Strombegrenzer und ihre Arten

Einführung in den Fehlerstrombegrenzer

In jüngster Zeit hat die steigende Nachfrage nach Energie zu einem erheblichen Bedarf an robustem Ausbau der Stromerzeugung und -übertragung geführt, was zu einer grundlegenden Notwendigkeit geworden ist. Allerdings stellen Kurzschlüsse in jedem Energieregierungssystem eines der hartnäckigsten und herausforderndsten Probleme dar, und ihre Auswirkungen verstärken sich mit der Erweiterung der Erzeugung. Die durch Kurz- oder Fehlerströme verursachten Probleme sind vielfältig:

• Thermischer Belastung von Geräten: Unverträgliche thermische Belastungen werden auf elektrische Geräte ausgeübt, was zu vorzeitiger Verschleiß, Schäden und sogar dem Ausfall von Komponenten führen kann.

• Elektrodynamische Störungen: Eine Vielzahl elektrodynamischer Kräfte im Schaltkreis stört den normalen Betrieb von Instrumenten und beeinträchtigt ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit.

• Technologische und wirtschaftliche Einschränkungen: Um den Schaltkreis vor Schäden zu schützen, werden effizientere Leistungsschalter benötigt. Diese Forderung stellt nicht nur technologische Hürden dar, sondern bringt auch erhebliche wirtschaftliche Einschränkungen mit sich.

• Sicherheitsrisiken: Sicherheitsbedenken gehören zu den dringlichsten Problemen, da Kurzschlüsse eine direkte Bedrohung für das Leben des Personals und die Integrität der elektrischen Infrastruktur darstellen.

• Spannungsschwankungen: Kurzschlüsse verschärfen das Problem der Spannungsschwankungen bei Schaltvorgängen, was sie kritischer und schwieriger zu bewältigen macht.

Angesichts dieser Herausforderungen ist die Entwicklung fortschrittlicherer und präziserer Systeme zur Bewältigung von Kurzschlüssen unerlässlich geworden. Dieser Artikel wird einige vorgeschlagene und umgesetzte Ansätze zur Minderung der Auswirkungen von Fehlerströmen untersuchen.

Ansätze

Die folgenden Methoden werden entweder aktiv erforscht oder sind bereits in praktischer Anwendung, je nach ihren spezifischen Eigenschaften und Anwendungen:

• Strombegrenzungsdrossel (CLR): Weit bekannt für ihre Effektivität bei der Begrenzung von Fehlerströmen.

• Festkörper-Strombegrenzer: Eine aufstrebende Technologie, die großes Potenzial zeigt, aber noch in den frühen Phasen der Forschung und Entwicklung steht.

• Supraleitende Strombegrenzer: Diese Geräte nutzen die einzigartigen Eigenschaften von Supraleitern, um den Strom zu begrenzen, und stehen wie Festkörperbegrenzer in den anfänglichen Entwicklungsphasen.

• Sicherungen: Eine traditionelle, aber zuverlässige Methode zum Schutz von Schaltkreisen, indem der Strom unterbrochen wird, wenn er einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

• Busbar-Splitting in Umspannwerken: Ein praktischer Ansatz, der dazu beiträgt, Fehlerströme durch Änderung der elektrischen Konfiguration des Umspannwerks zu reduzieren.

• Einsatz von Transformatoren mit hoher Impedanz: Diese Transformatoren können verwendet werden, um die Impedanz im Schaltkreis zu erhöhen und damit die Größe der Fehlerströme zu begrenzen.

• Verwendung von Kernreaktoren zur Strombegrenzung: Obwohl es sich um einen unkonventionellen Ansatz handelt, hat die Forschung das Potential von Kernreaktoren zur Beitragsleistung an Strombegrenzungsmechanismen untersucht.

Von diesen Techniken befinden sich die Verwendung von Festkörper- und supraleitenden Geräten noch in der Entwicklungsphase. Bei der Implementierung eines Systems zur Bewältigung von Kurzschlussproblemen müssen zwei wichtige Aspekte berücksichtigt werden:

Strategien zur Minderung von Fehlerströmen in Umspannwerken und Verteilnetzen

Platzierung und Anzahl der Begrenzungsdrosseln

Zwei entscheidende Fragen in der Elektrotechnik betreffen die optimale Platzierung von Begrenzungsdrosseln innerhalb von Umspannwerken und dem Verteilnetz sowie die Bestimmung der idealen Anzahl dieser Drosseln, die erforderlich sind, um Fehlerströme wirksam zu managen. Diese Entscheidungen erfordern ein umfassendes Verständnis der Charakteristika des elektrischen Systems, der Lastanforderungen und potenzieller Fehlerfälle.

Strombegrenzungsdrossel (CLR)

Die Strombegrenzungsdrossel stellt eine der kostengünstigsten und praktischsten Lösungen für die Fehlerstromverwaltung dar. Ihre Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit des Umspannwerks sind minimal, was sie zu einer bevorzugten Option für viele elektrische Systeme macht. Allerdings hat sie bestimmte Nachteile. Die physische Hardware von CLRs ist in der Regel groß und beansprucht viel Platz im Umspannwerk. Darüber hinaus kann die Anwesenheit von CLRs zu einer Verschlechterung der Spannungsstabilität führen, die sorgfältig überwacht und verwaltet werden muss.

Festkörper-Fehlerstrombegrenzer

Festkörper-Fehlerstrombegrenzer befinden sich derzeit in der Forschungs- und Entwicklungsphase. Sie bieten den Vorteil, dass sie relativ einfach in Verteilnetze integriert werden können. Allerdings wirkt sich ihr hoher Kostenfaktor als großer Hemmschuh aus, der eine breite Implementierung in großem Maßstab verhindert. Forscher arbeiten aktiv daran, die Kosten zu senken und deren Leistungsfähigkeit zu verbessern, um sie für kommerzielle Nutzung attraktiver zu machen.

Sicherung

Sicherungen dienen als sehr effektive und effiziente Stromunterbrechungsgeräte, die sie geeignet machen, als Strombegrenzer eingesetzt zu werden. Sie sind günstig und einfach zu installieren. Allerdings ist ihre Wirksamkeit durch ihre Nennkapazität begrenzt. Zum Beispiel können typische Sicherungen möglicherweise für eine maximale Spannung von 40 kV und einen Strom von 200 A konzipiert sein, was ihre Anwendung in Hochspannungs- und Hochstromszenarien einschränkt. Hochrupturkapazitäts-Sicherungen (HRC) bieten eine verbesserte Leistung, haben jedoch ebenfalls ihre eigenen Grenzen.

Busbar-Fehlerstrombegrenzer

Buskoppler-Schaltgeräte können als Busbar-Fehlerstrombegrenzer eingesetzt werden, gelten aber in der Regel als temporäre oder Notfall-Lösung. Sie sind nicht dafür konzipiert, dauerhaft im Umspannwerk zu bleiben, aufgrund ihrer operativen Merkmale und Einschränkungen.

Anwendung von Neutraldrosseln

Neutraldrosseln bieten eine weitere praktikable Option zur Minderung von Fehlerströmen, insbesondere bei Erd- oder Bodenströmen. Ihre Konstruktion und Funktionsweise machen sie besonders effektiv in bestimmten Fehlerfällen, die mit erdbezogenen elektrischen Problemen zusammenhängen.

Arten und Eigenschaften von Strombegrenzungsdrosseln

Die Strombegrenzungsdrossel ist eine weit verbreitete Lösung und kann in zwei Hauptarten unterteilt werden:

Trocken-Drossel (Dry-type CLR)

Trocken-Drosseln sind Luftspulen mit Kupferwindungen. Der Einsatz eines Eisenkerns wird vermieden, da die Sättigung Gefahr läuft, die Leistung der Drossel zu beeinträchtigen. Diese Drosseln sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, bei denen die Umgebungsbedingungen relativ sauber und trocken sind.

Öl-Drossel (Oil-type CLR)

Öl-Drosseln ähneln ihren Trockengegenstücken in Bezug auf die grundlegende Funktionalität. Ihr Hauptunterschied liegt jedoch in ihrem Anwendungsbereich. Öl-Drosseln sind speziell für den Einsatz in stark verschmutzten Umgebungen entwickelt. Das in diesen Drosseln verwendete Öl hat einen höheren dielektrischen Konstantenwert im Vergleich zur Luft in Trockendrosseln, was eine verbesserte Isolation und Schutz in harschen Bedingungen bietet.

Allgemeine Spezifikationen von Fehlerstrombegrenzungsdrosseln

Frequenz und Spannung: Diese Drosseln sind so konstruiert, dass sie innerhalb eines relativ engen Frequenz- und Spannungsbereichs arbeiten. Ihre Leistungseigenschaften sind für spezifische elektrische Systemparameter optimiert.

Installationsflexibilität: Je nach den Anforderungen der Anwendung können sie sowohl im Innen- als auch im Außenbereich installiert werden. Diese Flexibilität ermöglicht eine größere Anpassungsfähigkeit in verschiedenen Umspannwerks- und Verteilnetzaufbauten.

Kurzschlusskapazität: Sie sind so konstruiert, dass sie die Kurzschlussströme der in sie integrierten elektrischen Systeme bewältigen können und wirksame Strombegrenzungsfähigkeiten während Störzuständen bieten.

Übergangsstabilität und Strombegrenzungsdrosseln

Die Übergangsstabilität spielt eine zentrale Rolle in elektrischen Wechselstromsystemen (AC). Sie bezieht sich auf die Fähigkeit mehrerer synchroner Maschinen in einem Energiesystem, nach dem Auftreten eines Fehlers im Gleichschritt zu bleiben. Zum Beispiel in einem Stromnetz mit zahlreichen miteinander verbundenen Synchronmotoren bestimmt die Übergangsstabilität, ob diese Motoren nach plötzlichen elektrischen Störungen, wie Kurzschlüssen, weiterhin harmonisch arbeiten können. Strombegrenzungsdrosseln können die Übergangsstabilität erheblich beeinflussen, indem sie die Größe der Fehlerströme reduzieren, was die mechanischen und elektrischen Belastungen auf die synchronen Maschinen verringert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das System während und nach einem Fehlerereignis stabil bleibt.

Supraleiter-basierte Strombegrenzungsdrosseln

Supraleitende Fehlerstrombegrenzer (SFCLs) bieten eine hochpraktische Lösung zur Verbesserung der Übergangsstabilität von Energiesystemen, indem sie technische und wirtschaftliche Überlegungen effektiv ausbalancieren. Die einzigartige Eigenschaft von Supraleitern, die extrem hohe nichtlineare Widerstände aufweisen, macht sie zu idealen Kandidaten für die Verwendung als Fehlerstrombegrenzer (FCLs).

Einer der Hauptvorteile von SFCLs liegt in der Fähigkeit von Supraleitern, ihren Widerstand schnell zu erhöhen und nahtlos von einem supraleitenden Zustand, bei dem der elektrische Widerstand praktisch Null ist, in einen normal leitfähigen Zustand überzugehen. Diese schnelle Änderung des Widerstands ermöglicht es dem SFCL, schnell auf Fehlerströme zu reagieren, ihre Größe zu begrenzen und somit die Integrität des Energiesystems zu schützen.

Um die Funktionsweise von SFCLs besser zu verstehen, betrachten wir das folgende Beispiel eines Motors, der in einem elektrischen System angeschlossen ist, und die strategische Platzierung eines Fehlerstrombegrenzers.

Partikelschwarmoptimierung

Die Partikelschwarmoptimierung (PSO) weist bemerkenswerte Parallelen zu evolutionären Berechnungsmethoden wie genetischen Algorithmen (GA) auf. Zunächst initialisiert PSO eine Population von zufälligen Kandidatenlösungen innerhalb eines Suchraums. Diese Lösungen, oft als "Partikel" konzeptualisiert, navigieren dann durch den Suchraum, aktualisieren dabei iterativ ihre Positionen und Geschwindigkeiten. Durch diesen dynamischen Prozess der Selbstanpassung und Interaktion mit benachbarten Partikeln erkundet das System systematisch den Lösungsraum und nähert sich allmählich optimalen oder nahezu optimalen Lösungen an.