CH659157A5

CH659157A5 - Schaltung zur kompensation von blindleistung in einem elektrischen wechselspannungsnetz.

Info

Publication number: CH659157A5
Application number: CH6354/82A
Authority: CH
Inventors: Michael Dr Haeusler; Philippe Huber; Walter Pfyl; Kadry Dr Sadek
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1982-11-02
Filing date: 1982-11-02
Publication date: 1986-12-31
Also published as: DE3338301C2; SE461001B; DE3338301A1; SE8305996D0; CA1217812A; US4555658A; SE8305996L

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Kompensation von Blindleistung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannt ist eine solche Schaltung aus einem Artikel von H. Frank und S. Jvner «Statische Blindstromkompensation in der elektrischen Energieversorgung» aus der Firmenschaft ASEA-Zeitschrift 1981, Jarhgang 26, Heft 5-6, Seiten 113 bis 119.

Das in der Schaltung enthaltene Thyristorventil ist bei einfacher Ausführung aufgebaut aus zwei antiparallelen Thyristoren oder aus einer Reihenschaltung antiparallel geschalteter Thyristoren, an deren Steuerelektroden eine Steuerschaltung angeschlossen ist, die die Thyristoren zur Verbesserung der Blindleistungsbilanz oder aus Gründen der Spannungshaltung im Wechselspannungsnetz zu Zeitpunkten zündet, in denen der Momentanwert der Wechselspannung am Thyristorventil gerade ein Minimum aufweist.

Eine Zündung der Thyristoren zu einem anderen Zeitpunkt kann für diese schwerwiegende Folgen bis hin zu ihrer Zerstörung haben. Da sich solche Fehlzündungen nicht ganz vermeiden lassen, sind zum Schutz der Thyristoren bei der bekannten Schaltung die Drossel und der Abieiter vorgesehen, wobei letzterer direkt über dem Thyristorventil angeschlossen ist. Die Drossel hat die Aufgabe, den nach einer Fehlzündung über den gezündeten Thyristor fliessenden Umladestrom des Kondensators zu begrenzen. Der Abieiter hat die Aufgabe, die Thyristoren nach dem Abklingen des Umladestromes, sobald der zuvor stromleitende Thyristor wieder in den Sperrzustand übergegangen ist, vor Überspannung zu schützen. Diese Überspannung ergäbe sich ohne die Wirkung des Abieiters als Differenz aus der Kondensatorspannung und der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz, d.h. der Netzspannung, und könnte mehr als ein Dreifaches der Amplitude der Netzspannung betragen. Besonders kritisch wäre die Überspannung für den zuvor fehlgezündeten Thyristor, da dieser durch den Umladestrom stark aufgeheizt und dadurch in seiner Spannungsfestigkeit erheblich reduziert sein kann.

Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist jedoch, dass die Drossel und der Abieiter nur Schutz gegen eine einzeln auftretende Fehlzündung bieten. Bei einer doppelten Fehlzündung, bei der eine Fehlzündung kurz nach einer ersten Fehlzündung auftritt, kommt es bei der bekannten Schaltung noch immer zur Zerstörung des Thyristorventils.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, löst die Aufgäbe, eine Schaltung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu gestalten, dass die Zerstörung des Thyristorventils auch bei einer doppelten Fehlzündung mit Sicherheit vermieden werden kann.

Die Erfindung geht davon aus, dass die Zerstörung des Thyristorventils der bekannten Schaltung bei einer doppelten Fehlzündung durch die bei der zweiten Fehlzündung erfolgende Kommutierung des nach der ersten Fehlzündung im Abieiter durch die Begrenzung der Überspannung fliessenden Stromes auf den Ventilstrompfad verursacht wird. Ist, wie bei der bekannten Schaltung, der Abieiter direkt über dem Thyristorventil angeschlossen, so ergibt sich bei dieser Stromkommutierung ein steiler Stromanstieg im fehlgezündeten Thyristor, der in diesem zu lokalen Überhitzungen führt. Die zur Strombegrenzung eigens vorgesehene Drossel liegt bei der bekannten Schaltung ausserhalb des Strompfades des Kommutierungsstromes und ist daher ohne Wirkung. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die Drossel nicht nur im Strompfad des Umladestromes des Kondensators sondern auch im Strompfad des Kommutierungsstromes liegt und deshalb begrenzend auf beide Ströme wirkt.

Die Schutzwirkung des Abieiters gegen Überspannung am Thyristorventil bleibt durch die erfindungsgemässe Gestaltung der Schaltung unberührt.

Neben dem über dem Thyristorventil und der Drossel angeschlossenen Abieiter, welcher nachstehend als erster Abieiter bezeichnet wird, ist ein weiterer zweiter Abieiter direkt über dem Thyristorventil angeschlossen. Dieser zweite Abieiter bietet zusätzlichen Schutz gegen kurzfristige transiente Überspannungen am Thyristorventil. Er kann leistungsmässig schwächer ausgelegt sein als der erste Abieiter, welcher ebenfalls um den Leistungswert des zweiten Abieiters schwächer ausgelelgt sein kann. Damit der zweite Abieiter nicht die Funktion des ersten Abieiters übernimmt, muss sein Schutzniveau zumindest gleich hoch, besser jedoch höher liegen als das des ersten Abieiters.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die US-PS 3 731 183 verwiesen, aus der es für eine Leistungssteuerung und Korrektur des Phasenwinkels einer induktiven Last bekannt ist, einen Überspannungsabieiter über einen Widerstand zu einer Reihenschaltung aus mindestens einem Thyristorventil und einer Drossel parallelzuschalten.

Aus der Firmenzeitschrift BBC-Nachrichten Band 59, Nr. 3/4 (1977) Seiten 152 bis 158 sind Überspannungsabieiter bekannt, die zu Thyristoren parallelgeschaltet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemässen Schaltung und

Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf von Strom- und Spannungsgrössen vor und nach einer Fehlzündung.

In Fig. 1 ist schematisch ein von einem Generator G über ei5

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nen ersten Transformator TI gespeistes Wechselspannungsnetz N gezeigt. An dieses Wechselspannungsnetz N ist an einem Anschlusspunkt P hier im Beispiel über einen zweiten Transformator T2, eine Reihenschaltung aus einem Kondensator K, einer Drossel D und einem Thyristorventil V angeschlossen. Als Drossel wird vorzugsweise eine Luftdrossel verwendet. Das Thyristorventil V ist aufgebaut aus zwei antiparallelen Thyristoren VI und V2, deren Steuerelektroden mit dem Ausgang einer Steuerschaltung S verbunden sind. Die Steuerschaltung S ist eingangsseitig mit einem Messglied M verbunden, welches seinerseits über einen Stromwandler W1 und einen Spannungswandler W2, ebenfalls am Anschlusspunkt P, an das Wechselspannungsnetz N angeschlossen ist. Mit AI ist ein erster Abieiter, z.B. Zinkoxidabieiter, bezeichnet, welcher gemäss der Erfindung über der Reihenschaltung aus Thyristorventil V und Drossel D angeschlossen ist.

Das Wechselspannungsnetz N ist in Fig. 1 der Einfachheit halber einphasig gezeichnet. Bei einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz ist die am Anschlusspunkt P von Fig. 1 angeschlossene Schaltung entsprechend dreifach vorzusehen.

Weitere Merkmale der Schaltung nach Fig. 1 ergeben sich aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung.

Mit Hilfe des Messgliedes M wird aus Strom- und Spannungssignalen, welche über den Stromwandler W1 und den Spannungswandler W2 vom Wechselspannungsnetz N abgeleitet werden, in bekannter und deshalb nicht weiter erläuteter Weise ein der Blindleistung am Anschlusspunkt P entsprechendes elektrisches Signal gebildet und der Steuerschaltung S zugeführt. Diese erzeugt in ebenfalls bekannter Weise Zündimpulse für die Steuerelektroden der Thyristoren VI und V2 im Thyristorventil V jeweils im Minimum der Wechselspannung am Thyristorventil V, sofern der Kondensator K aus Gründen der Blindleistungsbilanz oder der Spannungshaltung an das Wechselspannungsnetz geschaltet werden soll. Durch die Zündung mittels der Zündimpulse wird das Thyristorventil V leitend und die Kapazität des Kondensators K zur Kompensation der Blindleistung im Wechselspannungsnetz N verfügbar.

Im weiteren wird anhand von Fig. 2 erläutert, wie sich die Ströme und Spannungen an den einzelnen Schaltungsteilen K, D, V der Reihenschaltung sowie am ersten Abieiter AI von Fig. 1 zeitlich vor und nach einer Fehlzündung des Thyristors VI verhalten.

In Fig. 2 ist mit Un die sinusförmige Kurve der Netzspannung bezeichnet. Unter Netzspannung soll in der Folge jeweils die Wechselspannung auf der Sekundär- bzw. Niederspannungsseite des zweiten Transformators T2 verstanden werden. Mit Iv und Uv ist der Strom und die Spannung im bzw. am Thyristorventil V mit Uk die Spannung am Kondensator K und mit Ia der Strom im ersten Abieiter AI bezeichnet.

Vor einem Zeitpunkt ti, welcher auf der mit t bezeichneten Zeitachse in Fig. 2 fixiert ist, sei das Thyristorventil V im Sperrzustand. In diesem Zustand liegt am Kondensator K eine konstante Spannung Uk, deren Grösse infolge von Netzspannungsschwankungen etwas grösser als die dargestellte Amplitude der Netzspannung Un ist und deren Polarität als positiv angenommen wurde. Die Spannung Uv am Thyristorventil V ergibt sich in diesem Zustand als Differenz aus der Kondensatorspannung Uk und der Netzspannung Un. Zum Zeitpunkt ti sei eine Fehlzündung des Thyristors VI angenommen. Mit der Fehlzündung wird der Thyristor VI leitend, wobei die Ventilspannung Uv zusammenbricht und über das Thyristorventil V, genauer den Thyristor VI der Ventilstrom Iv zu fliessen beginnt. Der Ventilstrom Iv stellt gleichzeitig einen Lade- bzw. Umladestrom für den Kondensator K dar. Die Kapazität des Kondensators K bildet zusammen mit der Induktivität der Drossel D und der Induktivität des zweiten Transformators T2 einschliesslich des Wechselspannungsnetzes N einen Reihenschwingkreis. Der zeitliche Verlauf des Ventilstromes Iv und der Kondensatorspannung Uk wird nach ti durch die Eigenschaften dieses Reihenschwingkreises bestimmt. Die Kondensatorspannung Uk schwingt von ihrem konstanten Wert vor ti weit über ihren durch den jeweiligen Momentanwert der Netzspannung Un vorgegebenen Gleichgewichtswert hinaus und kann mehr als die dreifache negative Amplitude der Netzspannung erreichen. Die Frequenz der Schwingung entspricht der Eigenfrequenz des genannten Reihenschwingkreises. Diese wird über die Bemessung der Induktivität der Drossel D derartig eingestellt, dass sich im Thyristorventil V kein für den Thyristor VI zu steiler Anstieg und kein zu hoher Spitzenwert des Ventilstromes Iv ergibt. Daneben kann versucht werden, die Eigenfrequenz auch noch auf die Frequenz einer der Oberschwingungen der Grundschwingung der Netzspannung Un abzustimmen. Der Reihenschwingkreis wirkt dann mit Vorteil als Saugkreis für diese Oberschwingung. Zu dem in Fig. 2 auf der Zeitachse t fixierten Zeitpunkt tz wird im Maximum der Kondensatorspannung Uk der Ventilstrom Iv gleich Null, wonach der stromführende Thyristor VI selbsttätig wieder in den Sperrzustand übergeht. Die Schwingung wird damit unterbrochen und die Kondensatorspannung Uk würde, ohne die nachstehend noch erläuterte Wirkung des ersten Abieiters AI, wie vor ti, einen zeitlich konstanten, in Fig. 2 strichliert und mit Uk' bezeichneten weiteren Verlauf nehmen. Ebenso wie vor ti übernimmt das Thyristorventil V zum Zeitpunkt ti wieder die Differenzspannung aus Kondensatorspannung Uk und Netzspannung Un, welche mit der Veränderung der Netzspannung Un, ohne Berücksichtigung des ersten Abieiters AI den in Fig. 2 strichliert gezeichneten und mit Uv' bezeichneten zeitlichen Verlauf nehmen und sehr hohe Werte, die eingangs bereits erwähnten Überspannungen, erreichen würde. Hier greift der erste Abieiter AI schützend ein und begrenzt die Ventilspannung Uv auf einen durch sein Schutzniveau vorgegebenen und für das Thyristorventil V unkritischen Wert Ua, welcher jedoch grösser als die doppelte Amplitude der Netzspannung Un sein sollte. Der Kondensator K wird dabei durch den über den ersten Abieiter AI fliessenden Ableiterstrom Ia auf eine geringere Spannung Uk entladen.

Zur Erfüllung der beschriebenen Schutzfunktion ist es unerheblich, ob der erste Abieiter AI, wie bei der bekannten Schaltung, direkt über dem Thyristorventil V oder gemäss der Erfindung über dem Thyristorventil V und der Drossel D angeschlossen ist. Erheblich ist dieser Unterschied jedoch, sofern eine weitere, zweite Fehlzündung, nunmehr des Thyristors V2 erfolgt, solange der erste Abieiter AI noch den Ableiterstrom IA führt. Der Ableiterstrom Ia wird nämlich, wie eingangs bereits erwähnt, bei der zweiten Fehlzündung vom ersten Abieiter AI auf den Ventilstrompfad kommutieren und in diesem zu einem Stromanstieg führen. Überwiegt die Steilheit des Stromanstiegs die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit auf der Fläche des gezündeten Thyristors V2, was bei der bekannten Schaltung immer gegeben ist, so wird der gezündete Thyristor V2 durch lokale Überhitzung zerstört. Bei der Schaltung gemäss der Erfindung wird der Stromanstieg im gezündeten Thyristor V2 dagegen in vorteilhafter Weise durch die im Strompfad des Kommutierungsstromes liegende Drossel D begrenzt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus der Schaltung nach Fig. 1 durch Hinzufügen eines zweiten Abieiters A2. Der zweite Abieiter A2 ist direkt über dem Thyristorventil V angeschlossen.

Der zweite Abieiter A2 hat die Aufgabe, ein Überschwingen der Spannung Uv am Thyristorventil V zu begrenzen. Zu einem solchen Überschwingen kommt es beispielsweise in dem durch die Kapazität des Thyristorventils V und die Induktivität der Drossel D gebildeten Reihenschwingkreis, wenn, nun wieder mit Bezug auf Fig. 2, nach einer ersten Fehlzündung zum Zeitpunkt ti der gezündete Thyristor VI zum Zeitpunkt t2 im Nulldurchgang des Ventilstromes Iv in den Sperrzustand übergeht und der Reihenschwingkreis aus Thyristorventil V und Drossel

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D die Differenzspannung zwischen Netzspannung Un und Kondensatorspannung Uk übernimmt.

Die genannte Kapazität des Thyristorventils V ergibt sich im wesentlichen aus den Sperrschichtkapazitäten der Thyristoren VI, V2 und einer Beschaltungskapazität BK, die aus Gründen der gleichmässigen Spannungsaufteilung auf die Thyristoren in den meisten Thyristorventilen vorhanden ist. Trotz dieser Beschaltungskapazität BK ist die Kapazität des Thyristorventils V immer klein gegen die Kapazität des Kondensators K. Auch ist die Induktivität der Drossel D in der Regel kleiner als die Induktivität des zweiten Transformators T2. Daraus folgt, dass auch die Schwingungsdauer des Reihenschwingkreises, gebildet aus dem Thyristorventil V und der Drossel D, klein ist im Vergleich zur Schwingungsdauer des Reihenschwingkreises, gebildet aus dem Kondensator K, Drossel D und Transformator T2 einschliesslich des Wechselspannungsnetzes N. Das Überschwingen der Spannung Uv am Thyristorventil V ist daher ein we-5 sentlich schnellerer Vorgang als die Umladung des Kondensators K nach einer Fehlzündung. Dennoch werden bei der Begrenzung dieses Überschwingens im zweiten Abieiter A2 keine so hohen Leistungswerte erreicht, wie während der Stromführung im ersten Abieiter AI, da die im Thyristorventil V spei-lo cherbare Energie wesentlich kleiner ist als im Kondensator K. Der zweite Abieiter A2 kann deshalb leistungsschwächer ausgelegt sein als der erste Abieiter AI. Auch der zweite Abieiter ist vorzugsweise ein Zinkoxidabieiter.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schaltung zur Kompensation von Blindleistung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz (N), welche eine an das Wechselspannungsnetz (N) angeschlossene, aus einem Kondensator (K), einer Drossel (D) und einem Thyristorventil (V) bestehende Reihenschaltung sowie einen ersten Überspannungsabieiter (AI) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überspannungsabieiter (AI) zu der Reihenschaltung aus dem Thyristorventil (V) und der Drossel (D) parallelgeschaltet ist und dass ein zweiter Überspannungsabieiter (A2) direkt parallel zu dem Thyristorventil (V) angeschlossen ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzniveau des ersten Überspannungsabieiters (AI) grösser als das Doppelte der Amplitude der Wechselspannung ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (D) eine Luftdrossel ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Reihenschaltung auf die Frequenz einer der Oberschwingungen der Grundschwingung der Wechselspannung abgestimmt ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überspannungsabieiter (AI) ein Zinkoxidabieiter ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Überspannungsabieiter (A2) ein gleich hohes oder ein höheres Schutzniveau aufweist als der erste Überspannungsabieiter (AI).

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Überspannungsabieiter (A2) lei-stungsmässig schwächer ausgelegt ist als der erste Überspannungsabieiter (AI).

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Überspannungsabieiter (A2) ein Zinkoxidabieiter ist.