DE4438593B4

DE4438593B4 - Anordnung zum Löschen von Störlichtbögen zwischen Leitern in Schaltanlagen oder Schienenverteilern

Info

Publication number: DE4438593B4
Application number: DE4438593A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Stade; Holger Suchi; Axel Klaus
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: DE4438593A1

Abstract

Anordnung zum Löschen von Störlichtbögen zwischen Leitern in Schaltanlagen oder Schienenverteilern zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen, mit
• einem Kurzschließer (TKS), der mindestens zwischen zwei kurzzuschließende oder zu erdende Leiter (L1, L2, L3) angeordnet ist,
• mit einer Erkennereinrichtung (LE), die bei Erkennung eines Störlichtbogens den Kurzschließer (TKS) und einen Leistungsschalter (LS) zur Trennung vom Netz aktiviert,
• wobei der Kurzschließer (TKS) mit einem oder mehreren Leistungsthyristoren (T1, T2, T3) aufgebaut ist und jeweils zu einem Thyristor oder Thyristorpaar wechselstromtechnisch eine Drossel (LK) in Reihe geschaltet ist,
• wobei die Drossel (LK) derart dimensioniert ist, dass zum einen der Thyristor-Herstellergrenzwert für den kritischen Stromanstieg di/dtcrit nicht erreicht wird und zum andern der vom Kurzschluss-Strom an der Drossel (LK) verursachte Spannungsabfall deutlich unter der Brennspannung des Störlichtbogens liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Löschen von Störlichtbögen zwischen Leitern in Schaltanlagen oder Schienenverteilern zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen.

Insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen kann es durch immer höhere Leistungsdichten, Fehlschaltungen, Fehlhandlungen des Bedienpersonals, Überspannungen oder Geräteversagen zur Ausbildung von Störlichtbögen kommen.

Die Begrenzung von Kurzschluss-Strömen mit induktiven Bauteilen ist bekannt; so beispielsweise in der DD 82 991 A . Weiterhin wird in der DE-OS 2111154 vorgeschlagen, eine Induktivität in Reihe mit einer Kurzschließvorrichtung zu schalten, die Induktivität ist jedoch nur dazu bestimmt, mit einem Filterkondensator zu schwingen, so daß bei der Polaritätsumkehrung von Halbleitern, die nicht Teil der Kurzschließvorrichtung sind, diese selbsttätig löschen.

Um Verletzungen von Personen und Materialschäden durch Störlichtbögen zu reduzieren, ist es bekannt, in der Verteilung von Elektrizität besonders schnelle Störlichtbogen-Schutzvorrichtungen anzusteuern, die aus Leistungsthyristoren bestehen, die einen definierten Kurzschluß verursachen, der jedoch für Personen und Anlage unschädlich ist. Die Brenndauer des Lichtbogens wird auf diese Weise erheblich reduziert, so daß große Schäden vermieden und das Ausmaß der Nutzung der Schaltanlage erhöht werden können.

Halbleiterkurzschließer bewirken einen dem metallischen Kurzschluß äquivalenten Kurzschluß. Sie sind bereits aus der Patentliteratur be kannt.

Aus der DD 2 33 253 A1 ist eine Kurzschließeinrichtung für die Unterdrückung eines Störlichtbogens bekannt geworden, die aus einem Kurzschluß- bzw. Kurzschließzylinder und Thyristoren besteht, wobei durch die Thyristoren der Kurzschluß hergestellt werden kann.

Ein Verfahren zur Erhöhung der Abschaltgeschwindigkeit von Störlichtbögen ist in der DD 2 34 540 A gezeigt und beschrieben. Es wird vorgeschlagen, antiparallel zwischen die Leiter des Primärstromkreises geschaltete Leistungsthyristoren verzögerungsfrei zu zünden und gleichzeitig einen mechanischen Kurzschließer sowie die den Fehlerort speisende Schaltgeräte anzuregen. Die Leistungathyristoren werden nach dem Einschalten des mechanischen Kurzschließers wieder gesperrt. Nachteilig ist hier die Erfordernis eines mechanischen Kurzschließers.

Nach dem Zünden der Thyristoren müssen diese den vollen Kurzschlußstrom führen bis der Strom auf den mechanischen Kurzschließer (z. B. Kurzschließer 6 in der DD 2 34 541 A1 ) kommutiert

Da in Niederspannungs-Schaltanlagen mittlerer Größe bereits hohe Ströme z.B. 30 kA auftreten können, muß eine erhebliche Zahl von Thyristoren parallel geschaltet werden, um überhaupt die thermische Leistungsgrenze und insbesondere das Integral i² dt einzuhalten.

Dies bedeutet neben einen unvertretbar hohen konstruktiven Aufwand und Platzbedarf für die Anordnung der Thyristoren auch hohe Kosten.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß transiente Überspannungen zum Selbstzünden von einzelnen Thyristoren führen können.

Eine weitere Gefahr besteht darin, daß durch den hohen Stromanstieg Thyristoren zerstört werden können.

Eine Kurzschließeinrichtung, insbesondere zum Löschen von Störlichtbögen in Niederspannungs-Schaltanlagen ist in der DE 42 35 329 A1 gezeigt und beschrieben. Die Kurzschließeinrichtung besteht aus Kurzschließpatronen und Thyristoren, die den Kurzschluß einleiten. Die Patronen werden jedoch nach der Zündung zerstört und müssen ausgetauscht werden. Nachteilig ist hier die Einmalverwendbarkeit.

Nachteilig bei den vorgenannten Lösungen ist auch, daß durch die hohen Ströme auch hohe mechanische Belastungen auf die Anlagenteile, wie Sammelschienenträger, Stromschienen usw., auftreten können. Ungünstig ist ebenso der hohe Abschaltstrom im Einspeiseschalter.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Störlichtbogenlöschanordnung auf der Basis von Thyristoren zu schaffen, in der die Thyristoren mehrfach belastbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, während in den Unteransprüchen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gekennzeichnet sind.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zum Löschen eines Lichtbogens nicht unbedingt ein metallischer Kurzschluß erzeugt werden muß. Zum Löschen des Lichtbogens genügt es, den Spannungswert an den Sammelschienen auf einen von der geometrischen Auslegung der Anlage abhängigen Wert zu senken. Dabei löscht der Lichtbogen sicher innerhalb einer vorgegebenen Zeit. Der Kurzschließerstrom kann dadurch reduziert werden.

Dies ermöglicht den Einsatz wiederum kleinerer Thyristoren oder sogar den Einsatz eines mehrfach schaltenden Kurzschließers auf Thyristorbasis.

Anhand der Zeichnung sollen die Erfindung, weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile näher beschrieben und erläutert werden.
Wenn die Induktivität der Drossel (Lk) mindestens 1 Mikrohenry beträgt, verhindert man ein Beraten durch steile Stromanstiege.
Damit die Thyristoren nicht unkontrolliert zünden, ist es günstig, wenn Dämpfungskondensatoren vorhanden sind, die in Zusammenarbeit mit Drosseln transiente Spannungen und hohe Spannungsanstiege von den Thyristoren fernhalten, wobei Dämpfungswiderstände angeordnet sind, die den Kondenstorentladestrom im Einschaltmoment begrenzen.
Es zeigt:
1 eine Schaltung der Anordnung,
2 eine zweite Variante der Schaltung in vereinfachter Darstellung,
3 eine dritte Variante der Schaltung in vereinfachter Darstellung,
4 eine vierte Variante der Schaltung in vereinfachter Darstellung,
5 die in 1 gezeigte Schaltung in vereinfachter Darstellung,
6 eine Anordnung mit Stromsammelschienen und
7 ein Zeitdiagramm der Ströme und Spannungen im Lichtbogenfall.
Die in den 1 bis 5 gezeigten Anordnungen dienen zur Erhöhung der Abschaltgeschwindigkeit von Störlichtbögen in offenen oder gekapselten elektrotechnischen Schaltanlagen, insbesondere im Niederspannungsbereich.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, nach dem Erkennen eines Störlichtbogens durch entsprechende Sensor- und Auswerteanordnungen zwischen den Leitern des Primärstromkreises geschaltete Thyristoren verzögerungsfrei zu zünden und damit dem Störlichtbogen die zu seiner Existenz notwendige Energie zu entziehen.
Die Thyristoren werden derart dimensioniert, daß der Kurzschließer zerstörungsfrei den Kurzschlußstrom beherrscht, wobei dann eine mehrmalige Verwendung möglich ist
Ein mehrmals verwendbarer Kurzschließer ist für Anlagen kleinerer bis mittlerer Kurzschlußleistung im Bereich 6 kA bis 60 kA geeignet
Bei Niederspannungs-Schaltanlagen werden die Thyristoren mit den Sammelschienen elektrisch leitend verbunden, vorzugsweise schließt man diese an den Hauptsammelschienen an. Nachfolgend werden die Sammelschienen vereinfacht als Leiter L1, 12 und L3 bezeichnet
Die in 1 gezeigte Anordnung besteht aus den Thyristorenpaaren T1, T2 und T3, die jeweils aus antiparallel geschalteten Thyristoren bestehen, wobei die Thyristorpaare zwar in der 1 in Sternschaltung dargestellt sind, vorzugsweise werden die Thyristoren jedoch aufgrund des günstigeren Stromflußes in Dreieckschaltung angeordnet.
In dieser Schaltung weisen die Thyristoren der Thyristorpaare T1, T2, T3 eine Stromführungsdauer von jeweils nur 120° auf, was in vorteilhafter Weise mit einer thermischen Entlastung der Halbleiterbauelemente verbunden ist.
Zwischen den Leitern L1, L2, L3 und den Thyristorpaaren T1, T2, T3 sind die Drosseln Lk angeordnet, die schaltungstechnisch in Reihe mit den Thyristoren liegen. Die Drosseln Lk steuern die Stromkommutierung vom Lichtbogen auf den Thyristor und verhindern einen völligen Spannungszusammenbruch.
Sie werden derart bemessen, daß zwar eine deutliche Reduzierung des ohne die Drosseln fließenden Kurzschlußstromes erfolgt, daß aber die im kurzgeschlossenen Zustand an den Leitern L1, L2, L3 verbleibende Spannung noch zum sicheren Verlöschen des Lichtbogens führt.
Die Drosseln müssen auch bei einem mehrmalig verwendbaren Kurzschließer derart dimensioniert sein, daß ein übermäßig hoher Stromanstieg beim Einschalten der Thyristoren vermieden wird. Ihr Wert liegt daher mindenstens im Bereich einiger Mikrohenry.
Das Bersten der Thyristoren steht hier zwar nicht im Vordergrund. Es muß aber sichergestellt werden, daß die Thyristorem einen Schaltvorgang ohne jeglichen Schaden überstehen.
Die min. Induktivität Lk ergibt sich daher aus der maximalen Spannung in der Anlage und aus dem Thyristor-Herstellergrenzwert für den kritischen Stromanstieg di/dtcrit.
Zum Beispiel beträgt Lk bei einem Herstellergrenzwert di/dtcrit = 100 A/μs: Lk = 400 V √3/100 (A/μs) = 6,38 μH
Bei zu kleiner Dimensionierung der Drosseln oder ohne Drosseln entsteht durch den hohen Stromanstieg ein kanalartiger Stromfluß in der Thyristortablette, der zu einem unzulässig hohen lokalen Temperaturanstieg führt, der ein Beraten des Thyristorgehäuses zur Folge haben kann.
Bei richtiger Dimensionierung der Drosseln Lk verringert sich die Stromdichte in diesem kritischen Bereich, so daß höhere Ströme zum Bersten des Gehäuses erforderlich sind. Der Strom verteilt sich hierbei gleichmäßiger in der Thyristortablette.
Auch das Versagen eines vorgeordneten Schaltgerätes muß berücksichtigt werden. Ein Bersten des Thyristors in diesem Fall ist auszuschließen.
Bei einem Prüfstrom von 500 ms können Thyristoren durch den Einsatz von den Stromanstieg begrenzende Drosseln abhängig von ihrer Gehäuseausführung mit dem 25 bis 40-fachen ihres Nennstromes belastet werden, ohne daß dieser berstet.
Damit kann diese Anordnung mit vorgeordneten Leistungsschaltern bzw. Einspeiseschalter mehrmals schalten ohne parallel geschaltete mechanische Kurzschließer.
Selbst wenn der Einspeise-Leistungsschalter versagt, kann der Thyristor 500 ms lang belastet werden, wobei man dabei in Kauf nimmt, daß dieser seine Sperrfähigkeit verliert. Das ungewollte Zünden eines Thyristors ist zu vermeiden, da dabei ein hoher Stromfluß eingeleitet wird. Es muß deshalb gewährleistet sein, daß die Thyristoren weder durch Spannung (vor- und rückwärts) noch durch steile Spannungsanstiege durchbrechen. Die Sperrspannung der Thyristoren ist deshalb nach der Höhe der Prüfspannung der Anlage zu bemessen. Desweiteren sind im Netz auftretende transiente Spannungswellen vom Thyristor fernzuhalten.
Dies verhindert man durch die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung.
An den Verbindungspunkten der Drosseln Lk und der Thyristorpaare T1, T2, T3 sind sternförmig Dämpfungskondensatoren Cd und Dämpfungswiderstände Rd geschaltet, wobei die Dämpfungskondensatoren Cd und Dämpfungswiderstände Rd in Reihe liegen und der Sternpunkt geerdet ist
Die Dämpfungskondensatoren Cd halten in Zusammenarbeit mit den Drosseln Lk transiente Spannungen und hohe Spannungsanstiege von den Thyristoren fern. Die Dämpfungswiderstände Rd begrenzen den Kondensatorentladestrom im Einschaltmoment
Bei dieser Anordnung sind die Bauelemente so zu dimensionieren, daß sie beim Kurzschließvorgang nicht überlastet werden. Neben den bereits formulierten Forderungen sind zusätzlich die Herstellergrenzwerte für di/dt und Integral di/dt einzuhalten, um das Zerstören des Halbleiters zu verhindern. Der Stromanstieg kann durch entsprechende Dimensionierung der Drossel Lk unter dem Grenzwert gehalten werden.
Um das Grenzlastintegral einzuhalten, sollte die Kurzschlußzeit möglichst gering sein. Der den Kurzschluß abschaltende Einspeiseschalter sollte daher in Zeiten kleiner 50 ms unterbrechen, vorzugsweise 20 ms. Die Thyristoren können auch anders geschaltet sein, wie in den 3, 4 und 5 gezeigt ist, wobei die Bauelemente vereinfacht durch Impedanzen Z1, Z2 und Z3 dargestellt sind.
Ein Kurzschließer in Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt in 3 gezeigt. Eine vereinfachte Schaltung mit nur vier Thyristoren ist in 4 dargestellt.
Für kleinere Ströme kann auch eine Schaltung gemäß 5 verwendet werden. Die Thyristoren TH1, TH2, TH3 sind derart angeordnet, daß der erste Thyristor TH1 zwischen den Leitern L1 und L2, der zweite Thyristor TH2 zwischen den Leitern L2 und L3 und der dritte Thyristor TH3 zwischen den Leiter L3 und L1 geschaltet sind, wobei die Thyristoren TH1, TH2, TH3 in einer geschlossenen Stromschleife S in gleicher Richtung angeordnet sind, wie in 2 angedeutet ist
Die 6 und 7 zeigen die Entstehung und Löschung eines Störlichtbogens an Stromsammelschienen L1, L2, 13 einer Niederspannungs-Schaltanlage mit Hilfe eines Kurzschließers TKS und eines Lichtbogendetektors, der einen Lichtwellenleiter LWL als Sensor aufweist Die LWL-Elektronik LE des Lichtbogendetektors gibt ein Auslösesignal A sowohl an den Kurzschließer TKS als auch an den Leistungsschalter LS. Der Kurzschlußstrom Ik" beträgt 10 kA, die Netzspannung 400 V. In bereits beschriebener Weise sind Drosseln Lk angeordnet, die hier 20 Mikrohenry betragen.
Die 7 zeigt den Zeitverlauf der Leiterspannungen U12, U23, U13, die drei den Lichtbogen speisenden Ströme IL1, IL2, IL3, den Kurzschließerstrom IKS und das Auslösesignal A.
Zum Zeitpunkt t0 erfolgt die Einleitung eines Störlichtbogens durch Einschalten der Prüfspannung. Zum Zeitpunkt t1 verdampft der Zünddraht und der Lichtbogen zündet. Im Zeitpunkt t2 wird der Lichtbogen von der LWL-Elektronik LE erkannt, wodurch der Kurzschließer TKS und der Leistungsschalter LS einen Auslöseimpuls A erhalten. Im Zeitpunkt t3 sind alle Lichtbogenströme gleich null, der Lichtbogen ist gelöscht. Bis zum Abschalten des Leistungsschalters bei t4 steht noch eine Spannung von 103/90/84 Veff zwischen den Leitern an, ohne daß es zum Wiederzünden des Lichtbogens kommt. In den Kurzschließer TKS fließt ein Strom von 5,6 kA, der unbeeinflußte Strom wäre dagegen 10 kA.
Da der Strom im Quadrat die thermische Belastung der Halbleiter beeinflußt, bedeutet dies bereits bei einer Halbierung des Stromes eine Entlastung der Thyristoren um 75%.
Von einer deutlichen Verringerung des Stromes kann man schon bei einer 25 prozentigen Reduzierung sprechen.
Für die Belastung der Thyristoren in kleinen Zeiträumen ist ihr Grenzlastintegral i^{2 dt}, wie bereits erwähnt, ausschlaggebend. Die Stromstärke fließt also quadratisch in die Belastung der Thyristoren ein:
Der Strom i sinkt auf 75% (3/4):
Integral i^{2 dt} sinkt auf (3/4)² = 56%
Der Strom i sinkt auf 50% (1/2):
Integral i^{2 dt} sinkt auf (1/2)² = 25%
Die Bemessung der Drossel Lk, hier als Kommutierungsinduktivität, muß in Abhängigkeit des Kurzschlußstromes und der Schienenanordnung erfolgen. Bei dem in den 6 und 7 gezeigten Beispiel dauert die Lichtbogenlöschung 1,7 ms (t3–t2). Strebt man z.B. 1ms an muß die Induktivität entsprechend gesenkt werden.
Die Zeit bis zum Abschalten durch den Leistungsschalter beträgt hier 32 ms, wobei zur Auslösung ein Unterspannungsauslöser verwendet wird. Kürzere Auslösezeiten sind jedoch möglich.
Die Lichtbogenspannung ist abhängig von der Geometrie der Schaltanlage, insbesondere vom Sammelschienenabstand und vom Abstand der Schiene zu den geerdeten Teilen.
Die Größenordnung ist:
Lichtbogenspannung kleiner 200 V bei
C-förmigen Hauptsammelschienen (horizontal)
Lichtbogenspannung kleiner 100 V bei
C-förmigen Feldsammelschienen (vertikal)
Zur Löschung des Störlichtbogens muß seine Brennspannung deutlich unterschritten werden (ca. 50%).
Der Kurzschlußstrom hat einen geringen Einfluß auf die Lichtbogenspannung, der hier vernachlässigt werden kann.
Die Dimensionierung der Drossel ist allerdings unmittelbar von dem Kurzschlußstrom Iks abhängig, da der Spannungsabfall über der Drossel im Kurzschlußmoment von der Höhe des fließenden Stromes abhängt.

Claims

Anordnung zum Löschen von Störlichtbögen zwischen Leitern in Schaltanlagen oder Schienenverteilern zur Verteilung elektrischer Energie, insbesondere in Niederspannungs-Schaltanlagen, mit • einem Kurzschließer (TKS), der mindestens zwischen zwei kurzzuschließende oder zu erdende Leiter (L1, L2, L3) angeordnet ist, • mit einer Erkennereinrichtung (LE), die bei Erkennung eines Störlichtbogens den Kurzschließer (TKS) und einen Leistungsschalter (LS) zur Trennung vom Netz aktiviert, • wobei der Kurzschließer (TKS) mit einem oder mehreren Leistungsthyristoren (T1, T2, T3) aufgebaut ist und jeweils zu einem Thyristor oder Thyristorpaar wechselstromtechnisch eine Drossel (LK) in Reihe geschaltet ist, • wobei die Drossel (LK) derart dimensioniert ist, dass zum einen der Thyristor-Herstellergrenzwert für den kritischen Stromanstieg di/dtcrit nicht erreicht wird und zum andern der vom Kurzschluss-Strom an der Drossel (LK) verursachte Spannungsabfall deutlich unter der Brennspannung des Störlichtbogens liegt.
Anordnung zum Löschen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität der Drossel (LK) mindestens 1 Mikrohenry beträgt.
Anordnung zum Löschen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zum Zünden der Thyristoren (T1, T2, T3) vorhanden sind, die aus elektronischen Baugruppen bestehen.
Anordnung zum Löschen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Baugruppen zum Schutz der Thyristoren (T1, T2, T3) gegen Durchbruch aufgrund transienter Spannungsimpulse im Netz angeordnet sind.
Anordnung zum Löschen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kurzschluss abschaltende Leistungsschalter (LS) in weniger als 50 ms, vorzugsweise in 20 ms, unterbrechen kann.
Anordnung zum Löschen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (L1, L2, L3) als Stromsammelschienen ausgebildet sind.
Verwendung einer Anordnung zum Löschen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Schaltanlage mit einem Kurzschluss-Strom von 6 kA bis 60 kA.
Verwendung einer Anordnung zum Löschen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Schienenverteiler, in dem die geometrische Anordnung der als Stromsammelschienen ausgebildeten Leiter (L1, L2, L3) derart ausgebildet ist, dass die Brennspannung für einen Störlichtbogen kleiner als 100 V ist.