DE1238993B - Kurzschlussstromschutz fuer Hochspannungsanlagen - Google Patents

Description

• Kurzschlußstromschutz für Hochspannungsanlagen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von Teilen bzw. Geräten einer Hochspannungsanlage gegen Kurzschlußströme, bei der der zu schützende Stromkreis mittels eines Lichtbogens überbrückt wird.
• Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art wird die Überbrückungsstrecke, an deren Elektroden der Lichtbogen erzeugt wird, welcher das zu schützende Gerät, z. B. einen Transformator, kurzschließt, zunächst leitend gemacht, damit sich der Lichtbogen bilden kann. Zu diesem Zweck wird zwischen einer auf Hochspannungspotential befindlichen Elektrode und einer geerdeten Elektrode eine leitende Bahn dadurch geschaffen, daß von Elektrode zu Elektrode ein leitender Strahl geschickt wird, wenn in der Hochspannungsleitung ein Kurzschlußstrom auftritt. Verwendet wird beispielsweise ein Strahl aus leitendem Wasser oder aus Quecksilber. Damit der Strahl die Strecke zwischen den Elektroden schnell durchläuft, wird er durch einen Kolben erzeugt, der durch Druckluft oder Explosivstoff angetrieben wird. Man hat auch vorgeschlagen, den Explosivstoff selbst in einem Strahl von Elektrode zu Elektrode zu schicken. Um hierbei den Lichtbogenüberschlag zu erreichen, wurde dem Explosivstoff Metallpulver beigemischt.
• Mit diesen bekannten Mitteln soll erreicht werden, daß die vom Augenblick des Impulses bis zur Kurzschließung erforderliche Zeit verkürzt wird, nachdem die bei ähnlichen, noch früher bekannten Anordnungen erforderliche Zeit etwa 1 Sekunde betrug.
• Auf die bekannte Weise ist es schwierig, auf annehmbar kurze Zeiten von der Impulsgabe im Kurzschlußfall bis zur Kurzschließung des zu schützenden Stromkreises zu gelangen. Für die Ausbreitung des Strahles wird immer eine unerwünscht lange Zeit vergehen, bis sich der Überschlagslichtbogen ausbilden kann.
• Ziel der Erfindung ist es, die Voraussetzungen dafür zu schaffen, daß in einer Hochspannungsschaltanlage im Fall eines Kurzschlusses bei überschreiten eines bestimmten, im Hinblick auf die zu schützenden Anlagenteile kritischen Stromwertes möglichst innerhalb von etwa 10 ms die jeweils betroffene Phase durch einen Lichtbogen mit Erde verbunden werden kann. Zwar kann dabei der neu eingeleitete Kurzschlußstrom höhere Werte als dieser kritische Strom erreichen. Er läßt sich aber in längstens 100 ms abschalten, so daß ein schwächer dimensioniertes Gerät, z. B. ein Transformator, wirkungsvoll geschützt wird.
• Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck in der Hochspannungsleitung ein im Kurzschlußfall schnell öff- nender Leitungsunterbrecher angeordnet, der einen Lichtbogen erzeugt und so ausgebildet ist, daß die heißen Lichtbogengase in die überbrückungsstrecke hineingetrieben werden und dadurch den Überbrükkungslichtbogen einleiten.
• Da der Lichtbogen hier bei entsprechend kurzer öffnungszeit des Leitungsunterbrechers sehr frühzeitig entsteht, kann er erheblich früher für seine Aufgabe des Kurzschließens herangezogen werden als der erst nach länger dauernden Vorbereitungen ermöglichte Durchschlaglichtbogen der bekannten Anordnungen.
• Ein schnell öffnender, für die Zwecke der Erfindung brauchbarer Leitungsunterbrecher ist verhältnismäßig leicht zu verwirklichen.
• Man kann einen Leitungsunterbrecher vorsehen, bei dem zwischen zwei Leiterstücken großer Masse, die die Betriebswärme gut aufnehmen und abführen, ein kurzer dünner Leiter für die Führung betriebsmäßiger Ströme angeordnet ist, den der Kurzschlußstrom lichtbogenbildend wegschmilzt. Mit einem solchen Leitungsunterbrecher kann sehr schnell ein Lichtbogen gebildet werden.
• Vorteilhaft ist auch ein Leitungsunterbrecher, bei dem ein Leiterstück durch eine in Abhängigkeit vom Anstieg des Kurzschlußstromes gezündete Sprengladung zerstört und der Strom lichtbogenbildend auf Lichtbogenelektroden kominutiert wird. Solche Sprengtrenner wurden bisher dazu benutzt, um eine Stromleitun- im Kurzschlußfall schnell aufzureißen und den Strom auf einen parallelgeschalteten Schmelzleiter zur endgültigen Strornunterbrechung überzuleiten. Im vorliegenden Fall wird der Kurzschlußstrom nicht im parallelgeschalteten Schmelzleiter gelöscht, sondern der entstehende Lichtbogen für seine weitere Aufgabe des Kurzschließens eines zu schützenden Stromkreises benutzt. Im übrigen können alle aus der Technik der Sprengtrenner bekannten und erprobten Mittel ohne weiteres genutzt werden. Präzise arbeitende Auslöseeinrichtungen, die auf den Anstieg des Kurzschlußstromes schnell reagieren und die Sprengladung im gewünschten Augenblick zünden, sind bekannt.
• Zweckmäßig wird eine Lichtbogenverlängerungseinrichtung verwendet, bei der die Lichtbogenenergie selbst die Lichtbogenverlängerung bewirkt. Hierbei kann auf die Verwendung von Fremdenergie, die die bekannten Kurzschließeinrichtungen aufwendig macht, verzichtet werden.
• Um den Lichtbogen in die überbrückungsstrecke hinein zu verlängern, kann z. B. eine Drackkammer aus Isolierstoff vorgesehen werden, in der der Lichtbogen -ebildet und aus der er durch den Kammerinnendruck ausgetrieben wird. Die Austrittsöffnung dieser Druckkammer kann mit einem Trichter zur gerichteten Bündelung der heißen Lichtbogengase versehen sein.
• Besonders zu empfehlen ist auch die Verwendung nebeneinander verlaufender Schienenstücke, an denen der an ihrem Beginn gebildete Lichtbogen unter der Wirkung elektrodynamischer Kräfte entlang und schleifenbildend über sie hinauswandert. Diese Schienenstücke sind zweckmäßig von einem aus Isolierstoffwänden gebildeten Kanal umschlossen. An der Stelle der Anordnung, an der der Lichtbogen gebildet wird, lassen sich die Lichtbogenbildung erleichternde Mittel, beispielsweise ein die Schienen verbindender dünner Draht, ein metallisiertes Band oder ein leitfähiges Gas, vorsehen.
• Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes in schematischer Weise. Gemäß F i g. 1 ist in der Hochspannungsleitung 1 außer einem üblichen Leistungsschalter 2 ein schnell wirkender Leitungsunterbrecher 3 angeordnet. Bei diesem ist zwischen dicken Leiterstücken 4 und 5 ein kurzer dünner Leiter 6 vorgesehen. Der Leiter 6 kann den Betriebsstrom deshalb führen, weil die an ihm auftretende Wärme von den dicken Leiterstücken 4 und 5 aufgenommen und abgeführt wird. Mit 7 ist eine Druckkammer aus Isolierstoff bezeichnet, die eine Austrittsöffnung 8 aufweist, an die ein Isoliertrichter 9 angesetzt ist. Unterhalb dieses Trichters befindet sich eine Erdelektrode 10.
• Tritt nun ein gefährlicher Kurzschlußstrom auf, so schmilzt der Leiter 6 unverzüglich durch. Zwischen den Leiterstücken 4 und 5, die auch mit nach der Antrittsöffnung 8 weisenden, hier nicht gezeichneten Ansätzen versehen sein können, entsteht ein kurzer Lichtbogen sehr hoher Stromstärke. Inder Druckkammer 7 bildet sich demzufolge ein hoher Druck stoßartig aus. Dieser treibt das heiße Lichtbogenplasma mit großer Gewalt durch die Austrittsöffnung 8 und den Isoliertrichter 9, der es in einem gerichteten Strahl zusammenhält, nach außen und gegen die Erdelektrode 10. Die Hochspannungsleitung 1 wird auf diese Weise sehr schnell durch den Lichtbogen geerdet. Befindet sich beispielsweise links im Bild ein Transformator, so wird dieser sofort kurzgeschlossen und sicher vor der Einwirkung des Kurzschlußstromes bewahrt. Beim nachfolgenden Abschalten der Hochspannungsleitung 1 durch den Leistungsschalter 2 verschwindet der Lichtbogen. Die Anordnung nach F i g. 2 enthält in der Hochspannungsleitung 1, die auf Hochspannungsstützem 11 und 12 ruht, einen Leitungsunterbrecher 30. Dieser weist im Isolierstoffgehäuse 13 einen Sprengtrenner auf, bei dem einhohles Leiterstück 14 durch eine Sprengladung 15 zerlegt wird. Die Zündung der Sprengladung 15 erfolgt in Abhängigkeit vom Anstieg des Kurzschlußstromes dildt mit Hilfe eines Auslösewandlers 16 und einer Zündeinrichtung 17. Solche Sprengtrenner sind bekannt. Zu beiden Seiten des Sprengtrenners sind die gekröpften Schienenstücke 18 und 19 an die Hochspannungsleitung 1 angeschlossen. Ihre unteren Enden verlaufen nebeneinander in einem Kanal 20 mit den Isolierstoffwänden 21, 22, 23 und 24, die die Schienenstücke 18 und 19 rahrnenförmig umfassen, was aus F i g. 3, die den Schnitt A-A der F i g. 2 zeigt, gut erkennbar ist. Am oberen Ende des Kanals 20 sind die Schienen 18 und 19 durch einen dünnen Draht 25 verbunden.
• Zeigt sich in der Hochspannungsleitung 1 ein Kurzschlußstrom mit hoher Anstiegsgeschwindigkeit an, so wird die Sprengladung 15 gezündet, und der Sprengtrenner trennt die Leitung sofort auf. Der Strom wird auf den dünnen Draht 25 kommutiert, der sofort durchschmilzt, so daß an dieser Stelle ein kurzer Lichtbogen sehr hoher Stromstärke entsteht. Infolge der elektrodynamischen Wirkung wird der Lichtbogen in außerordentlich schnelle Bewegung versetzt. Er schießt, an den Schienenstücken 18 und 19 entlanglaufend und eine Schleife bildend, aus dem Kanal 20 heraus zur Elektrode 10. Dadurch wird die Hochspannungsleitung 1 durch den Lichtbogen mit Erde verbunden, und es tritt die bezüglich der Anordnung nach F i g. 1 erläuterte Schutzwirkung auf. Der Leitungsunterbrecher 30 ist in F i g. 2 der besseren Erkennbarkeit wegen im Verhältnis zu den anderen gezeichneten Anlageteilen stark vergrößert dargestellt.
• An Stelle eines Sprengtrenners kann auch eine in F i g. 1 gezeichnete Schmelzleiteranordnung Verwendung finden, bei der dann ein weiterer dünner Schmelzdraht parallel geschaltet wird, auf den der Strom kommutiert wird.
• Die Erfindung gestattet es, den Aufwand in Hochspannungsanlagen erheblich herabzusetzen. Mit ihrer Hilfe kann man außenliegende Kurzschlüsse durch einen gezielten Kurzschluß in einem vorbereiteten Schaltfeld derart ablösen, daß in größeren Schaltanlagen nur dieses eine Feld einen Schalter für volle Leistung und volle Wiederkehrspannung benötigt.
• Zur Erhöhung der erstrebten Wirkungen kann die Druckkammer 7 bzw. der Kanal 20 gasabgebende Innenwandungen aufweisen. Die Isolierstoffwände 21, 22, 23 und 24 des Kanals 20 können über die Enden der Schienenstücke 18 und 19 hinaus verlängert sein. Es ist empfehlenswert, außerhalb des Kanals 20 parallelgeschaltete Schienenstücke vorzusehen, auf die der Lichtbogen nach dem Austreten aus dem Kanal übergeht. Dies gestattet es, den Kanal 20 sehr eng auszubilden und dadurch eine hohe Lichtbogenwanderungsgeschwindigkeit zu erreichen. Da der Lichtbogen dann aber nicht mehr im Kanal brennt, wird ein Platzen des engen Kanals vermieden.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung zum Schutz von Teilen bzw. Geräten einer Hochspannungsanlage gegen Kurzschlußströme, bei der der zu schützende Stromkreis mittels eines Lichtbogens überbrückt wird, gekennzeichnet durch einen in der Hochspannungsleitung angeordneten, irn Kurzschlußfall schnell ansprechenden Leitungsunterbrecher, der einen Lichtbogen erzeugt und so ausgebildet ist, daß die heißen Lichtbogengase in die überbrückungsstrecke hineingetrieben werden und dadurch den überbrückungslichtbogen einleiten.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Leitungsunterbrecher (3), bei dem zwischen zwei Leiterstücken (4, 5) großer Masse für die Führung betriebsmäßiger Ströme ein kurzer dünner Leiter (6) angeordnet ist, den der Kurzschlußstrom lichtbogenbildend wegschmilzt. 3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Leitungsunterbrecher (30), bei dem ein Leiterstück (14) durch eine in Abhängigkeit vom Anstieg des Kurzschlußstromes gezündete Sprengladung (15) zerstört und der Strom lichtbogenbildend auf Lichtbogenelektroden (Schienenstücke 18, 19) kommutiert wird. 4. Anordnung nach Ansprach 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Lichtbogenverlängerungseinrichtung, bei der die Lichtbogenenergie selbst die Lichtbogenverlängerung bewirkt. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckkammer (7) vorgesehen ist, in der der Lichtbogen gebildet und aus der er durch den Kammerinnendruck ausgetrieben wird. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (8) der Druckkammer (7) mit einem Isoliertrichter (9) zur gerichteten Bündelung der Lichtbogengase versehen ist. 7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinander verlaufende Schienenstücke (18,19) vorgesehen sind, an denen der an ihrem Beginn gebildete Lichtbogen unter der Wirkung elektrodynamischer Kräfte entlang und schleifenbildend über sie hinauswandert. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn eichnet, daß die Schienenstücke (18, 19) von einem aus Isolierstoffwänden (21, 22, 23, 24) gebildeten Kanal (20) rahmenförmig umschlossen sind. 9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, an der der Lichtbogen gebildet wird, die Lichtbogenbildung erleichternde Mittel, beispielsweise ein die Schienen verbindender dünner Draht (25), ein metaEisiertes Band oder ein leitfähiges Gas, vorgesehen sind. 10. Anordnung nach Anspruch 5 oder 8 ' dadurch gekennzeichnet ' daß die Druckkammer (7) bzw. der Kanal (20) gasabgebende Innenwandungen aufweist. 11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffwände (21, 22, 23, 24) über die Enden der Schienenstücke (18, 19) hinaus verlängert sind. 12. Anordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Kanals (20) paiallelgeschaltete Schienenstücke vorgesehen sind, auf die der Lichtbogen nach dem Austreten aus dem Kanal übergeht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1199 867, 1171068, 1063 698, 1049 488; USA.-Patentschriften Nr. 3 180 957, 2 932 708, 2888538.