DE10050004A1

DE10050004A1 - Verfahren zum Betreiben eines Dreileiter-Übertragungssystem

Info

Publication number: DE10050004A1
Application number: DE2000150004
Authority: DE
Inventors: Andreas Diwes
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-25
Also published as: WO2002031940A2; WO2002031940A3; AU2002215896A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Dreileiter-Übertragungssystems, wobei die drei Leiter (L¶1¶, L¶2¶, L¶3¶) des Systems zur Übertragung von Gleichstrom verwendet werden, und während der Gleichstromübertragung abwechselnd jeweils zwei der drei Leiter (L¶1¶, L¶2¶, L¶3¶) parallel geschaltet werden. Gemäß einer optimierten Variante werden alle drei Leiter (L¶1¶, L¶2¶, L¶3¶) in die alternierende Parallelschaltung zweier Leiter einbezogen werden, wobei ein Leiter (z. B. L¶1¶) mit gleichbleibender Polarität betrieben wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Dreileiter- Übertragungssystems.

In dem Aufsatz "Erhöhte Übertragungsfähigkeit von Freileitungen durch Umbau von Dreh strom auf Gleichstrom", ABB Technik 3/1997, Seiten 4 bis 11, ist dargelegt, daß Trassen mangel einen Engpaß für die Übertragung elektrischer Energie darstellen kann, und daß sich zur Erhöhung der Übertragungsleistung eine Umwandlung eines Drehstromübertragungssy stems in ein Gleichstromübertragungssystem anbietet.

Eine Umwandlung in ein Gleichstromübertragungssystem bietet sich aufgrund be stimmter Eigenschaften der Drehstromübertragung an, die zu einer Beschränkung der maximal übertragbaren Leistung eines Übertragungssystems führen. Bei der Übertragung elektrischer Energie mit Hilfe von 3-Phasen-Drehstrom (Frequenz 50/60 Hz) muß nämlich sowohl die Blindleistung, die das Übertragungssystem benötigt, als auch die Blindleistung, die der Verbraucher benötigt, vom Erzeuger aufgebracht wer den. Dies führt zu zusätzlichen Energieverlusten und somit zu einem schlechteren Wirkungsgrad bei der Energieübertragung. Weiterhin wird die maximal nutzbare Spannung, mit der das Übertragungssystem betrieben werden kann, nicht dauernd genutzt, da die Überragungsspannung einen sinusförmigen Verlauf hat.

Im genannten Aufsatz wird zur Realisierung einer solchen Umwandlung ein Umbau vorge schlagen, wobei aus einem Drehstromfreileitungssystem ein HGÜ-Bipol, also aus einem Dreileitersystem ein Zweileitersystem entsteht. Ein Umbau kann zu einer deutlichen Erhö hung der Übertragungsleistung führen, erfordert aber auch einen erheblichen Aufwand zur Änderung des Mastbildes, der Isolatorketten und der Bündelleiteranordnung. Wünschens wert wäre eine Möglichkeit, ohne Umbau der Übertragungsleitung eine Erhöhung der Über tragungsleistung zu erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines vorhandenen Dreileiter-Übertragungssystems mit erhöhter Übertragungsleistung an zugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Dreileiter- Übertragungssystems gelöst, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist demnach eine Gleichstromübertragung über ein Dreileitersystem vorgesehen, wobei alternierend jeweils zwei Leiter parallel ge schaltet werden. Dabei ist keine Änderung des Leitungssystems erforderlich, son dern lediglich an den Endstellen Schaltmittel, die zusätzlich zu den bei Gleichstrom übertragung üblichen Stromrichtereinrichtungen benötigt werden. Bei einer bezüglich des Kosten/Nutzen-Verhältnisses optimierten Variante des Verfahrens ist der Schaltmittelaufwand dadurch minimiert, daß einer der Leiter mit gleichbleibender Polarität betrieben wird. Das Verfahren ist nicht auf eine Anwendung bei einem Frei leitungssystem und auch nicht auf eine bestimmte Spannungsebene beschränkt.

Eine weitere Beschreibung der Erfindung und ihrer Vorteile erfolgt nachstehend an hand von Ausführungsbeispielen, die in Zeichnungsfiguren und Tabellen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Dreileiter-Übertragungssystem zur Energieübertragung,

Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe im Dreileiter-Übertragungssystem bei Dreh stromübertragung,

Fig. 3 Strom- und Spannungsverläufe im Dreileiter-Übertragungssystem bei Gleich stromübertragung gemäß einer ersten Verfahrensvariante,

Fig. 4 Strom- und Spannungsverläufe im Dreileiter-Übertragungssystem bei Gleich stromübertragung gemäß einer zweiten Verfahrensvariante,

Tabelle 1 in Formeln und Zeichnungsfiguren verwendete Formel- und Bezugszei chen,

Tabelle 2 Spannungen und Ströme bei der ersten Verfahrensvariante, und

Tabelle 3 Spannungen und Ströme bei der zweiten Verfahrensvariante.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines hier zugrundeliegenden Dreileiter- Übertragungssystems zur Energieübertragung. Zwischen den drei Leitern L₁, L₂, L₃ und Erde liegt jeweils eine Spannung u₁, u₂, bzw. u₃ an, zwischen den Leitern L₁, L₂, L₃ jeweils eine Spannung u₃₁, u₁₂, bzw. u₂₃. In den Leitern fließen Ströme i₁, i₂, bzw. i₃. Fig. 2 zeigt die bekannten sinusförmigen Strom- und Spannungsverläufe im Drei leiter-Übertragungssystem im Fall einer Drehstromübertragung. Dabei sind beispiel haft für eine Frequenz von 50 Hz Verläufe der Leiterspannungen gegenüber dem Sternpunkt des Drehspannungssystems sowie der Leiterströme bei der Drehstrom übertragung dargestellt.

In den Fig. 1 und 2 sind Strom- und Spannungsbezeichnungen mit kleinen Buchsta ben angegeben, wie bei zeitabhängigen Größen (Drehstrom-Fall) üblich. Span nungsamplituden, sowie Gleichspannungen und Gleichströme sind nachstehend mit großen Buchstaben bezeichnet. In Tabelle 1 sind die in Formeln und Zeichnungsfigu ren verwendete Formel- und Bezugszeichen in alphabetischer Reihenfolge aufge führt und erläutert.

Wird das Dreileiter-Übertragungssystem mit Gleichspannung, statt mit Wechselspan nung betrieben, so entspricht der Wert der Gleichspannung (Leiter-Leiter-Spannung) dem Scheitelwert der Wechselspannung (Leiter-Leiter-Spannung) bzw. dem √2- fachen des Effektivwertes der Wechselspannung (Leiter-Leiter-Spannung) gemäß

u_AC = _AC.sin(2.π.f.t) → u_DC = U_DC = _AC = √2.U_AC (4.2)

Die ohmschen Verluste einer Übertragungsstrecke hängen vorn übertragenen Strom und vom Widerstand der Übertragungsstrecke ab. Im Falle der Drehstromübertra gung mit maximaler Leistung entstehen somit folgende Verluste:

P_V,AC = 3.I² _AC,MAX.R_L (4.2)

Bei der Übertragung mit Gleichspannung führen üblicherweise als Hinleiter und als Rückleiter nur zwei Leiter (hier beispielhaft L₁ und L₃) den Strom:

I₁ = I_DC (Hinleiter); I₂ = 0; I₃ = -I_DC (Rückleiter) (4.3)

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden ständig alle 3 Leiter L₁, L₂, L₃ zur Stromübertragung genutzt, wobei abwechselnd jeweils zwei Leiter parallel geschaltet werden. Dadurch führt nur noch jeweils ein Leiter den vollen Strom I_DC, während die anderen zwei Leiter nur jeweils den halben Strom I_DC/2 führen müssen.

Gemäß einer ersten Verfahrensvariante ist die Nutzung aller möglicher Kombinatio nen der Leiter-Parallelschaltung und Spannungsbelegung vorgesehen. Diese mögli chen Kombinationen der Parallelschaltung zweier Leiter eines Dreileiter- Überträgungssystems sind in Tabelle 2 aufgeführt, wobei sich die angegeben Leiter- Erde-Spannungen U₁, U₂, U₃ auf ein symmetrisches Gleichstromsystem beziehen.

Die Übertragungsverluste in einem solchen Übertragungssystem ergeben sich zu:

Da die Übertragungsverluste bei den zu vergleichenden beiden Übertragungsarten Drehstromübertragung und geschaltete Gleichstromübertragung gleich sein müssen, läßt sich der maximale Strom bei der geschalteten Gleichstromübertragung wie folgt berechnen:

Damit läßt sich die maximal mögliche Übertragungsleistung bei geschalteter DC- Übertragung in Abhängigkeit der maximalen Übertragungsleistung bei Drehstrom übertragung berechnen:

Die Rechnung zeigt, daß allein das umwandeln einer Dreileiter- Energieübertragungsstrecke von Drehstromübertragung auf geschaltete Gleich stromübertragung aufgrund des verringerten wirksamen Leitungswiderstandes und der konstant hohen Spannung bereits eine Erhöhung der Übertragungsleistung S_Ü,AC,MAX um 15,5% bewirkt. Die zusätzlichen Vorteile einer Gleichstromübertragung gegenüber einer Drehstromübertragung, wie die Übertragung reiner Wirkleistung und das Wegfallen des Blindleistungsbedarfes der Leitung sind dabei noch nicht berück sichtigt.

Fig. 3 zeigt die Verläufe der Leiterspannungen, basierend auf einem symmetrischen Gleichspannungssystem, sowie der Leiterströme bei Übertragung mit geschaltetem Gleichstrom gemäß der ersten Verfahrensvariante, bei der alle in Tabelle 2 aufge führten, dort als Zustände 1 bis 6 bezeichneten Kombinationen der Leiter- Parallelschaltung und Spannungspotentiale auf den Leitern genutzt werden. Hierbei kann aufgrund des trägen thermischen Verhaltens einer Energieübertragungsstrecke die Frequenz, mit dem die Gleichspannungen umgeschaltet werden, gering sein, z. B. zu < 1 Hz gewählt werden. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß eine Schaltperiode jeweils in sechs gleichlange Zeitabschnitte unterteilt ist, während der jeweils einer der sechs möglichen Schaltzustände besteht.

Bei der bevorzugten zweiten Verfahrensvariante müssen nur drei unterschiedliche Schaltzustände herbeigeführt werden, wie in Tabelle 3 und in Fig. 4 dargestellt ist. Dabei wird ein Leiter, im Beispiel der Leiter L₁, mit einem konstanten Spannungspo tential belegt, im Beispiel mit +U_DC/2. Die in Tabelle 3 angegeben Leiter-Erde- Spannungen U₁, U₂, U₃ beziehen sich auf ein symmetrisches Gleichstromsystem. Aus Tabelle 3 und Fig. 4 ist ablesbar, daß ein sich wiederholender Schaltzyklus in nur drei Zeitabschnitte unterteilt. Die zur Durchführung dieser Verfahrensvariante erforderlichen Umschaltungen erfordern weniger Schaltmittel.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Dreileiter-Übertragungssystems, wobei

a) die drei Leiter (L₁, L₂, L₃) des Systems zur Übertragung von Gleichstrom verwendet werden, und
b) während der Gleichstromübertragung abwechselnd jeweils zwei der drei Leiter (L₁, L₂, L₃) parallel geschaltet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Leiter (L₁, L₂, L₃) in die alternierende Parallelschaltung zweier Leiter einbezogen und mit wechselnder Polarität betrieben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Leiter (L₁, L₂, L₃) in die alternierende Parallelschaltung zweier Leiter einbezogen werden, wobei ein Leiter (z. B. L₁) mit gleichbleibender Polarität betrieben wird.