents, namely in phase R special strongly asymmetrical and only has the first zero crossing after more than 200ms.

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.As can be seen from Figures 2 and 3, the resulting Short-circuit current from a direct current of mostly different magnitudes in the individual phases and an alternating current together. The alternating current goes exponentially to the value of the continuous short-circuit current and the direct current sounds with a direct current time constant away. Only from the point in time when the direct current component is equal to or less as the AC amplitude of the short-circuit current has become, the short-circuit current has Zero crossings. In the event of a short circuit, these are the actual current curves depends on numerous influences, e.g. on the preload of the generator, of the type of short circuit and the result of the occurrence of the short circuit in the three phases.

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.This results in times of different lengths depending on the case of a short circuit until all phases have a zero crossing. However, assuming the calculate a maximum duration under unfavorable conditions and a safety margin and based on this, set the tripping time for the circuit breaker.

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.When determining the tripping time for a circuit breaker it is taken into account that by switching off the phases with zero crossings the DC component in the phase with the strongly asymmetrical short-circuit current faster decreases than in the undisturbed course. In addition, the switch can also have some periods lead the short-circuit current in the arc without the arcing chamber of the circuit breaker being overused. Due to these conditions, the release time can change some iOms are brought forward compared to the time of the natural zero crossing at unaffected course. However, if it is switched off too early, can, at the point in time at which the first current zero crossing occurs, the extinguishing capability of the switch is no longer fully given.

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.The arc resistance in the switch has - just like the resistance an arc at the fault location - a considerable influence on the short-circuit current curve after contact separation. The greater the arc resistance, the faster the direct current component of the short-circuit current decays. The resistance of the switching arc in the circuit breaker can be influenced by the number of arcing chambers. Ever The higher the number of arcing chambers, the higher the resistance of the switching arc. If, for example, a short switch-off time due to requirements from the protection technology is required, a certain number of arcing chambers must be provided. the The switch-off time is defined as the time between the occurrence of a fault and the Opening of the circuit breaker contacts.

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.More details on the problem of switching off short-circuit currents without zero crossings can be found in the following articles: "Asymmetrical Short-circuit currents of generators taking into account the arc when switching off ' Brown Boveri Mitteilungen, No. 5, 1974, pages 199 to 206 and "The switch off of short-circuit currents with no zero crossings due to high-voltage switches " Brown Boveri Mitteilungen, No. 4, 1980, pages 237 to 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.The present invention is based on this prior art the task is based on a procedure indicate that the use is cheaper Circuit breakers, i.e. switches with a smaller number of arc chambers made possible in comparison to a design according to known methods.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous refinements are given in the subclaims.

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.The solution according to the invention has the advantage that in each calculation of the earliest possible tripping time carried out in each individual short-circuit case In most short-circuit cases there is a significantly shorter switch-off time, than with a fixed tripping time. The time span is shown under the tripping time understood between the occurrence of a short circuit and the triggering time at which the switch receives a command to open the contacts. The with the invention The shorter switching times resulting from the procedure have a favorable effect on the times of others Switch in the power system and on the load of all from a short circuit affected components.

Nachstehend wird anhand eines in Fig. 4 dargestellten Beispiels das Verfahren erläutert.The following is based on an example shown in FIG Procedure explained.

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.All three phases R, S, T of the three-phase system are permanent with regard to the permissibility of the current flow is monitored. After just two samples that are outside a permissible range, a short-circuit current can be detected will. The sampling frequency should be above 1 KHz so that the time span between the time t0 of the occurrence of the short circuit and a time t1 at which the short circuit is established is sufficiently short. If a short circuit is detected, another scanning takes place in an initial area rich 10 up to a point in time t2, whereby the data required for the calculation are obtained the expected first zero crossing of the not influenced by switching off Short-circuit current 8 at a time t5. The sampling time up to time t2 is takes about half a period of the mains frequency.

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.The calculation of the time t5 for the first zero crossing with With the help of the data about the current curve in the initial area 10 up to time t2 is carried out in all three phases. This calculation is a mathematical one Model (generator model) to simulate the response of the high voltage system is based on the short-circuit case, which is initially available as a basic model and based on the Samples from the initial range 10 is adapted to the special case. Outgoing from time t5 the trigger time t3 for the shutdown is calculated. at The calculation of the tripping time t3 is based on the time t5 of the current curve in the phase that has the greatest asymmetry with respect to the zero line and thus has the longest duration up to the occurrence of time t5.

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.This phase with the greatest asymmetry is shown in FIG. As in FIGS. 2 and 3, the current I is plotted over time t.

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.After the tripping time t3, e.g. due to the switch drive conditional so-called switch operating time, after which the switch contacts open. As already described above, the actual current curve in Fig. 4 is as Current curve 11 shown - after Opening the contacts opposite the unaffected current curve 8 through the arc resistance and the earlier Zero crossings in the other phases changed, so that the actual first zero crossing and thus the switch-off takes place at a point in time t4.

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.According to one embodiment of the invention, such influences are on the current curve 11 in the algorithm for calculating the trigger time t3 included, whereby the release time t3 can be brought forward a little and the actual switch-off time t4 is well before the theoretical time t5. For the pre-calculation of the time t5 or the tripping time calculated back from it t3 is only the time span between time t2 (end of sampling) and the release time t3 available. The requirements can be derived from this derive from the computing power.

Claims

Claims 1. A method for switching off a short-circuit current with missing zero crossings in at least one of the phases of a high-voltage system, in which all phase currents are monitored with regard to the occurrence of a short-circuit current and if a short-circuit current is detected, a trip command is sent to a high-voltage circuit breaker is given, characterized in that - the course of the short-circuit current in all phases (I) is scanned in an initial area (10), - due to that short-circuit current, which has the greatest asymmetry to the zero line and based on a mathematical Model to simulate the reaction of the high-voltage system first the expected Time (t5) of the first zero crossing of the unaffected short-circuit current (8) is calculated, and - based on this, taking into account the breaker operating time and possibly other influences a trigger time (t3) is calculated, which is before the time (t5) of the first zero crossing.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the Calculation of the tripping time (t3) the influence of the arc resistance of the Switch is taken into account.

3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that when calculating the tripping time (t3) the influence of the disconnection of Phases with an earlier zero crossing are taken into account on the phase with the greatest asymmetry will.

4. The method according to any one of the preceding, characterized in that that the calculation of the time (t5) of the first zero crossing and the trigger time (t3) - is based on a basic model that is based on the scanning in the initial area (10) is adapted to the network conditions in each individual case.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in, that the sampling of the current (I) in the initial area (10) with a sampling frequency takes place, which is above one kilohertz.