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WO2019158180A1 - Vorrichtung zum begrenzen des elektrischen stroms - Google Patents

Vorrichtung zum begrenzen des elektrischen stroms Download PDF

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WO2019158180A1
WO2019158180A1 PCT/EP2018/053508 EP2018053508W WO2019158180A1 WO 2019158180 A1 WO2019158180 A1 WO 2019158180A1 EP 2018053508 W EP2018053508 W EP 2018053508W WO 2019158180 A1 WO2019158180 A1 WO 2019158180A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
impedance
electrical
switching device
terminal
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/053508
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrik Ernst
Peter Hamberger
Andreas Haselbauer
Christian Schacherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to PCT/EP2018/053508 priority Critical patent/WO2019158180A1/de
Publication of WO2019158180A1 publication Critical patent/WO2019158180A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/023—Current limitation using superconducting elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/021—Current limitation using saturable reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a device for limiting the current flowing in a high voltage line electrical current.
  • the invention is based on the object, an apparatus and a method for limiting a in a
  • High-voltage line to indicate flowing current, which in normal operation by means of the high-voltage line
  • Secondary winding are electrically connected to each other by means of an impedance unit, wherein the impedance unit has a first electrical impedance in a first state and in a second state has a second electrical impedance which is greater than the first electrical impedance. It is particularly advantageous that only a small voltage occurs in the first state of the impedance unit above the primary winding, whereby the current flowing through the high voltage line current is only slightly affected (limited) is. In the second state of the impedance unit, a larger voltage appears across the primary winding, whereby the current flowing through the high voltage line is more limited than in the first state of the impedance unit. This can advantageously during normal operation
  • the impedance unit is brought from the first state to the second state.
  • the impedance unit is in particular an electrical circuit.
  • the impedance unit has at least one electrical component. It is an independent component such as a
  • Switching device a coil or a resistor component.
  • the device may be configured such that the amount of the second electrical impedance is at least 5 times
  • Impedance unit comparatively limited the current flowing in the high voltage line electric current.
  • the device may also be designed so that the impedance unit has a first switching device, by means of which the (between the first terminal and the second terminal of the secondary winding effective) impedance of the impedance unit is increased.
  • the impedance unit can be brought from the first state to the second state.
  • This switching device may be, for example, a mechanical or electronic switch.
  • the device can be designed such that the first switching device electrically connects the first terminal and the second terminal of the secondary winding in a first switching position, and
  • the impedance of the first switching device of the first switching device is advantageously at the first switching position
  • the device can also be designed so that the first switching device in a first switching position electrically connects a connection of a first impedance-applied (electrical) component of the impedance unit to the (first connection or the second connection) of the secondary winding and
  • the device may be configured such that the
  • Impedance unit has a first electrical impedance branch and a second electrical impedance branch, wherein the first electrical impedance branch and the second electrical impedance branch are connected in parallel.
  • first electrical impedance branch and the second electrical impedance branch are connected in parallel.
  • electrical impedance branches have the advantage that with them four different electrical impedances of the electrical impedance unit can be realized: the impedance of the first impedance branch, the impedance of the second
  • Impedanzzweigs the impedance of the parallel connection of the first and second impedance branch and the impedance with separated first and second impedance branch.
  • the device may be configured such that the first electrical impedance branch or the second electrical
  • the first switching device electrically switchable (in particular electrically separable).
  • the first impedance branch or the second impedance branch can be effectively switched in the secondary circuit of the transformer (or switched ineffective).
  • the device may also be configured such that the first switching device in the first impedance branch
  • the impedance unit comprises a second switching device which is arranged in the second impedance branch.
  • the first impedance branch and the second impedance branch are switchable (or
  • Transformers can flow.
  • the first impedance branch and the second impedance branch can be operated either independently by means of the switching means independently of each other
  • Secondary circuit of the transformer to be switched or separated from the secondary circuit of the transformer.
  • the device can also be configured such that the first impedance branch has the first impedance-subject component and
  • the second impedance branch has a second impedance-applied (electrical) component.
  • the device may be configured such that the first impedance-subject component and / or the second
  • impedance-affected device is a coil or a resistor.
  • impedance-affected components are
  • the first impedance-imparted component and / or the second impedance-subject component may also be a combination of a coil and a resistor; So you can both resistance properties and coil properties
  • the device can also be designed such that the first impedance-subject component and / or the second impedance-subject component is a superconducting electrical component, in particular a superconducting resistive or inductive current limiter.
  • a superconducting electrical component in particular in a superconducting electrical component
  • the impedance of the device is additionally variable (depending on the temperature).
  • the first impedance-affected component and / or the second impedance-affected component may also be a combination of a resistive and an inductive current limiter:
  • the device may be configured such that the first switching device and / or the second switching device is a power switch, in particular a power electronic circuit breaker.
  • a power switch in particular a power electronic circuit breaker.
  • the device may be configured such that the first terminal and the second terminal of the secondary winding are electrically connected by means of the impedance unit to form a secondary circuit.
  • the secondary circuit allows a secondary current to flow, in particular when the impedance unit is in its first state. The flow of the secondary flow in the
  • Secondary circuit allows the construction of a magnetic field in the secondary winding, this magnetic field
  • Secondary winding wherein the primary winding is connected in series in the high voltage line and a first terminal and a second terminal of the secondary winding are electrically connected by means of an impedance unit, wherein the impedance unit in a first state has a first electrical impedance and in a second state, a second electrical impedance which is greater than the first electrical impedance, wherein in the method
  • the impedance unit has the first state
  • the impedance unit is brought into the second state.
  • the first state only a low voltage occurs across the primary winding, whereby the current flowing through the primary winding is limited only insignificantly.
  • the second state the voltage across the primary winding is increased, thereby limiting the current flowing through the primary overcurrent.
  • This method can proceed such that the amount of the second electrical impedance is at least 5 times, in particular at least 10 times, as large as the amount of the first electrical impedance.
  • the method may also be such that the impedance unit has a first switching device, by means of which the
  • impedance between the first terminal and the second terminal of the secondary winding effective impedance of the impedance unit is increased.
  • the process can proceed in such a way that by means of the first
  • Switching device in the first switching position of the first terminal and the second terminal of the secondary winding are electrically connected and by means of the first
  • Switching device in the second switching position of the first terminal and the second terminal of the secondary winding are electrically isolated from each other.
  • the process can proceed in such a way that by means of the first
  • connection of an impedance (electrical) component of the impedance unit with (the first terminal or the second terminal) of the secondary winding is electrically connected and by means of the first switching device in the second switching position of the connection of the impedance-affected component of (the respective terminal) of the
  • the method may be such that the first terminal and the second terminal of the secondary winding by means of
  • Impedance unit at the first state are electrically connected to form a secondary circuit, which allows the flow of a secondary current.
  • the method may be such that the impedance unit has a first electrical impedance branch and a second electrical impedance branch, wherein the first
  • Impedance branch are connected in parallel and the first
  • Impedanzzweig have different sized electrical impedances and wherein for changing the impedance of the
  • Switching device is electrically connected in the secondary circuit or separated from the secondary circuit.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a device for limiting an electric current flowing in a high voltage line
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram for the device according to FIG. 1 in its first state
  • FIG. 3 shows the equivalent circuit diagram for the device according to FIG.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device for limiting the electrical current flowing in a high-voltage line
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram for the device according to FIG. 5
  • FIG. 4 in its first state
  • FIG. 6 shows the equivalent circuit diagram for the device according to FIG. 6
  • FIG. 4 in its second state
  • Figure 7 shows an embodiment of an apparatus for
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of a device for limiting the electrical current with two impedances
  • Figure 1 shows an embodiment of an apparatus for
  • Figure 1 shows an exemplary sequence of a method for
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a device 1 for limiting one in a high-voltage line 4
  • the high voltage line 4 is part of an energy transmission network for the transmission of electrical power to high voltage level.
  • High voltage is understood in the context of this description, a voltage greater than or equal to 30 kV.
  • the transformer 6 has a primary winding 8 with a first terminal 10 (first primary winding terminal 10) and a second terminal 12 (second primary winding terminal 12). Furthermore, the transformer has a
  • Secondary winding 14 with a first terminal 16 (first secondary winding terminal 16) and a second terminal 18 (second secondary winding terminal 18) on.
  • Primary winding 8 is connected in series with high voltage line 4; i.e. the primary winding 8 is serially in the
  • High voltage line 4 connected.
  • the primary winding 8 interrupts the high voltage line 4, wherein one end of the high voltage line 4 is connected to the first terminal 10 of the primary winding and the other end of the
  • the transformer 6 preferably has a core for guiding the magnetic field, but this core is not shown in the figures.
  • the first terminal 16 of the secondary winding 14 is electrically connected to the second terminal 18 of the secondary winding 14 by means of an impedance unit 24.
  • the impedance unit is by means of the secondary winding 14 from the primary side or
  • Impedance unit 24 is at a lower voltage level than the high voltage line 4.
  • the device 1 Current limiting device 1 thus has the transformer 6 and the impedance unit 24.
  • the impedance unit 24 has an impedance-related electrical component 26 (in this case a coil 26) and a first switching device 28.
  • the secondary winding 14 and the impedance unit 24 form a secondary circuit 34 through which a secondary current Is of the transformer 6 can flow.
  • the secondary current Is of the transformer can, of course, only flow when the first switching device 28 is closed.
  • the coil 26 may in particular be designed so that it has only a small impedance at normal current.
  • the coil 26 may preferably be a non-linear coil, which at
  • Normal current has a small impedance (ideally zero) and has a larger impedance at overcurrent.
  • impedance-affected device 26 for example, a so-called smart coil (variable impedance coil) can be used, see for example the
  • the first switching device 28 thus connects in a first switching position, a first terminal 30 of the first
  • the first switching device 28 disconnects the first terminal 30 of the impedance-subject device 26 from the first terminal 16 of the secondary winding.
  • the second switching position is shown.
  • a second terminal 32 of the first impedance-affected component 26 is
  • FIG. 1 could also be configured such that the first switching device 28 in the first switching position the first terminal 30 of the device 26 with the second
  • Terminal 18 of the secondary winding connects and in the second switching position, this first terminal 30 of the Device 26 from the second terminal 18 of the
  • the first switching device 28 is illustrated by means of a simple switch symbol, the first
  • Switching device 28 have a plurality of individual switching devices, which are connected in a series circuit and / or in a parallel circuit. The first
  • Switching device 28 may thus, for example, a
  • Normal operation flows through the high voltage line 4 a normal current.
  • a normal current is a current whose magnitude falls below a predetermined threshold (current threshold). In normal operation is the first
  • Switching device 28 of the impedance unit 24 closed; In normal operation, the first state of the impedance unit 24 is present.
  • the normal current flows as a primary current through the
  • the secondary current Is flows in the secondary circuit 34 through the closed first switching device 28 and the coil 26 and generates in the secondary winding 14, a magnetic field, which
  • an overcurrent When the current I flowing through the high voltage line 4 exceeds the threshold, there is an overcurrent.
  • Such an overcurrent may be present, for example, when a short circuit has occurred in the energy transmission network.
  • the overcurrent is a short-circuit current.
  • the first switching device 28 is opened.
  • the first switching device 28 is constructed so as to be capable of flowing in the secondary circuit 34
  • the impedance unit 24 has a very large electrical impedance, namely in
  • Switching device 28 is thus between the first
  • the secondary current Is of the secondary circuit 34 stops flowing, the magnetic field of the secondary winding 14 breaks down. As a result, the magnetic field of the primary winding 8 is no longer compensated, and now occurs at the primary winding 8, a larger primary voltage than when the first switching means 28. By this increased primary voltage of the current flowing through the high voltage line 4 current I is limited.
  • the first switching device 28 can be closed again.
  • the first state of the impedance unit 24 is again produced, in which the device 1 only insignificantly affects the current I flowing through the high-voltage line 4
  • Secondary circuit 34 of the impedance unit 24 also a fast variable impedance are used, which has a low impedance in the first state and in the second state has a higher impedance.
  • Such variable impedances can be realized for example by means of a superconducting device or by means of a so-called smart coil.
  • FIG. 2 shows an example of an equivalent circuit diagram 201 for the transformer 6 with connected impedance unit 24 according to FIG. 1 in the first state of the impedance unit (first switching device 28 closed).
  • Equivalent circuit diagram of the transformer 6 has a first
  • Main impedance Zh is much larger than the second stray impedance Zs2 and also much larger than the first stray impedance Zsl.
  • the two stray impedances Zsl and Zs2 have only small
  • Primary winding terminal 12 only a low voltage. This low primary voltage will - as above
  • the Coil 26 can be chosen so that this coil 26 has only a low impedance.
  • the equivalent circuit 201 of the transformer 6 and the impedance unit 24 are in their second state (when the first switching device 28 is open).
  • the current I can no longer flow as a secondary current Is via the impedance-affected electrical component 26 of the impedance unit 24 due to the opened first switching device 28, but flows completely as the main impedance current Ih over the main impedance Zh. Because the
  • Main impedance Zh is much larger than the first stray impedance Zsl and the second stray impedance Zs2, occurs between the first terminal 10 and the second terminal 12 of the
  • Device 401 differs from device 1 according to FIG. 1 only in that impedance unit 24 has a resistor 405 instead of coil 26 as an impedance-applied electrical component.
  • the resistor 405 may be an ohmic resistor 405, in the
  • the resistor 405 is a superconducting resistive current limiter 405.
  • a superconducting inductive current limiter may also be used as the impedance-affected electrical component.
  • This superconductive resistive current limiter 405 has a resistance of different magnitude as a function of the temperature (and consequently also a difference in impedance).
  • the superconducting resistive Current limiter 405 is cooled and is superconducting during normal operation. Therefore, the superconducting resistive
  • Current limiter 405 has a low ohmic resistance and a low electrical impedance during normal operation. As in the embodiment of FIG. 1, in the first state of the impedance unit 24, the first switching device 28 is closed and the secondary current Is flows through the secondary winding 14, the first switching device 28 and the superconducting resistive current limiter 405
  • superconducting resistive current limiter 405 is heated by the increasing secondary current Is so strong that it loses its superconducting property and the electrical resistance increases sharply.
  • the secondary current Is smaller, the magnetic field of the secondary winding weaker, and consequently the voltage occurring across the primary winding 8 increases.
  • the first switching device 28 can then be opened, whereby the secondary current drops to zero and the voltage across the primary winding 8 increases again.
  • the current I flowing through the high voltage line 4 is thereby effectively limited.
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram 501 of the transformer 6 and the impedance unit 24 according to FIG. 4 in the first state of the impedance unit 24 (closed first
  • FIG. 6 shows this equivalent circuit diagram 501 in the second state of the impedance unit 24 (opened first switching device 28).
  • the explanations on the equivalent circuit diagram according to FIGS. 2 and 3 also apply mutatis mutandis to FIGS. 5 and 6.
  • Figure 5 the normal operation is shown, in which the first
  • Switching device 28 is closed and the power almost completely through the impedance unit 24 (that is, through the superconducting resistive current limiter 405 and the first switching device 28) flows.
  • the current I on the primary side becomes larger and thus also the current Is on the secondary side of the transformer.
  • the first switching device 28 can now be opened. As soon as the first switching device 28 is opened, the impedance of the impedance unit 24 increases further. Thus, the effective on the primary side impedance increases, the overcurrent (short-circuit current) is now limited only by the first stray impedance Zsl and the main impedance Zh (which is present in the saturated state). Due to the comparatively large main impedance Zh occurs at the primary winding of the transformer 6, a large
  • Transformer at rated operation carries little magnetic flux and also the core is advantageously designed to be small, the core in a preferred variant with
  • the transformer can also act as a
  • the superconducting component for example, a superconducting winding or the
  • Cool current limiter 405 on the other hand so that increases the (on the primary side) effective impedance of the transformer 6 on.
  • Circuit breaker Preferably, a circuit breaker with a proper time less than 3 milliseconds can be used. If in the secondary circuit additional non-linear
  • Own times are sufficient, for example 15 milliseconds.
  • the first switching device 28 can be closed again.
  • the superconductive resistive current limiter 405 is then cooled and again has a low impedance (thus acts essentially as a short circuit on the secondary side of the transformer). The device for limiting the current now works again in normal operation.
  • the Device 701 for limiting the current flowing in the high voltage line 4 electric current I shown. It is in the Secondary circuit 34, only the secondary winding 14 of the transformer 6 and the first switching device 28 is present. The first switching device 28 is used for
  • Switching device 28 thus connects in the first
  • Terminal 18 of the secondary winding together.
  • the first switching device 28 disconnects the first connection 16 from the second connection 18
  • the impedance unit 24 is free of an impedance-affected component. Therefore, in the secondary circuit 34 of the transformer, substantially only the impedance of the secondary winding 14 and the impedance of the electrical connection lines between the secondary winding 14 and the first switching device 28 are effective. The connection lines always have an (albeit very small) impedance. The secondary circuit 34 thus has a very small electrical impedance (when the first switching device 28 is closed, i.e. at the first state of the impedance unit).
  • the first switching device 28 is opened.
  • the method for limiting the electric current is the same as in the device according to FIG. 1.
  • the first switching device 28 optionally, for example, a commercially available medium-voltage short circuit current limiter.
  • a so-called Is limiter is limiter
  • a CliP current limiting protector
  • Circuit breaker can be used. such as
  • Switching devices can also work with the others
  • Embodiments are used. For some However, such switching devices after a single use, however, fuse elements or switching elements must be replaced, since this type of switching device is intended only for a single use. However, this disadvantage could be due to redundant (for example, parallel
  • the impedance unit 24 has a first electrical impedance branch 804 and a second electrical impedance branch 808.
  • the first electrical impedance branch 804 has the first switching device 28 and the first impedance-affected component 26 (here by way of example the coil 26).
  • the second electrical impedance branch 808 has a second switching device 812 and a second impedance-affected component 816 (here by way of example a second coil 816). The two can
  • impedance-affected components 26, 816 have different electrical impedances; in a special case, however, they can also have equal electrical impedances.
  • the first electrical impedance branch 804 is parallel
  • the first electrical impedance branch 804 can be effectively in the
  • Switching device 812 is the second electrical
  • Impedanzzweig 808 switchable (in particular electrically
  • impedance-affected device 816 This corresponds to the first state of the impedance unit 24. If the first
  • Switching device 28 is opened, then is in
  • Switching device 812 is opened, then is in
  • the current I flowing in the high voltage line can be limited stepwise (depending on the size of the
  • the first impedance-affected component 26 has a smaller inductance (and therefore also a smaller impedance) than the second impedance-affected component 816.
  • the current Is flows through the first impedance-affected component 26 (with the smaller impedance) Inductance), therefore, the voltage drop across the primary winding 8 is comparatively low.
  • Impedance of the Kurzröstrombeskyrs 801 is therefore relatively small; the current I flowing through the high voltage line 4 is hardly hindered / limited.
  • Threshold increases becomes the first switching device 28 open; the second switching device 812 remains closed.
  • the current commutates from the first electrical impedance branch 804 into the second electrical impedance branch 808.
  • the impedance of the impedance unit 24 is thus increased, and the secondary current Is in the secondary circuit 34 is reduced. This will increase the voltage over the
  • the design of the impedance-affected components 26, 816 may be different.
  • the first impedance-affected components 26, 816 may be different.
  • device 816 may be each referred to as a coil, an ohmic resistor, or a superconducting device (particularly as a superconductive resistive device)
  • Switching device 28 and / or the second switching device 812 may each preferably as a power switch (in particular as a power electronic
  • Circuit breaker be configured. Such a
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • GTO thyristor gate turn-off thyristor
  • Variant A The first impedance-affected device 26 and the second impedance-affected device 816 are as two
  • Air throttles designed.
  • the first switching device 28 is opened in front of the first air throttle 26 and an arc is created in the first one
  • Variant B The first impedance-affected component 26 is designed as a superconducting component and is connected in normal operation in the secondary circuit 34 (first
  • impedance-affected device 26 has a comparatively small inductance and impedance in the superconducting state; the second impedance-affected device 816 is as a
  • first switching device 28 and the second switching device 812 a changeover switch can also be used.
  • first choke coil 26 and / or the second choke coil 816 may also be implemented as a choke coil of variable inductance (eg, as a so-called smart coil).
  • Impedance unit 24 at least five times, in particular
  • the difference between the first electrical impedance and the second electrical impedance but can also
  • the first electrical impedance is formed only by (very small) line impedances
  • the second electrical impedance is essentially formed by a separate line
  • impedance-affected component is formed.
  • impedance-affected device 26 and / or the second
  • impedance-affected device 816 may be generally configured in each case as a coil, a resistor or as a superconducting device.
  • Switching device 812 is present. However, the second electrical impedance branch 808 is free of one
  • Impedance unit 24 in which this impedance unit 24 has a very low electrical impedance (almost zero)
  • the first switching device 28 and the second switching device 812 are closed.
  • Such a circuit breaker is advantageous due to the high arc voltage that occurs when switching.
  • the second switching device 812 is opened, and there is an arc in the switching path of the second switching device 812.
  • Arc voltage in the second switching device 812 commutes part of the secondary current to the first
  • a sufficiently large current commutates on the first electrical impedance branch 804, so that subsequently the arc in the second switching device 812 goes out and the switching path of the second switching device 812 goes out
  • Short-circuit current I on the primary side of the transformer 6 sufficiently limited.
  • a variant of the device 901 may be as follows
  • the first choke coil 26 is
  • Secondary circuit 34 connected (first switching device 28 closed). When an overcurrent / short circuit occurs, the first switching device 28 is opened. Until the Zero crossing of the short-circuit current, the secondary current Is continues to flow through the superconducting inductor 26. The high short-circuit current leads to heating of the superconducting inductor and causes the superconductivity collapse.
  • the first switching device 28 interrupts the current through the superconducting inductor 26, thus the current flows
  • the second electrical impedance branch 808 is not present in this variant. In this way, the device according to this variant functions similarly to the device 401 according to FIG.
  • the second electrical impedance branch 808 has only the second one
  • the second electrical impedance branch 808 is switchless; the second electrical impedance branch 808 thus does not have the second switching device 812.
  • Component 26 is designed superconducting and is in
  • Embodiment a superconducting reactor.
  • the first switching device 28 In normal operation, the first switching device 28
  • the secondary current Is largely flows through the first impedance-subject device 26.
  • the high short-circuit current heats the superconducting Choke coil 26, whereupon these are their superconducting
  • Air throttle 816 greater inductance is configured.
  • the short-circuit current is limited even more.
  • the impedance unit can also be realized quite differently, for example, the
  • Impedance unit designed as a modular Multilevelstromrichter.
  • FIG. 11 once again diagrammatically shows an exemplary embodiment of the method for limiting the current flowing in the high-voltage line.
  • the starting point is shown in block 1110: in the case of an electrical current I flowing through the high-voltage line 4, which falls below a predetermined threshold value
  • the impedance unit 24 has the first
  • the impedance unit monitors whether it exceeds the threshold. If the current I exceeds the threshold, then in a step 1130 the impedance unit is brought into the second state. This will be over the
  • Methods of limiting the electrical current flowing through the high voltage line include a series of
  • the impedance unit is connected to the secondary winding of the
  • the components of the impedance unit are at a lower voltage level compared to the high voltage level of the primary winding of the transformer. This allows the impedance unit
  • the variant with a superconducting impedance-related component also has the advantage that even without a quick detection of the overcurrent (and thus without a
  • High voltage line is limited to flowing electrical current.
  • a device and a method has been described with which the current flowing in a high voltage line electrical current can be reliably limited.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begrenzen des in einer Hochspannungsleitung (4) fließenden elektrischen Stroms (I) mit einem Transformator (6), der eine Primärwicklung (8) und eine Sekundärwicklung (14) aufweist, wobei die Primärwicklung (8) seriell mit der Hochspannungsleitung (4) verbindbar ist. Ein erster Anschluss (16) und ein zweiter Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) sind mittels einer Impedanzeinheit (24) elektrisch verbunden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Begrenzen des elektrischen Stroms
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begrenzen des in einer Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms.
Die in Hochspannungsnetzen auftretenden elektrischen
Kurzschlussströme werden zunehmend größer und erreichen
Größenordnungen, welche von den bestehenden Schaltanlagen nur noch schwer beherrscht/abgeschaltet werden können. Bisher wurden in Hochspannungsnetzen die Kurzschlussströme mittels elektrischer Drosselspulen begrenzt, die dauerhaft seriell mit den Hochspannungsleitungen verbunden sind. Diese Lösung weist den Nachteil auf, dass auch bei Normalbetrieb (also beim Fließen von Normalströmen) stets ein Spannungsabfall an den Drosselspulen auftritt. Dadurch wird auch bei
Normalbetrieb das Fließen des Normalstroms in der
Hochspannungsleitung deutlich beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Begrenzen eines in einer
Hochspannungsleitung fließenden Stroms anzugeben, welche im Normalbetrieb die mittels der Hochspannungsleitung
stattfindende Stromübertragung nur wenig beeinträchtigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine
Vorrichtung und durch ein Verfahren nach den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der
Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen
abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird eine Vorrichtung zum Begrenzen eines in einer Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms
- mit einem Transformator, der eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei - die Primärwicklung seriell mit der Hochspannungsleitung verbindbar ist und
- ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss der
Sekundärwicklung mittels einer Impedanzeinheit elektrisch (miteinander) verbunden sind, wobei die Impedanzeinheit in einem ersten Zustand eine erste elektrische Impedanz aufweist und in einem zweiten Zustand eine zweite elektrische Impedanz aufweist, die größer ist als die erste elektrische Impedanz. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass bei dem ersten Zustand der Impedanzeinheit über der Primärwicklung nur eine geringe Spannung auftritt, wodurch der durch die Hochspannungsleitung fließende Strom nur unwesentlich beeinträchtigt (begrenzt) wird. Bei dem zweiten Zustand der Impedanzeinheit tritt über der Primärwicklung eine größere Spannung auf, wodurch der durch die Hochspannungsleitung fließende Strom stärker begrenzt wird als bei dem ersten Zustand der Impedanzeinheit. Dadurch kann vorteilhafterweise bei Normalbetrieb
(Normalstrom) der erste Zustand der Impedanzeinheit genutzt werden, während beim Auftreten von Überströmen die
Impedanzeinheit von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand gebracht wird. Die Impedanzeinheit ist insbesondere eine elektrische Schaltung. Die Impedanzeinheit weist mindestens ein elektrisches Bauelement auf. Dabei handelt es sich um ein eigenständiges Bauelement wie beispielsweise eine
Schalteinrichtung, eine Spule oder ein Widerstandsbauelement.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der Betrag der zweiten elektrischen Impedanz mindestens 5 Mal,
insbesondere mindestens 10 Mal, so groß ist wie der Betrag der ersten elektrischen Impedanz. Dadurch kann erreicht werden, dass die Vorrichtung beim zweiten Zustand der
Impedanzeinheit den in der Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Strom vergleichsweise stark begrenzt.
Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass die Impedanzeinheit eine erste Schalteinrichtung aufweist, mittels der die (zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung wirksame) Impedanz der Impedanzeinheit vergrößerbar ist. Insbesondere kann mittels der ersten Schalteinrichtung die Impedanzeinheit von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand gebracht werden. Diese Schalteinrichtung kann zum Beispiel ein mechanischer oder elektronischer Schalter sein.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung in einer ersten Schaltstellung den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der Sekundärwicklung elektrisch verbindet und
- die erste Schalteinrichtung in einer zweiten Schaltstellung den ersten Anschluss und den zweiten Anschluss der
Sekundärwicklung elektrisch (voneinander) trennt.
Dadurch wird vorteilhafterweise bei der ersten Schaltstellung der ersten Schalteinrichtung die Impedanz der ersten
Impedanzeinheit verringert gegenüber der zweiten
Schaltstellung der ersten Schalteinrichtung. Somit liegt bei der ersten Schaltstellung der ersten Schalteinrichtung der erste Zustand der Impedanzeinheit vor, während bei der zweiten Schaltstellung der ersten Schalteinrichtung der zweite Zustand der Impedanzeinheit vorliegt.
Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung in einer ersten Schaltstellung einen Anschluss eines ersten impedanzbehafteten (elektrischen) Bauelements der Impedanzeinheit mit (dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss) der Sekundärwicklung elektrisch verbindet und
- die erste Schalteinrichtung in einer zweiten Schaltstellung den Anschluss des ersten impedanzbehafteten Bauelements elektrisch von (dem jeweiligen Anschluss) der
Sekundärwicklung trennt. Dadurch kann vorteilhafterweise bei der ersten Schaltstellung der ersten Schalteinrichtung das erste impedanzbehaftete elektrische Bauelement in den
Sekundärstromkreis des Transformators geschaltet werden, wohingegen bei der zweiten Schaltstellung das
impedanzbehaftete Bauelement unwirksam geschaltet wird.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass die
Impedanzeinheit einen ersten elektrischen Impedanzzweig und einen zweiten elektrischen Impedanzzweig aufweist, wobei der erste elektrische Impedanzzweig und der zweite elektrische Impedanzzweig parallelgeschaltet sind. Insbesondere können der erste elektrische Impedanzzweig und der zweite
elektrische Impedanzzweig verschieden große elektrische
Impedanzen aufweisen. Die zwei parallel geschalteten
elektrischen Impedanzzweige haben den Vorteil, dass mit ihnen vier verschiedene elektrische Impedanzen der elektrischen Impedanzeinheit realisiert werden können: die Impedanz des ersten Impedanzzweigs, die Impedanz des zweiten
Impedanzzweigs, die Impedanz der Parallelschaltung vom ersten und zweiten Impedanzzweig und die Impedanz bei aufgetrennten erstem und zweitem Impedanzzweig.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der erste elektrische Impedanzzweig oder der zweite elektrische
Impedanzzweig mittels der ersten Schalteinrichtung elektrisch schaltbar (insbesondere elektrisch auftrennbar) ist. Dadurch kann vorteilhafterweise mittels der ersten Schalteinrichtung der erste Impedanzzweig oder der zweite Impedanzzweig wirksam in dem Sekundärstromkreis des Transformators geschaltet werden (beziehungsweise unwirksam geschaltet werden) .
Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung in dem ersten Impedanzzweig
angeordnet ist und
- die Impedanzeinheit eine zweite Schalteinrichtung aufweist, die in dem zweiten Impedanzzweig angeordnet ist.
Bei dieser Vorrichtung sind also der erste Impedanzzweig und der zweite Impedanzzweig schaltbar (beziehungsweise
auftrennbar) realisiert. Die Sekundärwicklung des
Transformators und die Impedanzeinheit bilden einen Sekundärstromkreis, durch den ein Sekundärstrom des
Transformators fließen kann. Der erste Impedanzzweig und der zweite Impedanzzweig können mittels der Schalteinrichtungen unabhängig voneinander entweder wirksam in den
Sekundärstromkreis des Transformators geschaltet oder aus dem Sekundärstromkreis des Transformators herausgetrennt werden.
Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass der erste Impedanzzweig das erste impedanzbehaftete Bauelement aufweist und
- der zweite Impedanzzweig ein zweites impedanzbehaftetes (elektrisches) Bauelement aufweist. Durch diese beiden impedanzbehafteten Bauelemente kann einfach die Impedanz des ersten Impedanzzweigs und die Impedanz des zweiten
Impedanzzweigs realisiert werden.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass das erste impedanzbehaftete Bauelement und/oder das zweite
impedanzbehaftete Bauelement eine Spule oder ein Widerstand ist. Derartige impedanzbehaftete Bauelemente sind
preisgünstig und einfach zu realisieren. Insbesondere können das erste impedanzbehaftete Bauelement und/oder das zweite impedanzbehaftete Bauelement auch eine Kombination aus einer Spule und einem Widerstand sein; sie können also sowohl Widerstandseigenschaften als auch Spuleneigenschaften
aufweisen .
Die Vorrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass das erste impedanzbehaftete Bauelement und/oder das zweite impedanzbehaftete Bauelement ein supraleitendes elektrisches Bauelement, insbesondere ein supraleitender resistiver oder induktiver Strombegrenzer, ist. Bei einem supraleitenden elektrischen Bauelement (insbesondere bei einem
supraleitenden resistiven oder induktiven Strombegrenzer) ist zusätzlich (in Abhängigkeit von der Temperatur) die Impedanz des Bauelements veränderlich. Insbesondere können das erste impedanzbehaftete Bauelement und/oder das zweite impedanzbehaftete Bauelement auch eine Kombination aus einem resistiven und einem induktiven Strombegrenzer sein:
resistiv-induktiver Strombegrenzer .
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung und/oder die zweite Schalteinrichtung ein Leistungsschalter, insbesondere ein leistungselektronischer Leistungsschalter, ist. Mittels derartiger Leistungsschalter können auch in dem Sekundärstromkreis des Transformators fließende (hohe) Sekundärströme sicher abgeschaltet werden.
Die Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Sekundärwicklung mittels der Impedanzeinheit elektrisch verbunden sind unter Ausbildung eines Sekundärstromkreises. Der Sekundärstromkreis ermöglicht das Fließen eines Sekundärstroms insbesondere dann, wenn sich die Impedanzeinheit in deren ersten Zustand befindet. Das Fließen des Sekundärstroms in dem
Sekundärstromkreis ermöglicht den Aufbau eines Magnetfeldes in der Sekundärwicklung, wobei dieses Magnetfeld das
Magnetfeld der Primärwicklung nahezu vollständig kompensieren kann .
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Begrenzen eines in einer Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms mit einem Transformator, der eine Primärwicklung und eine
Sekundärwicklung aufweist, wobei die Primärwicklung seriell in die Hochspannungsleitung geschaltet ist und ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss der Sekundärwicklung mittels einer Impedanzeinheit elektrisch verbunden sind, wobei die Impedanzeinheit in einem ersten Zustand eine erste elektrische Impedanz aufweist und in einem zweiten Zustand eine zweite elektrische Impedanz aufweist, die größer ist als die erste elektrische Impedanz, wobei bei dem Verfahren
- bei einem durch die Hochspannungsleitung fließenden
elektrischen Strom, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, die Impedanzeinheit den ersten Zustand aufweist, und
- bei Auftreten eines durch die Hochspannungsleitung
fließenden, den Schwellenwert überschreitenden Überstroms die Impedanzeinheit in den zweiten Zustand gebracht wird.
Bei dem ersten Zustand tritt über der Primärwicklung nur eine geringe Spannung auf, wodurch der durch die Primärwicklung fließende Strom nur unwesentlich begrenzt wird. Bei dem zweiten Zustand ist die über der Primärwicklung auftretende Spannung vergrößert, dadurch der durch die Primärwicklung fließende Überstrom begrenzt wird.
Dieses Verfahren kann so ablaufen, dass der Betrag der zweiten elektrischen Impedanz mindestens 5 Mal, insbesondere mindestens 10 Mal, so groß ist wie der Betrag der ersten elektrischen Impedanz.
Das Verfahren kann auch so ablaufen, dass die Impedanzeinheit eine erste Schalteinrichtung aufweist, mittels der die
(zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Sekundärwicklung wirksame) Impedanz der Impedanzeinheit vergrößert wird.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass mittels der ersten
Schalteinrichtung in deren ersten Schaltstellung der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Sekundärwicklung elektrisch verbunden werden und mittels der ersten
Schalteinrichtung in deren zweiten Schaltstellung der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Sekundärwicklung elektrisch (voneinander) getrennt werden.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass mittels der ersten
Schalteinrichtung in deren ersten Schaltstellung ein
Anschluss eines impedanzbehafteten (elektrischen) Bauelements der Impedanzeinheit mit (dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss) der Sekundärwicklung elektrisch verbunden wird und mittels der ersten Schalteinrichtung in deren zweiten Schaltstellung der Anschluss des impedanzbehafteten Bauelements von (dem jeweiligen Anschluss) der
Sekundärwicklung elektrisch getrennt wird.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass der erste Anschluss und der zweite Anschluss der Sekundärwicklung mittels der
Impedanzeinheit bei deren ersten Zustand elektrisch verbunden werden unter Ausbildung eines Sekundärstromkreises, der das Fließen eines Sekundärstroms ermöglicht.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass die Impedanzeinheit einen ersten elektrischen Impedanzzweig und einen zweiten elektrischen Impedanzzweig aufweist, wobei der erste
elektrische Impedanzzweig und der zweite elektrische
Impedanzzweig parallelgeschaltet sind und der erste
elektrische Impedanzzweig und der zweite elektrische
Impedanzzweig verschieden große elektrische Impedanzen aufweisen und wobei zum Verändern der Impedanz der
Impedanzeinheit der erste elektrische Impedanzzweig und/oder der zweite elektrische Impedanzzweig mittels der ersten
Schalteinrichtung elektrisch in den Sekundärstromkreis geschaltet oder aus dem Sekundärstromkreis herausgetrennt wird .
Die beschriebenen Varianten des Verfahrens weisen
gleichartige Vorteile auf, wie sie oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung angegeben sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen verweisen dabei auf gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Dazu ist in
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Begrenzen eines in einer Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms; in Figur 2 ein Ersatzschaltbild für die Vorrichtung gemäß Figur 1 in deren ersten Zustand; in
Figur 3 das Ersatzschaltbild für die Vorrichtung gemäß
Figur 1 in deren zweiten Zustand; in
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Begrenzen des in einer Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms; in
Figur 5 ein Ersatzschaltbild für die Vorrichtung gemäß
Figur 4 in deren ersten Zustand; in
Figur 6 das Ersatzschaltbild für die Vorrichtung gemäß
Figur 4 in deren zweiten Zustand; in
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum
Begrenzen des elektrischen Stroms mit einem kurzschließbaren und auftrennbaren
Sekundärstromkreis; in
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum
Begrenzen des elektrischen Stroms mit zwei Impedanz zweigen ; in
Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Begrenzen des elektrischen Stroms mit zwei Impedanz zweigen ; in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum
Begrenzen eines elektrischen Stroms mit zwei
Impedanzzweigen und nur einer Schalteinrichtung und in
Figur 1 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens zum
Begrenzen des in einer Hochspannungsleitung
fließenden elektrischen Stroms dargestellt .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zum Begrenzen eines in einer Hochspannungsleitung 4
fließenden elektrischen Stroms I (insbesondere eines
Wechselstroms I) dargestellt. Die Hochspannungsleitung 4 ist dabei Teil eines Energieübertragungsnetzes zur Übertragung von elektrischem Strom auf Hochspannungsniveau. Unter
Hochspannung wird im Rahmen dieser Beschreibung eine Spannung größer oder gleich 30 kV verstanden. In die
Hochspannungsleitung 4 ist ein Transformator 6 geschaltet.
Der Transformator 6 weist eine Primärwicklung 8 mit einem ersten Anschluss 10 (erster Primärwicklungsanschluss 10) und einem zweiten Anschluss 12 (zweiter Primärwicklungsanschluss 12) auf. Weiterhin weist der Transformator eine
Sekundärwicklung 14 mit einem ersten Anschluss 16 (erster Sekundärwicklungsanschluss 16) und einem zweiten Anschluss 18 (zweiter Sekundärwicklungsanschluss 18) auf. Die
Primärwicklung 8 ist seriell mit der Hochspannungsleitung 4 verbunden; d.h. die Primärwicklung 8 ist seriell in die
Hochspannungsleitung 4 geschaltet. Dabei unterbricht die Primärwicklung 8 die Hochspannungsleitung 4, wobei ein Ende der Hochspannungsleitung 4 mit dem ersten Anschluss 10 der Primärwicklung verbunden ist und das andere Ende der
Hochspannungsleitung 4 mit dem zweiten Anschluss 12 der
Primärwicklung verbunden ist. Der Transformator 6 weist vorzugsweise einen Kern zur Führung des magnetischen Feldes auf, dieser Kern ist aber in den Figuren nicht dargestellt.
Der ersten Anschluss 16 der Sekundärwicklung 14 ist mittels einer Impedanzeinheit 24 elektrisch mit dem zweiten Anschluss 18 der Sekundärwicklung 14 verbunden. Die Impedanzeinheit ist mittels der Sekundärwicklung 14 von der Primärseite bzw.
Primärwicklung 8 des Transformators 6 entkoppelt. Die
Impedanzeinheit 24 liegt auf einer niedrigeren Spannungsebene als die Hochspannungsleitung 4. Die Vorrichtung 1 (Strombegrenzungsvorrichtung 1) weist also den Transformator 6 und die Impedanzeinheit 24 auf.
Die Impedanzeinheit 24 weist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ein impedanzbehaftetes elektrisches Bauelement 26 (hier: eine Spule 26) und eine erste Schalteinrichtung 28 auf. Die Sekundärwicklung 14 und die Impedanzeinheit 24 bilden einen Sekundärstromkreis 34, durch den ein Sekundärstrom Is des Transformators 6 fließen kann. Im Ausführungsbeispiel kann der Sekundärstrom Is des Transformators natürlich nur bei geschlossener erster Schalteinrichtung 28 fließen. Die Spule 26 kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass diese bei Normalstrom nur eine kleine Impedanz aufweist. Die Spule 26 kann vorzugsweise eine nichtlineare Spule sein, die bei
Normalstrom eine kleine Impedanz aufweist (im Idealfall Null) und bei Überstrom eine größere Impedanz aufweist. Als
impedanzbehaftetes Bauelement 26 kann zum Beispiel eine sogenannte Smart-Coil (Spule mit veränderlicher Impedanz) eingesetzt werden, siehe beispielsweise die
Offenlegungsschrift DE 102010007087A1.
Die erste Schalteinrichtung 28 verbindet also in einer ersten Schaltstellung einen ersten Anschluss 30 des ersten
impedanzbehafteten Bauelements 26 der Impedanzeinheit 24 mit dem ersten Anschluss 16 der Sekundärwicklung 14. In einer zweiten Schaltstellung trennt die erste Schalteinrichtung 28 den ersten Anschluss 30 des impedanzbehafteten Bauelements 26 von dem ersten Anschluss 16 der Sekundärwicklung. In Figur 1 ist die zweite Schaltstellung gezeigt. Ein zweiter Anschluss 32 des ersten impedanzbehafteten Bauelements 26 ist
schalteinrichtungsfrei mit dem zweiten Anschluss 18 der
Sekundärwicklung 14 verbunden. Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 könnte jedoch auch so ausgestaltet sein, dass die erste Schalteinrichtung 28 in der ersten Schaltstellung den ersten Anschluss 30 des Bauelements 26 mit dem zweiten
Anschluss 18 der Sekundärwicklung verbindet und in der zweiten Schaltstellung diesen ersten Anschluss 30 des Bauelements 26 von dem zweiten Anschluss 18 der
Sekundärwicklung trennt.
Obwohl die erste Schalteinrichtung 28 mittels eines einfachen Schaltersymbols dargestellt ist, kann die erste
Schalteinrichtung 28 mehrere Einzel-Schalteinrichtungen aufweisen, die in einer Reihenschaltung und/oder in einer Parallelschaltung geschaltet sind. Die erste
Schalteinrichtung 28 kann also beispielsweise eine
Reihenschaltung von mehreren Einzel-Schalteinrichtungen, eine Parallelschaltung von mehreren Einzel-Schalteinrichtungen oder eine Parallelschaltung von mehreren derartigen
Reihenschaltungen aufweisen. Dies gilt für alle genannten Schalteinrichtungen .
Das Begrenzen des in der Hochspannungsleitung 4 fließenden elektrischen Stroms I läuft folgendermaßen ab: Im
Normalbetrieb fließt durch die Hochspannungsleitung 4 ein Normalstrom. Ein Normalstrom ist ein Strom, dessen Größe einen vorbestimmten Schwellenwert (Strom-Schwellenwert) unterschreitet. Im Normalbetrieb ist die erste
Schalteinrichtung 28 der Impedanzeinheit 24 geschlossen; bei Normalbetrieb liegt der erste Zustand der Impedanzeinheit 24 vor .
Der Normalstrom fließt als Primärstrom durch die
Primärwicklung 8 des Transformators 6 und induziert in der Sekundärwicklung 14 einen Sekundärstrom Is. Der Sekundärstrom Is fließt im Sekundärstromkreis 34 durch die geschlossene erste Schalteinrichtung 28 und die Spule 26 und erzeugt in der Sekundärwicklung 14 ein Magnetfeld, welches das
Magnetfeld der Primärwicklung 8 (nahezu) kompensiert.
Aufgrund des kompensierten (ausgelöschten) Magnetfelds tritt über die Primärwicklung 8 des Transformators 6 nur eine sehr geringe Spannung auf, im Idealfall tritt keine Spannung auf. Aufgrund dieser sehr geringen oder nicht vorhandenen
Primärspannung beeinträchtigt der Transformator 6 den durch die Hochspannungsleitung 4 fließenden Normalstrom nur
unwesentlich .
Wenn der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I den Schwellenwert überschreitet, liegt ein Überstrom vor. Ein solcher Überstrom kann beispielsweise dann vorliegen, wenn in dem Energieübertragungsnetz ein Kurzschluss aufgetreten ist. In diesem Fall ist der Überstrom ein Kurzschlussstrom. Bei Erkennung des Überstroms durch eine nicht dargestellte
Stromüberwachungseinrichtung wird mittels einer nicht
dargestellten Ansteuereinrichtung für die erste
Schalteinrichtung 28 die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet. Die erste Schalteinrichtung 28 ist so aufgebaut, dass sie in der Lage ist, dem im Sekundärstromkreis 34 fließenden
Sekundärstrom Is abzuschalten. Sobald die erste
Schalteinrichtung 28 geöffnet ist, weist die Impedanzeinheit 24 eine sehr große elektrische Impedanz auf, nämlich im
Idealfall eine unendlich große Impedanz. (Wenn die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet ist, liegt ein sekundärseitiger Leerlauf des Transformators 6 vor.) Mittels der ersten
Schalteinrichtung 28 ist also die zwischen dem ersten
Anschluss 16 und dem zweiten Anschluss 18 der
Sekundärwicklung 14 wirksame Impedanz der Impedanzeinheit 24 vergrößerbar .
Jetzt liegt der zweite Zustand der Impedanzeinheit 24 vor.
Der Sekundärstrom Is des Sekundärstromkreises 34 hört auf zu fließen, das Magnetfeld der Sekundärwicklung 14 bricht zusammen. Dadurch wird das Magnetfeld der Primärwicklung 8 nicht mehr kompensiert, und an der Primärwicklung 8 tritt nun eine größere Primärspannung auf als bei geschlossener erster Schalteinrichtung 28. Durch diese vergrößerte Primärspannung wird der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I begrenzt .
Sobald der Strom I den vorbestimmten Schwellenwert
unterschritten hat (und damit wieder ein Normalstrom durch die Hochspannungsleitung 4 fließt) , kann die erste Schalteinrichtung 28 wieder geschlossen werden. Dadurch wird wieder der erste Zustand der Impedanzeinheit 24 hergestellt, bei dem die Vorrichtung 1 den durch die Hochspannungsleitung 4 fließenden Strom I nur unwesentlich beeinträchtigt
beziehungsweise begrenzt.
Anstelle der ersten Schalteinrichtung 28 und des ersten impedanzbehafteten Bauelements 26 kann in dem
Sekundärstromkreis 34 der Impedanzeinheit 24 auch eine schnell veränderliche Impedanz eingesetzt werden, welche im ersten Zustand eine geringe Impedanz aufweist und im zweiten Zustand eine höhere Impedanz aufweist. Derartige veränderbare Impedanzen können beispielsweise mittels eines supraleitenden Bauelements oder mittels einer sogenannten Smart-Coil realisiert werden.
In Figur 2 ist ein beispielhaftes Ersatzschaltbild 201 für den Transformator 6 mit angeschlossener Impedanzeinheit 24 gemäß Figur 1 beim ersten Zustand der Impedanzeinheit (erste Schalteinrichtung 28 geschlossen) dargestellt. Das
Ersatzschaltbild des Transformators 6 weist eine erste
Streuimpedanz Zsl, eine zweite Streuimpedanz Zs2 sowie eine Hauptimpedanz Zh des Transformators auf. Dabei ist die
Hauptimpedanz Zh viel größer als die zweite Streuimpedanz Zs2 und auch viel größer als die erste Streuimpedanz Zsl. Die beiden Streuimpedanzen Zsl und Zs2 weisen nur geringe
Impedanzwerte auf. Im ersten Zustand der Impedanzeinheit 24 fließt also der Primärstrom I des Transformators als
Sekundärstrom Is nahezu vollständig über die (geringe) zweite Streuimpedanz Zs2, die Spule 26 sowie die geschlossene erste Schalteinrichtung 28. Daher tritt zwischen dem ersten
Primärwicklungsanschluss 10 und dem zweiten
Primärwicklungsanschluss 12 nur eine geringe Spannung auf. Durch diese geringe Primärspannung wird - wie oben
ausführlich erläutert - der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I nur wenig beeinträchtigt. Optional kann die Spule 26 so gewählt werden, dass diese Spule 26 auch nur eine geringe Impedanz aufweist.
In Figur 3 ist beispielhaft das Ersatzschaltbild 201 des Transformators 6 und die Impedanzeinheit 24 in deren zweiten Zustand (bei geöffneter erster Schalteinrichtung 28)
dargestellt. Der Strom I kann nun aufgrund der geöffneten ersten Schalteinrichtung 28 nicht mehr als Sekundärstrom Is über das impedanzbehaftete elektrische Bauelement 26 der Impedanzeinheit 24 fließen, sondern fließt vollständig als Hauptimpedanzstrom Ih über die Hauptimpedanz Zh. Da die
Hauptimpedanz Zh viel größer ist als die erste Streuimpedanz Zsl und die zweite Streuimpedanz Zs2, tritt zwischen dem ersten Anschluss 10 und dem zweiten Anschluss 12 der
Primärwicklung eine größere Spannung auf als beim ersten Zustand der Impedanzeinheit 24. Dadurch wird der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I stärker begrenzt als beim ersten Zustand der Impedanzeinheit 24.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 401 zum Begrenzen des in der Hochspannungsleitung 4 fließenden elektrischen Stroms I dargestellt. Diese
Vorrichtung 401 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 gemäß Figur 1 nur dadurch, dass die Impedanzeinheit 24 als impedanzbehaftetes elektrisches Bauelement anstelle der Spule 26 einen Widerstand 405 aufweist. Bei dem Widerstand 405 kann es sich um einen ohmschen Widerstand 405 handeln, im
Ausführungsbeispiel handelt es sich jedoch bei dem Widerstand 405 um einen supraleitenden resistiven Strombegrenzer 405. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann als impedanzbehaftetes elektrisches Bauelement auch ein supraleitender induktiver Strombegrenzer eingesetzt werden.
Dieser supraleitende resistive Strombegrenzer 405 weist in Abhängigkeit von der Temperatur einen unterschiedlich großen ohmschen Widerstand (und folglich auch eine unterschiedlich große Impedanz) auf. Der supraleitende resistive Strombegrenzer 405 wird gekühlt und ist bei Normalbetrieb supraleitend. Daher weist der supraleitende resistive
Strombegrenzer 405 bei Normalbetrieb einen geringen ohmschen Widerstand und eine geringe elektrische Impedanz auf. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist im ersten Zustand der Impedanzeinheit 24 die erste Schalteinrichtung 28 geschlossen und der Sekundärstrom Is fließt durch die Sekundärwicklung 14, die erste Schalteinrichtung 28 und den supraleitenden resistiven Strombegrenzer 405. Sobald der durch die
Hochspannungsleitung 4 fließende Strom größer wird, wird der induzierte, durch den Sekundärstromkreis 34 fließende
Sekundärstrom Is größer. Wenn der durch die
Hochspannungsleitung 4 fließende Strom unzulässig hohe Werte annimmt (Schwellenwert überschritten) , dann wird der
supraleitende resistive Strombegrenzer 405 durch den größer werdenden Sekundärstrom Is so stark erwärmt, dass dieser seine supraleitende Eigenschaft verliert und der elektrische Widerstand stark ansteigt. Dadurch wird der Sekundärstrom Is kleiner, das Magnetfeld der Sekundärwicklung schwächer, und folglich steigt die über der Primärwicklung 8 auftretende Spannung an. Zusätzlich kann dann die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet werden, wodurch der Sekundärstrom auf Null absinkt und die Spannung über der Primärwicklung 8 nochmals ansteigt. Der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I wird dadurch wirkungsvoll begrenzt.
In Figur 5 ist ein Ersatzschaltbild 501 des Transformators 6 sowie die Impedanzeinheit 24 gemäß der Figur 4 beim ersten Zustand der Impedanzeinheit 24 (geschlossene erste
Schalteinrichtung 28) dargestellt. In Figur 6 ist dieses Ersatzschaltbild 501 beim zweiten Zustand der Impedanzeinheit 24 (geöffnete erste Schalteinrichtung 28) dargestellt. Die Erläuterungen zum Ersatzschaltbild gemäß den Figuren 2 und 3 treffen sinngemäß auch auf die Figuren 5 und 6 zu. In Figur 5 ist der Normalbetrieb dargestellt, bei dem die erste
Schalteinrichtung 28 geschlossen ist und der Strom nahezu vollständig durch die Impedanzeinheit 24 (das heißt, durch den supraleitenden resistiven Strombegrenzer 405 und die erste Schalteinrichtung 28) fließt. Im Falle eines Überstroms wird der Strom I auf der Primärseite größer und damit auch der Strom Is auf der Sekundärseite des Transformators.
Dadurch steigt der Strom durch den supraleitenden
Strombegrenzer 405 an. Dadurch erwärmt sich der supraleitende Strombegrenzer 405 und verliert seine supraleitende
Eigenschaft. Daher steigen die Resistanz und die Impedanz des Strombegrenzers 405 deutlich an. Damit steigt auch die (auf der Primärseite wirksame) Impedanz des Transformators 6 an.
In dem Transformator 6 wird nämlich nun die elektrische
Parallelschaltung aus der Hauptimpedanz Zh und dem
supraleitenden resistiven Strombegrenzer 405 wirksam (die zweite Streuimpedanz Zs2 ist vernachlässigbar gering) . An der Primärwicklung des Transformators 6 vergrößert sich der
Spannungsabfall; die Vorrichtung 401 begrenzt den Strom I.
Zusätzlich kann nun die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet werden. Sobald die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet wird, vergrößert sich die Impedanz der Impedanzeinheit 24 weiter. Damit vergrößert sich auch die auf der Primärseite wirksame Impedanz, der Überstrom (Kurzschlussstrom) wird jetzt allein durch die erste Streuimpedanz Zsl und die Hauptimpedanz Zh (welche im gesättigten Zustand vorliegt) begrenzt. Bedingt durch die vergleichsweise große Hauptimpedanz Zh tritt an der Primärwicklung des Transformators 6 ein großer
Spannungsabfall auf. Dadurch gelangt der Kern des
Transformators 6 in die Sättigung. Da der Kern des
Transformators bei Nennbetrieb kaum magnetischen Fluss trägt und zudem der Kern vorteilhafterweise klein ausgeführt werden soll, kann der Kern in einer bevorzugten Variante mit
nichtkornorientierten Blechen ausgeführt sein. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass die nichtkornorientierten Bleche später in Sättigung übergehen als andere Bleche und dadurch mehr Restpermeabilität im Kurzschlussbetrieb zur Verfügung steht. Alternativ kann der Transformator auch als ein
sogenannter Transractor ausgeführt werden, welcher in der österreichischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
A51035/2016 beschrieben ist.
Wie oben bereits erwähnt, kann nach dem Erkennen des
Überstroms die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet werden, vergleiche Figur 6. Dadurch wird der Sekundärstrom
unterbrochen. Damit kann zum einen das supraleitende Bauteil (zum Beispiel eine supraleitende Wicklung oder das
supraleitende Widerstandselement) im supraleitenden
Strombegrenzer 405 abkühlen, zum anderen steigt damit die (auf der Primärseite) wirksame Impedanz des Transformators 6 weiter an.
Es ist von Vorteil, als erste Schalteinrichtung 28 einen Leistungsschalter mit einer möglichst geringen Eigenzeit zu verwenden. Die Eigenzeit beschreibt die Zeitspanne vom
Auftreten des Schaltsignals für den Leistungsschalter bis zum sicheren Abschalten des Stroms Is (beispielsweise bis zum Erreichen des Löschhubes eines mechanischen
Leistungsschalters) . Vorzugsweise kann ein Leistungsschalter mit einer Eigenzeit kleiner 3 Millisekunden verwendet werden. Wenn im Sekundärstromkreis zusätzliche nichtlineare
Bauelemente vorhanden sind, dann können auch längere
Eigenzeiten ausreichend sein, zum Beispiel 15 Millisekunden.
Nach der Klärung des Fehlers und dem Verringern des durch die Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms I kann die erste Schalteinrichtung 28 wieder geschlossen werden. Der supraleitende resistive Strombegrenzer 405 ist dann abgekühlt und weist wieder eine geringe Impedanz auf (wirkt also im Wesentlichen wie ein Kurzschluss auf der Sekundärseite des Transformators) . Die Vorrichtung zum Begrenzen des Stroms arbeitet jetzt wieder im Normalbetrieb.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 701 zur Begrenzen des in der Hochspannungsleitung 4 fließenden elektrischen Stroms I dargestellt. Dabei ist im Sekundärstromkreis 34 lediglich die Sekundärwicklung 14 des Transformators 6 sowie die erste Schalteinrichtung 28 vorhanden. Die erste Schalteinrichtung 28 dient zum
Kurzschließen der Sekundärwicklung 14. Die erste
Schalteinrichtung 28 verbindet also in der ersten
Schaltstellung den ersten Anschluss 16 und den zweiten
Anschluss 18 der Sekundärwicklung miteinander. In der zweiten Schaltstellung trennt die erste Schalteinrichtung 28 den ersten Anschluss 16 vom zweiten Anschluss 18 der
Sekundärwicklung 14.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 7 ist die Impedanzeinheit 24 frei von einem impedanzbehafteten Bauelement. Daher ist im Sekundärstromkreis 34 des Transformators im Wesentlichen lediglich die Impedanz der Sekundärwicklung 14 sowie die Impedanz der elektrischen Verbindungsleitungen zwischen der Sekundärwicklung 14 und der ersten Schalteinrichtung 28 wirksam. Die Verbindungsleitungen weisen stets eine (wenn auch sehr kleine) Impedanz auf. Der Sekundärstromkreis 34 weist also (bei geschlossener erster Schalteinrichtung 28, d.h. beim ersten Zustand der Impedanzeinheit) eine sehr kleine elektrische Impedanz auf. Bei Auftreten eines
Überstroms wird die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet.
Ansonsten läuft das Verfahren zum Begrenzen des elektrischen Stroms gleichartig ab wie bei der Vorrichtung gemäß Figur 1.
Insbesondere beim Ausführungsbeispiel der Figur 7 kann als erste Schalteinrichtung 28 optional beispielsweise ein handelsüblicher Mittelspannungs-Kurzschlussstrombegrenzer eingesetzt werden. Es kann zum Beispiel ein sogenannter Is- Begrenzer (Is-Limiter) eingesetzt werden (der beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE4414289A1 bekannt ist) oder ein CliP (current limiting protector) . Als Schalteinrichtung kann insbesondere auch ein leistungselektronischer
Leistungsschalter verwendet werden. Derartige
Schalteinrichtungen können auch bei den anderen
Ausführungsbeispielen eingesetzt werden. Bei manchen derartigen Schalteinrichtungen müssen nach einer einmaligen Benutzung jedoch Sicherungselemente oder Schaltelemente ausgetauscht werden, da diese Art von Schalteinrichtung nur für eine einmalige Benutzung vorgesehen ist. Dieser Nachteil könnte jedoch durch redundante (zum Beispiel parallel
geschaltete) Schalteinrichtungen vermieden werden.
In Figur 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 801 zum Begrenzen des durch die
Hochspannungsleitung 4 fließenden Stroms I dargestellt. Bei dieser Vorrichtung 801 weist die Impedanzeinheit 24 einen ersten elektrischen Impedanzzweig 804 und einen zweiten elektrischen Impedanzzweig 808 auf. Der erste elektrische Impedanzzweig 804 weist die erste Schalteinrichtung 28 und das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 (hier: beispielhaft die Spule 26) auf. Der zweite elektrische Impedanzzweig 808 weist eine zweite Schalteinrichtung 812 und ein zweites impedanzbehaftetes Bauelement 816 (hier beispielhaft eine zweite Spule 816) auf. Dabei können die beiden
impedanzbehafteten Bauelemente 26, 816 unterschiedliche elektrische Impedanzen aufweisen; in einem Spezialfall können sie aber auch gleich elektrische Impedanzen aufweisen.
Der erste elektrische Impedanzzweig 804 ist parallel
geschaltet zu dem zweiten elektrischen Impedanzzweig 808. Mittels der ersten Schalteinrichtung 28 kann der erste elektrische Impedanzzweig 804 wirksam in den
Sekundärstromkreis 34 des Transformator 6 geschaltet werden; mittels der zweiten Schalteinrichtung 812 kann der zweite elektrische Impedanzzweig 808 wirksam in den
Sekundärstromkreis 34 des Transformators 6 geschaltet werden. Mittels der ersten Schalteinrichtung 28 ist also der erste elektrische Impedanzzweig 804 schaltbar (insbesondere
elektrisch auftrennbar) ; mittels der zweiten
Schalteinrichtung 812 ist der zweite elektrische
Impedanzzweig 808 schaltbar (insbesondere elektrisch
auftrennbar) . Wenn sowohl die erste Schalteinrichtung 28 als auch die zweite Schalteinrichtung 812 geschlossen sind, dann weist die Impedanzeinheit 24 ihre geringstmögliche Impedanz auf
(bestimmt durch die Parallelschaltung des ersten
impedanzbehafteten Bauelements 26 und des zweiten
impedanzbehafteten Bauelements 816). Dies entspricht dem ersten Zustand der Impedanzeinheit 24. Wenn die erste
Schalteinrichtung 28 geöffnet wird, dann ist im
Sekundärstromkreis 34 nur noch das zweite impedanzbehaftete Bauelement 816 wirksam, die Impedanz der Impedanzeinheit 24 ist also vergrößert. Wenn später auch noch die zweite
Schalteinrichtung 812 geöffnet wird, dann ist im
Sekundärstromkreis keines der impedanzbehafteten Bauelemente 26, 816 mehr wirksam, die Impedanz des der Impedanzeinheit 24 geht gegen unendlich. Dies entspricht dem zweiten Zustand der Impedanzeinheit 24.
Mittels dieser Strombegrenzungsvorrichtung 801 kann der in der Hochspannungsleitung fließende Strom I stufenweise begrenzt werden (in Abhängigkeit von der Größe des
Überstroms/Kurzschlussstroms) .
Im Folgenden sei angenommen, dass das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 eine kleinere Induktivität (und damit auch eine kleinere Impedanz) aufweist als das zweite impedanzbehaftete Bauelement 816. Im Normalbetrieb (bei Normalstrom) fließt der Strom Is durch das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 (mit der kleineren Induktivität) , daher ist der Spannungsabfall über der Primärwicklung 8 vergleichsweise gering. Die
Impedanz des Kurzschlussstrombegrenzers 801 ist also relativ klein; der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I wird kaum behindert/begrenzt .
Im Kurzschlussfall (das heißt, wenn der durch die
Hochspannungsleitung 4 fließende Strom I über den
Schwellenwert ansteigt) wird die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet; die zweite Schalteinrichtung 812 bleibt geschlossen. Dadurch kommutiert der Strom von dem ersten elektrischen Impedanzzweig 804 in den zweiten elektrischen Impedanzzweig 808. Die Impedanz der Impedanzeinheit 24 wird also vergrößert, der Sekundärstrom Is im Sekundärstromkreis 34 verkleinert. Dadurch wird die Spannung über der
Primärwicklung 8 vergrößert und der durch die
Hochspannungsleitung 4 fließende Überstrom I verringert.
Die Ausführung der impedanzbehafteten Bauelemente 26, 816 kann unterschiedlich sein. Das erste impedanzbehaftete
Bauelement 26 und/oder das zweite impedanzbehaftete
Bauelement 816 können beispielsweise jeweils als eine Spule, ein ohmscher Widerstand oder ein supraleitendes Bauelement (insbesondere als ein supraleitender resistiver
Strombegrenzer) ausgestaltet sein. Die erste
Schalteinrichtung 28 und/oder die zweite Schalteinrichtung 812 können vorzugsweise jeweils als ein Leistungsschalter (insbesondere als ein leistungselektronischer
Leistungsschalter) ausgestaltet sein. Solch ein
leistungselektronischer Leistungsschalter kann
leistungselektronische Bauelemente aufweisen, welche den Strom zu jedem Zeitpunkt zu Null führen können (das heißt, abschalten können) . Solche leistungselektronischen
Bauelemente können beispielsweise IGBTs oder GTO-Thyristoren sein (IGBT = Insulated-Gate Bipolar Transistor, GTO-Thyristor = Gate Turn-Off Thyristor) . Um einen derartigen
leistungselektronischen Leistungsschalter zu öffnen, werden die leistungselektronischen Bauelemente gesperrt.
Variante A: Das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 und das zweite impedanzbehaftete Bauelement 816 sind als zwei
Luftdrosseln ausgestaltet. Im Kurzschlussfall wird die erste Schalteinrichtung 28 vor der ersten Luftdrossel 26 geöffnet und es entsteht ein Lichtbogen in der ersten
Schalteinrichtung 28. Mittels der zweiten Schalteinrichtung 812 wird der Lichtbogen auf die zweite Luftdrossel 816 kommutiert .
Variante B: Das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 ist als supraleitendes Bauelement ausgeführt und ist im Normalbetrieb in den Sekundärstromkreis 34 geschaltet (erste
Schalteinrichtung 28 geschlossen) . Das erste
impedanzbehaftete Bauelement 26 hat im supraleitenden Zustand eine vergleichsweise kleine Induktivität und Impedanz; das zweite impedanzbehaftete Bauelement 816 ist als eine
Luftdrossel größerer Induktivität und Impedanz ausgestaltet. Bei Erkennung eines Kurzschlusses/Überstroms wird die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet und die zweite
Schalteinrichtung 812 geschlossen. Bis zum Nulldurchgang des Sekundärstromes fließt der Strom Is weiterhin durch den ersten elektrischen Impedanzzweig 804 und damit durch das supraleitende erste Bauelement 26. Dieser große Sekundärstrom erwärmt das erste Bauelement 26, wodurch die Impedanz des ersten Bauelements 26 ansteigt. Dadurch wird die erste
Halbwelle des Sekundärstroms Is und damit die erste Halbwelle des Überstromes begrenzt. Beim Nulldurchgang des Stroms Is erlischt der Lichtbogen. Der Sekundärstrom Is kann jetzt nicht mehr durch die Drosselspule 26 fließen, sondern er fließt jetzt durch die Luftdrossel 816 (mit größerer
Induktivität und Impedanz) und wird dadurch weiter begrenzt.
Anstelle der ersten Schalteinrichtung 28 und der zweiten Schalteinrichtung 812 kann auch ein Umschalter eingesetzt werden. Optional können die erste Drosselspule 26 und/oder die zweite Drosselspule 816 auch als eine Drosselspule variabler Induktivität ausgeführt sein (z. B. als eine sogenannte Smart-Coil) .
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist der Betrag der zweiten elektrischen Impedanz beim zweiten Zustand der
Impedanzeinheit 24 mindestens fünfmal, insbesondere
mindestens zehnmal, so groß wie der Betrag der ersten elektrischen Impedanz beim ersten Zustand der Impedanzeinheit 24. Der Unterschied zwischen der ersten elektrischen Impedanz und der zweiten elektrischen Impedanz kann aber auch
wesentlich größer sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn beim ersten Zustand die erste elektrische Impedanz lediglich durch (sehr kleine) Leitungsimpedanzen gebildet wird, während beim zweiten Zustand die zweite elektrische Impedanz im Wesentlichen durch ein eigenständiges
impedanzbehaftetes Bauelement gebildet wird.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das erste
impedanzbehaftete Bauelement 26 und/oder das zweite
impedanzbehaftete Bauelement 816 allgemein jeweils als eine Spule, ein Widerstand oder als ein supraleitendes Bauelement ausgestaltet sein.
In Figur 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 901 zum Begrenzen des in der Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms I dargestellt. Diese
Vorrichtung 901 unterscheidet sich von der in Figur 8
dargestellten Vorrichtung 801 dadurch, dass in den zweiten elektrischen Impedanzzweig 808 lediglich die zweite
Schalteinrichtung 812 vorhanden ist. Der zweite elektrische Impedanzzweig 808 ist jedoch frei von einem
impedanzbehafteten Bauelement, so dass der zweite elektrische Impedanzzweig 808 bei geschlossener zweiter Schalteinrichtung 812 die Sekundärwicklund 14 kurzschließt. Durch Schließen der zweiten Schalteinrichtung 812 lässt sich (ähnlich wie bei der Vorrichtung 701 gemäß Figur 7) ein erster Zustand der
Impedanzeinheit 24 erreichen, in dem diese Impedanzeinheit 24 eine sehr geringe elektrische Impedanz (nahezu Null)
aufweist .
Bei Normalbetrieb sind die erste Schalteinrichtung 28 sowie die zweite Schalteinrichtung 812 geschlossen. Der
Sekundärstrom fließt nahezu vollständig durch den zweiten elektrischen Impedanzzweig 808. Im Überstromfall/Kurzschlussfall wird die zweite
Schalteinrichtung 812 geöffnet. Dadurch wird das erste impedanzbehaftete Bauelement 26 im Sekundärstromkreis 34 wirksam. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die
Lichtbogenspannung der zweiten Schalteinrichtung 812
ausreichend hoch ist, um den Strom vollständig von dem zweiten elektrischen Impedanzzweig 808 in den ersten
elektrischen Impedanzzweig 804 zu kommutieren. Als erste Schalteinrichtung 28 und als zweite Schalteinrichtung 812 kann hierbei jeweils vorteilhaft ein Leistungsschalter eingesetzt werden, der zum Schalten von Gleichströmen
entwickelt worden ist. Ein derartiger Leistungsschalter ist vorteilhaft aufgrund der hohen Lichtbogenspannung, die beim Schalten auftritt.
Im Kurzschlussfall wird also die zweite Schalteinrichtung 812 geöffnet, und es entsteht ein Lichtbogen in der Schaltstrecke der zweiten Schalteinrichtung 812. Durch die
Lichtbogenspannung in der zweiten Schalteinrichtung 812 kommutiert ein Teil des Sekundärstroms auf den ersten
elektrischen Impedanzzweig 804. Bei ausreichend hoher
Lichtbogenspannung der zweiten Schalteinrichtung 812
kommutiert ein ausreichend großer Strom auf den ersten elektrischen Impedanzzweig 804, so dass in der Folge der Lichtbogen in der zweiten Schalteinrichtung 812 erlischt und die Schaltstrecke der zweiten Schalteinrichtung 812
ausreichend isoliert. Durch die Impedanz des ersten
impedanzbehafteten Bauelements 26 wird nun der
Kurzschlussstrom I auf der Primärseite des Transformators 6 ausreichend begrenzt.
Eine Variante der Vorrichtung 901 kann folgendermaßen
ausgestaltet sein: die erste Drosselspule 26 wird
supraleitend ausgeführt und ist im Normalbetrieb in den
Sekundärstromkreis 34 geschaltet (erste Schalteinrichtung 28 geschlossen) . Bei Auftreten eines Überstroms/Kurzschlusses wird die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet. Bis zum Nulldurchgang des Kurzschlussstromes fließt der Sekundärstrom Is weiterhin durch die supraleitende Drosselspule 26. Der hohe Kurzschlussstrom führt zur Erwärmung der supraleitenden Drosselspule und lässt die Supraleitung zusammenbrechen.
Daraufhin steigt die Impedanz der Drosselspule 26 stark an und der Kurzschlussstrom wird begrenzt (und damit
gewissermaßen in die Hauptimpedanz des Transformators
gedrängt, vergleiche das Ersatzschaltbild) . Beim nächsten oder übernächsten Nulldurchgang des Kurzschlussstromes unterbricht die erste Schalteinrichtung 28 den Strom durch die supraleitende Drossel 26, damit fließt der Strom
vollständig durch die Hauptimpedanz des Transformators. Der zweite elektrische Impedanzzweig 808 ist bei dieser Variante nicht vorhanden. Damit funktioniert die Vorrichtung gemäß dieser Variante ähnlich wie die Vorrichtung 401 gemäß Figur 4 mit .
In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung 1001 zum Begrenzen des in der
Hochspannungsleitung 4 fließenden elektrischen Stroms I dargestellt. Bei dieser Vorrichtung 1001 weist der zweite elektrische Impedanzzweig 808 lediglich das zweite
impedanzbehaftete Bauelement 816 auf. Der zweite elektrische Impedanzzweig 808 ist schalteinrichtungsfrei; der zweite elektrische Impedanzzweig 808 weist also nicht die zweite Schalteinrichtung 812 auf. Das erste impedanzbehaftete
Bauelement 26 ist supraleitend ausgeführt und ist im
Ausführungsbeispiel eine supraleitende Drosselspule.
Im Normalbetrieb ist die erste Schalteinrichtung 28
geschlossen, so dass die supraleitende Drosselspule 26 in den Sekundärstromkreis 34 geschaltet ist. Bei Auftreten eines Überstroms/Kurzschlusses wird die erste Schalteinrichtung 28 geöffnet. Bis zum nächsten Nulldurchgang des
Kurzschlussstromes fließt der Sekundärstrom Is zum größten Teil weiterhin durch das erste impedanzbehaftete Bauelement 26. Der hohe Kurzschlussstrom erwärme die supraleitende Drosselspule 26, woraufhin diese ihre supraleitende
Eigenschaft verliert und die Impedanz der Drosselspule 26 ansteigt. Die vergrößerte Impedanz der Drosselspule 26 begrenzt den Kurzschlussstrom in der ersten Stromhalbwelle. Beim nächsten Nulldurchgang des Stroms erlischt der
Lichtbogen, so dass der Strom nicht mehr durch die erste supraleitende Drosselspule 26 fließen kann. Der Strom wird also mittels der ersten Schalteinrichtung 28 unterbrochen und fließt jetzt vollständig durch das zweite impedanzbehaftete Bauelement 816, welches im Ausführungsbeispiel als eine
Luftdrossel 816 größerer Induktivität ausgestaltet ist.
Dadurch wird der Kurzschlussstrom noch stärker begrenzt. In dieser Ausführung kann es sinnvoll sein, den Transformator 6 auf eine große magnetische Durchflutung hin auszulegen (damit die Hauptimpedanz Zh nicht zu klein wird) . In anderen
Ausführungsbeispielen kann die Impedanzeinheit auch ganz anders realisiert sein, beispielsweise kann die
Impedanzeinheit als ein modularer Multilevelstromrichter ausgestaltet sein.
In Figur 11 ist diagrammartig noch einmal überblicksartig ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Begrenzen des in der Hochspannungsleitung fließenden Stroms dargestellt. Der
Ausgangspunkt ist im Block 1110 dargestellt: Bei einem durch die Hochspannungsleitung 4 fließenden elektrischen Strom I, der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet
(Normalstrom) , weist die Impedanzeinheit 24 den ersten
Zustand auf. Im Verfahrensschritt 1120 wird der durch die Hochspannungsleitung 4 fließende elektrische Strom I
daraufhin überwacht, ob er den Schwellenwert überschreitet. Wenn der Strom I den Schwellenwert überschreitet, dann wird in einem Verfahrensschritt 1130 die Impedanzeinheit in den zweiten Zustand gebracht. Dadurch wird die über der
Primärwicklung 8 auftretende Primärspannung vergrößert, wodurch der durch die Primärwicklung des Transformators fließende Strom I begrenzt wird, Block 1140. Die beschriebenen Vorrichtungen und das beschriebene
Verfahren zum Begrenzen des durch die Hochspannungsleitung fließenden elektrischen Stroms weisen eine Reihe von
Vorteilen auf:
Die Impedanzeinheit ist an die Sekundärwicklung des
Transformators angeschlossen. Daher liegen die Bauelemente der Impedanzeinheit auf einem geringeren Spannungsniveau verglichen mit dem Hochspannungsniveau der Primärwicklung des Transformators. Dadurch kann die Impedanzeinheit
vergleichsweise einfach und kostengünstig realisiert werden. Eine derartige Lösung auf einem niedrigeren Spannungsniveau ist weniger aufwendig in Bezug auf Entwicklung, Herstellung und Test und verspricht einen langen fehlerfreien Betrieb.
Die Variante mit einem supraleitenden impedanzbehafteten Bauelement hat zudem den Vorteil, dass sogar ohne eine schnelle Erkennung des Überstroms (und damit ohne ein
schnelles Öffnen der dem supraleitenden Bauelement
zugeordneten Schalteinrichtung) allein aufgrund der Erhöhung der Impedanz des supraleitenden Bauelements der in der
Hochspannungsleitung fließende elektrische Strom begrenzt wird .
Es wurde eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, mit denen der in einer Hochspannungsleitung fließende elektrische Strom zuverlässig begrenzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Begrenzen eines in einer
Hochspannungsleitung (4) fließenden elektrischen Stroms (I)
- mit einem Transformator (6), der eine Primärwicklung (8) und eine Sekundärwicklung (14) aufweist, wobei
- die Primärwicklung (8) seriell mit der Hochspannungsleitung (4) verbindbar ist und
- ein erster Anschluss (16) und ein zweiter Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) mittels einer Impedanzeinheit (24) elektrisch verbunden sind, wobei die Impedanzeinheit (24) in einem ersten Zustand eine erste elektrische Impedanz aufweist und in einem zweiten Zustand eine zweite elektrische Impedanz aufweist, die größer ist als die erste elektrische Impedanz.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Betrag der zweiten elektrischen Impedanz mindestens 5 Mal, insbesondere mindestens 10 Mal, so groß ist wie der Betrag der ersten elektrischen Impedanz.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Impedanzeinheit (24) eine erste Schalteinrichtung (28) aufweist, mittels der die Impedanz der Impedanzeinheit (24) vergrößerbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (28) in einer ersten
Schaltstellung den ersten Anschluss (16) und den zweiten Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) elektrisch verbindet und
- die erste Schalteinrichtung (28) in einer zweiten
Schaltstellung den ersten Anschluss (16) und den zweiten Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) elektrisch trennt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (28) in einer ersten
Schaltstellung einen Anschluss (30) eines ersten
impedanzbehafteten Bauelements (26) der Impedanzeinheit mit der Sekundärwicklung (14) elektrisch verbindet und
- die erste Schalteinrichtung (28) in einer zweiten
Schaltstellung den Anschluss (30) des ersten
impedanzbehafteten Bauelements (26) elektrisch von der Sekundärwicklung (14) trennt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Impedanzeinheit (24) einen ersten elektrischen
Impedanzzweig (804) und einen zweiten elektrischen
Impedanzzweig (808) aufweist, wobei der erste elektrische Impedanzzweig (904) und der zweite elektrische Impedanzzweig (808) parallelgeschaltet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der erste elektrische Impedanzzweig (804) oder der zweite elektrische Impedanzzweig (808) mittels der ersten
Schalteinrichtung (28) elektrisch schaltbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (28) in dem ersten
Impedanzzweig (804) angeordnet ist und
- die Impedanzeinheit (24) eine zweite Schalteinrichtung (812) aufweist, die in dem zweiten Impedanzzweig (808) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der erste Impedanzzweig (804) das erste impedanzbehaftete Bauelement (26) aufweist und
- der zweite Impedanzzweig (808) ein zweites
impedanzbehaftetes Bauelement (816) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste impedanzbehaftete Bauelement (26) und/oder das zweite impedanzbehaftete Bauelement (816) eine Spule oder ein Widerstand ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- das erste impedanzbehaftete Bauelement (26) und/oder das zweite impedanzbehaftete Bauelement (816) ein supraleitendes Bauelement (405) ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die erste Schalteinrichtung (28) und/oder die zweite
Schalteinrichtung (812) ein Leistungsschalter, insbesondere ein leistungselektronischer Leistungsschalter, ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der erste Anschluss (16) und der zweite Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) mittels der Impedanzeinheit (24) elektrisch verbunden sind unter Ausbildung eines
Sekundärstromkreises (34), der das Fließen eines
Sekundärstroms (Is) ermöglicht.
14. Verfahren zum Begrenzen eines in einer
Hochspannungsleitung (4) fließenden elektrischen Stroms mit einem Transformator (6), der eine Primärwicklung (8) und eine Sekundärwicklung (14) aufweist, wobei die Primärwicklung (8) seriell in die Hochspannungsleitung (4) geschaltet ist und ein erster Anschluss (16) und ein zweiter Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) mittels einer Impedanzeinheit (24) elektrisch verbunden sind, wobei die Impedanzeinheit (24) in einem ersten Zustand eine erste elektrische Impedanz aufweist und in einem zweiten Zustand eine zweite elektrische Impedanz aufweist, die größer ist als die erste elektrische Impedanz, wobei bei dem Verfahren
- bei einem durch die Hochspannungsleitung (4) fließenden elektrischen Strom (I), der einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, die Impedanzeinheit (24) den ersten Zustand aufweist, und
- bei Auftreten eines durch die Hochspannungsleitung (4) fließenden, den Schwellenwert überschreitenden Überstroms die Impedanzeinheit (24) in den zweiten Zustand gebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der Betrag der zweiten elektrischen Impedanz mindestens 5 Mal, insbesondere mindestens 10 Mal, so groß ist wie der Betrag der ersten elektrischen Impedanz.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Impedanzeinheit (24) eine erste Schalteinrichtung (28) aufweist, mittels der die Impedanz der Impedanzeinheit (24) vergrößert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- mittels der ersten Schalteinrichtung (28) in deren ersten Schaltstellung der erste Anschluss (16) und der zweite
Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) elektrisch verbunden werden und
- mittels der ersten Schalteinrichtung (28) in deren zweiten Schaltstellung der erste Anschluss (16) und der zweite
Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) elektrisch getrennt werden .
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- mittels der ersten Schalteinrichtung (28) in deren ersten Schaltstellung ein Anschluss (30) eines impedanzbehafteten Bauelements (26) der Impedanzeinheit (24) mit der
Sekundärwicklung (14) elektrisch verbunden wird und
- mittels der ersten Schalteinrichtung (28) in deren zweiten Schaltstellung der Anschluss (30) des impedanzbehafteten Bauelements (26) von der Sekundärwicklung (14) elektrisch getrennt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- der erste Anschluss (16) und der zweite Anschluss (18) der Sekundärwicklung (14) mittels der Impedanzeinheit (24) bei deren ersten Zustand elektrisch verbunden werden unter
Ausbildung eines Sekundärstromkreises (34), der das Fließen eines Sekundärstroms (Is) ermöglicht.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
- die Impedanzeinheit (24) einen ersten elektrischen
Impedanzzweig (804) und einen zweiten elektrischen
Impedanzzweig (808) aufweist, wobei der erste elektrische Impedanzzweig (804) und der zweite elektrische Impedanzzweig (808) parallelgeschaltet sind und der erste elektrische
Impedanzzweig (804) und der zweite elektrische Impedanzzweig (808) verschieden große elektrische Impedanzen aufweisen und wobei zum Verändern der Impedanz der Impedanzeinheit (24) der erste elektrische Impedanzzweig (804) und/oder der zweite elektrische Impedanzzweig (808) mittels der ersten
Schalteinrichtung (28) elektrisch in den Sekundärstromkreis (34) geschaltet oder aus dem Sekundärstromkreis (34)
herausgetrennt wird.
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