-
Der Gegenstand betrifft ein Erdschlussreststromkompensationssystem mit zumindest zwei primärseitigen Umrichtern, zumindest zwei primärseitigen, jeweils von zumindest einem Umrichter gespeisten Spulen und zumindest zwei sekundärseitigen, jeweils mit zumindest einer primärseitigen Spule magnetisch gekoppelten Spulen. Der Gegenstand betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Erdschlussreststromkompensation, ein Computerprogramm zur Steuerung eines Erdschlussreststromkompensationssystems sowie ein Einphasenwechselstromnetz mit einem Erdschlussreststromkompensationssystem.
-
Je größer die Netzausdehnung bzw. je höher die Nennspannung innerhalb eines Netzes mit freiem Sternpunkt ist, desto größer werden die kapazitiven Erdschlussströme. Auch durch Oberschwingungsanteile in der Netzspannung bzw. durch Paralleleinkopplungen, beispielsweise durch parallel geführte Stromkreise auf einer Freileitungstrasse, erhöhen sich die Erdschlussströme.
-
Es ist bekannt, den kapazitiven Erdschlussstrom durch einen induktiven Strom, der durch eine in den Sternpunkt der Transformatoren geschaltete Petersen-Spulen generiert wird, an der Fehlerstelle zu kompensieren. Durch eine Petersen-Spule kann ein induktiver Strom im Sternpunkt erzeugt werden, der den kapazitiven Erdschlussstrom kompensiert, so dass der verbleibende Reststrom unter der sogenannten Löschgrenze liegt. Die Löschgrenze in 1108 V-Nutzen beträgt typischerweise 132 A, kann jedoch auch andere Beträge haben. Die Höhe der Löschgrenze kann abhängig von Sicherheitsanforderungen, als auch von der Auslegung der Netzkomponenten, insbesondere der Stromtragfähigkeit der Netzkomponenten abhängig sein. Der gelöschte Betrieb gewährleistet den Weiterbetrieb der Energieversorgung auch bei einphasigen Erdschlüssen, welche mit Abstand am häufigsten auftreten. Die durch die Petersen-Spulen erzeugte Kompensation unterliegt jedoch der Grenze der räumlichen Netzausdehnung, da der längenproportionale ohmsche Reststrom sowie Oberschwingungsanteile nicht durch die Petersen-Spule kompensiert werden können. Ferner können Netzunsymmetrien und die zuvor erwähnten Einkopplungen durch Parallelführung mehrerer Stromkreise auf einer Freileitung zu erhöhten Velagerungsspannungen im fehlerfreien Betrieb führen.
-
Ein Beispiel einer elektrischen Energieversorgung, welche mittels Petersen-Spulen kompensiert ist, ist das von der DB Energie betriebene 110 kV/16,7 Hz-Einphasen-Wechselstromnetz. In diesem Wechselstromnetz existieren 17 Mittelpunktbildner, die räumlich verteilt angeordnet sind. An den Mittelpunktbildern sind geeignet bemessene Erdschlussspulen (Petersen-Spulen) angeschlossen. Die kapazitiven Komponenten eines durch einen einpoligen Erdschluss eingeprägten Erdschlußstrom an Fehlerstellen kann durch den induktiven Spulenstrom der Petersen-Spulen kompensiert werden. Aufgrund der enorm großen Stromkreise innerhalb des Bahnstromnetzes kommt es jedoch zu erhöhten Ohmschen-Restströmen. Außerdem muss durch eine geeignete Verstimmung der Petersen-Spulen eine unzulässig hohe Verlagerungsspannung im ungestörten Betrieb vermieden werden.
-
Neben der rein induktiven Erdschlusskompensation existiert die Möglichkeit einer aktiven Sternpunkterdung mit Hilfe leistungselektronischer Betriebsmittel, wie sie beispielsweise in Koetzold, B.; Gauger, V.; K. M.; Erdschlußschutzsystem mit Reststromkompensation – ein Weg zur höheren Versorgungsqualität in erdschlußkompensierten Verteilungsnetzen. ETG-Fachbericht 66, VDE-Verlag GmbH, Berlin/Offenbach, 1997, S. 323–326 erwähnt ist. Neben der Kompensation der kapazitiven Erdschlussströme ist eine Kompensation der ohmschen Komponente und zusätzlicher Oberschwingungsanteile im Reststrom während eines Erdschlussstromes möglich. Durch eine aktive Steuerung der Betriebsmittel ist eine schnelle Erdschlusskompensation auch in weit verzweigten Netzen möglich. Um eine aktive Kompensation zu erreichen, werden einphasige Spannungszwischenkreisumrichter verwendet. Diese Spannungszwischenkreisumrichter können über eine Sekundärwicklung der Petersen-Spule eingekoppelt werden, wie dies beispielsweise von Gauger, V.; Ehrich, M.; Aktive Sternpunktbehandlung – Erhöhung der Sicherheit/Zuverlässigkeit in resonanzsternpunktgeerdeten Netzen durch aktive Sternpunktbehandlung, ETG-Fachbericht 85, VDE-Verlag GmbH, Berlin/Offenbach, 2001 beschrieben wird.
-
Die Umrichterleistungen der Spannungszwischenkreisumrichter für Kompensationsströme von beispielsweise 100 A bei 55 kV liegen bei Größenordnungen über 5 MVA, weswegen üblicherweise Mittelspannungsumrichter benötigt werden. Neben der Kompensation des kapazitiven Stromes ist zur Kompensation des ohmschen Reststromes eine Leistungseinspeisung in den Zwischenkreis notwendig.
-
Die
JP 2006 109567 A betrifft eine Schaltung zur Erdschlusskompensation. Hierbei wird ein Erdschluss detektiert und ein Kompensationsstrom generiert. Die Stärke des Kompensationsstroms wird hierbei überwacht.
-
Die
EP 1 855 366 A1 betrifft eine Anordnung zur Kompensation eines Fehlerstromes bei einem einpoligen Erdschluss, insbesondere in einem elektrischen Drehstromnetz mit drei Leitern, bei der mindestens ein Sternpunkt auf einer Sekundärseite mindestens eines Einspeisetransformators oder an einem Sternpunktbildner zumindest über eine Erdschlussdrossel mit einem Erdpunkt verbunden ist, wobei mindestens eine Einrichtung zur zumindest partiellen Kompensation mindestens einer von einer Grundfrequenz einer Netzspannung abweichenden Frequenzkomponente des Fehlerstromes vorgesehen ist.
-
Die aktiven Stellglieder, die aus Spannungszwischenkreisumrichtern, typischerweise Mittelspannungsumrichtern gebildet werden, und in die Sekundärwicklung der Petersen-Spule eingekoppelt werden, bedingen jedoch sehr hohe Anschaffungskosten. Die zu verwendenden elektrischen und elektronischen Komponenten müssen für hohe Leistungen ausgelegt sein, so dass deren Kosten erheblich sind. Dies führt zu geringer Akzeptanz zur industriellen Nutzung.
-
Aus den zuvor aufgezeigten Nachteilen ergibt sich die Aufgabe, eine Erdschlussreststromkompensation zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig ist, und andererseits Verlagerungsspannungen im fehlerfreien Zustand als auch Restströme im Erdschlussfall kompensieren kann.
-
Hierzu wird ein Erdschlussreststromkompensationssystem mit zumindest zwei primärseitigen Umrichtern, zumindest zwei primärseitigen, jeweils von zumindest einem Umrichter gespeisten Spulen, zumindest zwei sekundärseitigen, jeweils mit zumindest einer primärseitigen Spule magnetisch gekoppelten Spulen vorgeschlagen, wobei die sekundärseitigen Spulen im Stern zu einem Umrichtersternpunkt geschaltet sind und dieser Umrichtersternpunkt belastbar herausgeführt und mit einem sekundärseitigen Sternpunkt verschaltet ist, und wobei der Umrichtersternpunkt mittels der primärseitigen Umrichter elektrisch gegenüber den sekundärseitigen Leiter-Potentialen verschiebbar ist, derart, dass ein Nullsystemstrom im sekundärseitigen Sternpunkt einprägbar ist.
-
Durch eine Ankopplung des Umrichters sowohl an die sekundärseitigen Leitungen als auch des Umrichtersternpunktes an einen Sternpunkt des sekundärseitigen Netzes kann über die Verschiebung des Umrichtersternpunkts und die daraus resultierende Nullsystemspannung ein zusätzlicher Nullsystemstrom im Umrichtersternpunkt eingeprägt werden. Hierdurch lassen sich durch eine gezielte Nullsystemüberlagerung der Stromrichterausgangsspannungen und entsprechende Nullsystem-Stromregelung sowohl die Verlagerungsspannung im fehlerfreien Zustand als auch der Reststrom im Erdschlussfall kompensieren. Beispielsweise kann der Umrichtersternpunkt über eine Drossel mit einer Petersen-Spule verbunden sein, welche wiederum über einen Sternpunktbildner an das sekundärseitige Netz angeschlossen und mit dem Erdpotential verbunden ist. In diesem Fall kann durch die Überlagerung des Nullsystemstroms auch der Verstimmungsgrad der Petersen-Spule im Netz auf ein Minimum reduziert werden. Hierdurch erhöht sich die Löschfähigkeit des Netzes bei gleichzeitiger Vermeidung einer unzulässig hohen Verlagerungsspannung.
-
Insbesondere zur Erdschlusskompensation kann der eingeprägte Nullsystemstrom derart sein, dass er, gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels, im Wesentlichen einem in einem sekundärseitigen Leitungsstrang eingebrachten Fehlstrom entgegengesetzt ist. Hierzu kann eine geeignete Ansteuerung der Umrichter erfolgen, so dass der Umrichtersternpunkt gegenüber dem Erdpotential verschoben ist, derart, dass der Nullsystemstrom dem eingebrachten Fehlstrom entgegengesetzt ist.
-
Wie zuvor bereits erläutert, kann gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der Umrichtersternpunkt über ein induktives Stellmittel, beispielsweise einer Drossel oder eine Reihenschaltung einer Drossel und einer Petersen-Spule geerdet werden.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels können die Stellmittel zumindest eine Petersen-Spule aufweisen. Mit Hilfe der Petersen-Spule ist eine Kompensation des kapazitiven Erdschlussstromes möglich. Durch eine Verlagerung des Nullsystemstroms im sekundärseitigen Sternpunkt ist es jedoch möglich, die Verlagerungsspannung im fehlerfreien Zustand und somit auch den Verstimmungsgrad der Petersen-Spule im Netz auf ein Minimum zu reduzieren.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist die Petersen-Spule als Erdschlusskompensation zumindest zur Kompensation einer kapazitiven Komponente zumindest eines einphasigen Erdschlussstromes betrieben. Insbesondere im einphasigen Bahnenergieversorgungsnetz der Deutschen Bahn kann mit Hilfe einer Petersen-Spule eine einphasige Komponente eines Erdschlussstromes kompensiert werden.
-
Zur Einprägung eines Nullsystemstroms im Umrichtersternpunkt zur Erzeugung einer Nullsystemspannung ist es notwendig, den Kompensationsstrom zu kennen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass Messmittel zur Messung eines Stromes im sekundärseitigen Sternpunkt gebildet sind.
-
Ein Energieaustausch zwischen verschiedenen Netzebenen und verschiedenen Netzphasen ist mit Hilfe von Umrichtern möglich. Beispielsweise im Bahnenergieversorgungsnetz wird ein Energieaustausch zwischen dem dreiphasigen 50 Hz-Hochspannungsnetzes der Energieversorgungsunternehmen und dem einphasigen 16,7 Hz-Netz der DB Energie mit Hilfe von statischen Frequenzumrichtern ermöglicht. Diese statischen Frequenzumrichter speisen direkt in das 110 kV/16,7 Hz-Bahnstromnetz ein. Hierfür werden typischerweise kaskadierter Spannungszwischenkreisumrichter eingesetzt. Zur Reduzierung von Netzrückwirkungen werden gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels Multilevel-Umrichter eingesetzt. Diese Umrichter können gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels zumindest einen Thyristor oder einen Transistor aufweisen. Hierbei kann der Thyristor zumindest einen IGC Thyristor aufweisen. Auch ist es möglich, dass ein GTO als IGB Transistor gebildet ist.
-
Gemäß eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels wird vorgeschlagen, dass der Umrichtersternpunkt zumindest über eine Drossel mit dem mit Hilfe eines Sternpunktbildners gebildeten Sternpunkts des sekundärseitigen Netzes verbunden ist.
-
Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zur Erdschlussreststromkompensation. Das Verfahren zeichnet durch Speisen von zumindest zwei primärseitigen Spulen mit jeweils von zumindest einem Umrichter, und magnetisches Übertragen der primärseitig eingespeisten Energie an zumindest zwei sekundärseitige, jeweils mit zumindest einer primärseitigen Spule magnetisch gekoppelte Spulen aus, wobei die sekundärseitigen Spulen im Stern zu einem Umrichtersternpunkt geschaltet sind und dieser Umrichtersternpunkt belastbar herausgeführt und mit einem sekundärseitigen Sternpunkt verschaltet ist, und wobei der Umrichtersternpunkt mittels der primärseitigen Umrichter elektrisch gegenüber dem Leiter-Potential verschoben wird, derart, dass ein Nullsystemstrom in einem sekundärseitigen Sternpunkt eingeprägt wird.
-
Ein weiterer Gegenstand ist Computerprogramm zur Steuerung einer Erdschlussreststromkompensation mit Ansteuern von zumindest zwei primärseitigen Umrichtern zum Speisen von zumindest zwei primärseitigen Spulen, wobei sekundärseitigen Spulen im Stern zu einem Umrichtersternpunkt geschaltet sind und dieser Umrichtersternpunkt belastbar herausgeführt und mit einem sekundärseitigen Sternpunkt verschaltet ist, und Ansteuern der Umrichter derart, dass ein sekundärseitiger Umrichtersternpunkt mittels der primärseitigen Umrichter elektrisch gegenüber dem Leiter-Potential verschoben wird, derart, dass ein Nullsystemstrom in einem sekundärseitigen Sternpunkt eingeprägt ist.
-
Der Gegenstand wird nachfolgend anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert.
-
In der Zeichnung zeigt:
-
1 ein Blockschaltbild eines Bahnstromumrichters;
-
2a ein Spannungszeigerdiagramm;
-
2b ein Spannungszeigerdiagramm mit Nullsystemüberlagerung.
-
Beispielhaft wird nachfolgend ein kaskadierter Spannungszwischenkreisumrichter zur Umrichtung eines dreiphasigen Leistungsnetzes auf ein einphasiges Bahnstromnetz dargestellt. Eine anmeldungsgemäße Kompensation ist jedoch bei jedem beliebigen Umrichter möglich, bei dem sekundärseitig der Sternpunkt herausgeführt ist oder der Ausgangstransformator aus einzelnen Einphasentransformatoren besteht, welche eine belastbare Sternpunktanzapfung haben. Mit Hilfe der belastbaren Sternpunktanzapfung ist es möglich, mittels der primärseitigen Umrichter den Umrichtersternpunkt elektrisch gegenüber den Leiter-Potentialen zu verschieben, derart, dass ein Nullsystemstrom im sekundärseitigen Sternpunkt einprägbar ist.
-
1 zeigt einen kaskadierten Spannungszwischenkreisumrichter 2, einen eingangsseitigen Transformator 4, eingangsseitigen AC/DC Wandlern 6, einen Gleichspannungszwischenkreis 8, ausgangsseitige Umrichter 10 (10a–10d), primärseitige Spule 12a', 12b', sekundärseitige Spulen 12a''. 12b'' von ausgangsseitige Transformatoren 12, einen Umrichtersternpunkt 14, eine Drossel 16, eine Strommessung 28, eine Petersen-Spule 20, eine sekundärseitige Sternpunktabzapfung 26 eines nicht dargestellten Sternpunktbildners im sekundärseitigen Netz und sekundärseitige Leiter 22, 24.
-
Die in der 1 dargestellte Schaltung ist derart gebildet, einen Energietausch zwischen dem dreiphasigen 50 Hz-Hochspannungsnetz der Energieversorgungsunternehmen und dem einphasigen 16,7 Hz-Netz der DB Energie ermöglichen. Die Sekundärseite der Transformatoren 12 erlaubt eine direkte Energieeinspeisung in die Leiter 22, 24 mit 110 kV/16,7 Hz. Andere sekundärseitigen Schaltungen, beispielweise Mehrphasensysteme, beispielsweise Dreiphasensysteme, oder L1-LN Phasensystem sind ebenfalls möglich.
-
Ein Merkmal besteht darin, dass sekundärseitig der Sternpunkt als Umrichtersternpunkt 14 herausgeführt wird. Bei der dargestellten Schaltung sind die Transformatoren 12 als einzelne Einphasentransformatoren, wie sie üblicherweise in einphasigen 16,7 Hz-Netz verwendet werden, gebildet, bei denen der Sternpunkt als Umrichtersternpunkt 14 herausgeführt ist. Der Umrichtersternpunkt 14 ist mit einem Nullsystemstrom Io belastbar.
-
Durch eine geeignete Ansteuerung der Umrichter 10, welche beispielsweise selbstgeführte Multilevel-Umrichter auf GTO- oder IGCT-Basis sind, lässt sich der Sternpunkt 14 mit einem Nullsystemstrom Io belasten.
-
Durch die Nullsystemstrombelastung des Sternpunkts 14 kann das einphasige Bahnstromnetz gelöscht betrieben werden. Ein Löschbetrieb mit sekundärseitigem dreiphasigen Netz, beispielsweise dem 110 kV-Netz in Deutschland, ist ebenfalls möglich.
-
Die Spannungen U1M zwischen dem Leiter 22 und dem Sternpunkt 14, als auch U2M, zwischen dem Leiter 24 und dem Sternpunkt 14 bilden die Ausgangsspannungen des Spannungszwischenkreisumrichters 2.
-
In 2a ist ein Zeigerdiagramm der Spannungen U1M, U2M im fehlerfreien Betrieb dargestellt. Die beiden Spannungen U1M, U2M von den Leitern 22, 24 zum Umrichtersternpunkt 14 sind entgegengesetzt gleich groß. Elektrisch liegt der Umrichtersternpunkt 14 auf Erdpotential und damit auf gleichem Potential mit der Sternpunktanzapfung 26 des sekundärseitigen Netzes. Für die Fehlstromkompensation sind Stellgrenzen von 125% der Ausgangsamplitude der Spannung U1M, U2M durch die gestrichelten Halbkreise 26 in 2a dargestellt. Die resultierende Schnittfläche der beiden Halbkreise 30 kennzeichnet den Stellbereich, in dem der Umrichtersternpunkt 14 bei gleicher Leiter-Leiter Umrichterausgangs-Nennspannung verschoben werden kann. Dieser Bereich entspricht dem Nullsystemspannungs-Stellbereich des Spannungszwischenkreisumrichters 2.
-
In der 1 ist der Umrichtersternpunkt 14 über die Drossel 16 und die Petersen-Spule 20 herausgeführt und an den mit Hilfe eines nicht dargestellten Sternpunktbildners gebildeten Sternpunkt 26 des sekundärseitigen Netzes angeschlossen. Durch diese Ankopplung und die über den nicht dargestellten Sternpunktbildner angeschlossene Petersen-Spule 20 kann eine Nullsystemspannung und ein zusätzlicher Nullsystemstrom in den Umrichtersternpunkt 14 eingeprägt werden.
-
Ein Zeigerdiagramm einer Nullsystemspannungseinprägung Uo über der Drossel 16 und der damit verbundenen Generierung eines Nullsystemstroms Io ist in 2b beispielhaft dargestellt. In 2b ist zu erkennen, dass durch eine Überlagerung einer Nullsystemspannung mit der Stromumrichterausgangsspannung sowohl die Verlagerungsspannung im fehlerfreien Zustand als auch der Reststrom im Erdschlussfall kompensiert werden kann. Der Verstimmungsgrad der Petersen-Spule 20 lässt sich hierdurch auf ein Minimum reduzieren. Damit erhöht sich die Löschfähigkeit des Netzes bei gleichzeitiger Vermeidung einer unzulässig hohen Verlagerungsspannung.
-
Die Ausprägung eines Nullsystemstroms im Umrichtersternpunkt 14 kann dadurch gewährleistet sein, dass die Umrichter 14 derart angesteuert werden, dass eine Verschiebung des Potentials des Umrichtersternpunkts 14 gegenüber dem sekundärseitigen Sternpunkt 26 erfolgt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Beträge und die Phasen der Spannungen U1M und U2M voneinander abweichen.
-
Primärseitig werden die Spulen 12a', 12b' der Transformatoren 12 durch die Umrichter 10 derart angesteuert, dass die Spannungen U1M, U2M bzw. deren Beträge und Phasen veränderbar sind, derart, dass der Umrichtersternpunkt 14 gegenüber den sekundärseitigen Leiterpotentialen verschoben ist. Durch diese Potentialverschiebung des Umrichtersternpunkts 14 gegenüber dem Potential des sekundärseitigen Sternpunktes 26 entsteht ein Nullsystemstrom im Umrichtersternpunkt 14. Mit Hilfe einer Messung des Nullsystemstroms mit der Messeinrichtung 28 kann eine aktive Sternpunkterdung durch eine gezielte Nullsystemüberlagerung der Stromrichterausgangsspannungen erzielt werden. Die Nullsystemüberlagerung ist mit einem geringen Aufwand verbunden. Es ist lediglich notwendig, den Umrichtersternpunkt 14 über eine Drossel 16 mit dem Netzsternpunkt 26 zu verbinden. Darüber hinaus ist eine Strommessung mit einem Messgerät 28 notwendig.
-
Die aus der Strommessung sich ergebenen Werte müssen in einer geeigneten Auswertungsschaltung (nicht dargestellt) ausgewertet werden und die Umrichter 10 müssen entsprechend angesteuert werden, so dass sich eine Verschiebung der Spannungen U1M, U2M hinsichtlich Betrag und Phase zueinander ergibt. Eine entsprechende Software übernimmt dabei die Ansteuerung der Umrichter 10.
-
Die Verwendung der Nullsystemüberlagerung, wie sie in 1 dargestellt ist, ermöglicht eine dezentrale Einspeisung zur Kompensation sowohl einer Verlagerungsspannung im fehlerfreien Zustand als auch des Reststroms im Erdschlussfall.
