Projekt

Im Fehlerfall treten in elektrischen Energieversorgungsnetzen durch deren stetigen Ausbau immer höhere Stoß- und Dauerkurzschlussströme auf, was zu gestiegenen thermischen und mechanischen Belastungen der Netzelemente führt. Eine weitere Gefährdung für elektrische Anlagen, aber auch für Menschen, resultiert aus dem Netzausbau durch anwachsende Energiemengen, die beim Auftreten eines Störlichtbogens umgesetzt werden können.
Den erhöhten Risiken im Kurzschlussfall kann man mit Hilfe herkömmlicher Betriebsmittel nur in eingeschränktem Maße bzw. nur mit hohem finanziellem Aufwand begegnen. Dagegen sind geeignete, kostengünstige Kurzschlussstrombegrenzungseinrichtungen (KSBE) in der Lage, die genannten negativen Begleiterscheinungen von Fehlern in elektrischen Netzen zu beherrschen.
Die Cigré-Arbeitsgruppe A 3.10 definiert einen Kurzschlussstrombegrenzer als eine Vorrichtung, die im Fehlerfall den Strom im kritischen Netzzweig begrenzt, so dass es nicht zu einer Überlastung der Systemkomponenten kommt. Kurzschlussstrombegrenzungs-einrichtungen sollen einerseits im fehlerfreien Normalbetrieb alle betrieblichen Vorgänge kaum beeinträchtigen und andererseits beim Auftreten eines Fehlers den Kurzschlussstrom schnell und sicher begrenzen. Diese Anforderungen können auf sehr unterschiedliche Arten umgesetzt werden, so dass eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten existiert. Zum einen kann eine Begrenzung des Stromes durch sehr schnelle Fehlerstromunterbrechung zustande kommen, wie sie beispielsweise durch einen Is-Begrenzer erreicht wird. Zum anderen erlauben andere Kurzschlussstrombegrenzer, wie etwa eine hochtemperatursupraleitende KSBE, eine - zumindest kurzzeitige - Aufrechterhaltung eines begrenzten Stromflusses.
Im Vergleich zu vielen anderen Begrenzungsstrategien kann die in dieser Arbeit vorgestellte Dynamische Kurzschlussstrombegrenzungseinrichtung auf Stromrichterbasis (DKSBE) äußerst flexibel auf Kurzschlussströme reagieren. Zu Beginn des Kurzschluss-vorganges begrenzt die DKSBE durch eine vorhandene Drosselspule den Stoßkurzschluss-strom selbständig. Im weiteren Verlauf der Kurzschlussstrombehandlung kann dann mittels einer Steuerung vorgegeben werden, ob der Kurzschlussstrom annähernd ungehindert weiterfließen oder unterbrochen werden soll. Ferner kann man den Kurzschlussstrom auch stufenlos in seiner Höhe regeln.
Die auf einer Drehstrombrücke basierende DKSBE-Schaltung wird direkt in den Sternpunkt eines Transformators eingesetzt. Durch einen vierten Thyristorzweig wird sichergestellt, dass die Strombegrenzungseinrichtung nicht nur Kurzschlusströme bei Fehhlern ohne Erdberührung, sondern auch auf solche mit Erdberührung begrenzen kann. Aus der analytischen Beschreibung des Betriebsverhaltens der DKSBE für den symmetrischen Betrieb können wichtige Schlussfolgerungen für die Steuerung des Strombegrenzers gezogen werden. Über ein Simulationsmodell der DKSBE in MATLAB®/Simulink® lässt sich die Wirkung der DKSBE auf unsymmetrische Fehler zeigen, und durch die praktische Realisierung einer DKSBE-Testanlage am Lehrstuhl für Elektrische Energieversorgung können sowohl die mathematische Beschreibung als auch das Simulationsmodell verifiziert werden.
Über die Parameter der DKSBE, wie z.B. Induktivität und Widerstand der Begrenzungs-drossel, kann direkt Einfluss auf die erreichbare Kurzschlussstrombegrenzung genommen werden. Die mechanischen und thermischen Kurzschlussstrombeanspruchungen können gemindert und eine Herabsetzung der Wirkleistung von Lichtbögen erreicht werden. Eine simulationsbasierte Untersuchung des DKSBE-Einsatzes in einem vereinfachten 690-V-Eigenbedarfsnetz zeigt, wie sich die Kurzschlussstrombegrenzungseinrichtung in ein elektrisches Versorgungsnetz integrieren lässt.