DE102022118372A1

DE102022118372A1 - Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung

Info

Publication number: DE102022118372A1
Application number: DE102022118372.6A
Authority: DE
Inventors: Cuong Hoang
Original assignee: Varcon GmbH
Current assignee: Varcon GmbH
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2024-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung. Die Anordnung umfasst eine Serienschaltung aus einer induktiven Last (10) und einem steuerbaren mechanischen Trennschalter (20), die zur Verschaltung mit den Anschlüssen einer Hochspannungs-Wechselspannungsquelle (30) vorgesehen ist. Die induktive Last (10) ist mit einer Widerstandsanordnung (40) verschaltet, um beim Öffnen des Trennschalters (20) in der induktiven Last (10) enthaltene Energie über die Widerstandsanordnung (40) zu entladen und eine Wiedereinschaltspannung des Trennschalters (20) zu reduzieren. Die Widerstandsanordnung (40) umfasst eine Serienschaltung aus einem Entladewiderstand (41) und einem steuerbaren Schaltelement (42), die mit den Wicklungsenden einer Sekundärwicklung (12) der induktiven Last (10) verschaltet ist. Die Anordnung ist derart ausgestaltet, dass der Trennschalter (20) und das Schaltelement (42) im Betrieb der Anordnung gesteuert werden, um das Schaltelement (42) in der Widerstandsanordnung (40) zu schließen, unmittelbar bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters (20) während der Stromunterbrechung entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung, ein System zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems und ein Verfahren zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems.
In Wechselstromnetzen ist es üblich, eine Drosselspule als induktive Last mittels eines Lasttrennschalters (englisch: circuit breaker) ein- und auszuschalten. Die Drosselspule wird z.B. als Spannungsregler für eine lange Übertragungsleitung, wie z.B. eine Hochspannungsleitung (110 kV) oder eine Höchstspannungsleitung (400 kV), in Schwachlastzeiten eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete von Drosselspulen sind die Lastflusssteuerung.
Es ist allgemein bekannt, dass beim Schalten von induktiven Lasten und insbesondere Drosselspulen in einer Hochspannungsleitung erhebliche Überspannungen auftreten können. Da sich die beim Schalten von Strom in einer Hochspannungsleitung ergebenen Probleme deutlich von anderen Stromunterbrechungsaufgaben unterscheiden, sind Voraussetzungen und Lösungen in einer eigenen IEC-Norm, der IEC 62271-110:2017: High-voltage switchgear and controlgear - Part 110: Inductive load switching, behandelt.
Die in einer Hochspannungsleitung zum Unterbrechen von Wechselstrom eingesetzten Lasttrennschalter sind dazu ausgelegt, Nebenschlussdrosselströme zu unterbrechen. Bei der Abschaltung einer Nebenschlussdrossel wird beim Empfang des Auslösesignals durch den Lasttrennschalter ein Auslösestromkreis des Leistungsschalters erregt, so dass sich dessen Hauptkontakte auseinander bewegen. Der Strom fließt weiterhin durch die Hauptkontakte des Lasttrennschalters, während sich die Kontakte auseinander bewegen. Dieser Vorgang dauert bei einem Hochspannungs (HV)-Lasttrennschalter typischerweise zwischen 15 ms und 40 ms Wenn sich die Kontakte weit genug öffnen, beginnt ein Lichtbogen zwischen Lichtbogenkontakten des Lasttrennschalters zu entstehen. Der Strom fließt weiterhin in einem leitenden Gas zwischen den offenen Kontakten in Form eines Lichtbogens. Wenn sich der Strom einem natürlichen Nulldurchgang nähert, zwingt der Lichtbogenkühlmechanismus des Lasttrennschalters den Lichtbogenstrom vor dem natürlichen Nulldurchgang auf Null. Dieses Phänomen wird als Stromunterbrechung (englisch: current chopping) bezeichnet. Die Energie, die zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stroms in der zu schaltenden Drosselspule eingeschlossen ist, pendelt dann zwischen ihrer Induktivität und einer Streukapazität, die der Induktivität parallel geschaltet ist.
Die neueste Generation von Lasttrennschaltern weist im Allgemeinen sehr niedrige Abschaltströme auf, so dass der induktive Strom in der Nähe eines natürlichen Stromnullpunkts unterbrochen wird. Je nach Spezifikation und Design der Drosselspule variiert der Abschaltstrom, so dass auch höhere Unterbrechungsströme auftreten. Infolgedessen variiert die sog. Wiedereinschaltspannung (englisch: transient recovery voltage, TRV) über dem Spalt der Kontakte des Lasttrennschalters in ihrer Größe. Sie hat jedoch eine sehr kurze Anstiegszeit bei einer Frequenz im Bereich von 1 kHz.
Diese schnell ansteigenden Transienten können zu einem Durchbruch des Kontaktspalts und damit zu einem Wiederauftreten des Stroms durch eine Lichtbogenbildung führen. Dies geschieht in einer sehr kurzen Zeit und wird auch als „Wiederzündung“ (englisch: reignition) oder Rückzündung (englisch: restrike) bezeichnet. Gemäß der Definition in der IEC 62271-110 bezieht sich die Wiederzündung auf einen Spannungsdurchbruch im Lasttrennschalter innerhalb eines Viertelzyklus nach dem Unterbrechungsversuch. In dieser Norm ist die Rückzündung definiert als ein Spannungsdurchbruch im Lasttrennschalter zu einem Zeitpunkt, der gleich oder größer ist als ein Viertel eines Zyklus nach dem Unterbrechungsversuch. Die Wiederzündung führt zu einer steilen Spannungstransiente mit hoher Amplitude und Frequenz im Kilohertzbereich, wobei die Spannungstransiente als „Wiederzündungsüberspannung“ (englisch: reignition overvoltage) bezeichnet wird. Die Wiederzündungsüberspannung kann die dielektrische Integrität und die elektrische Lebensdauer des Lasttrennschalters und der induktiven Last in negativer Weise beeinträchtigen.
Bei der Verwendung als Spannungsregler wird die Drosselspule typischerweise täglich in einen Stromübertragungskreis ein- bzw. ausgeschaltet. Dies erfolgt meist nachts, wenn die Lasten niedrig sind. Die Lasttrennschalter sind somit einer höheren Schalthäufigkeit ausgesetzt im Vergleich zu Fehlerschaltern, wie Leistungstrennschaltern.
Beim Schalten der in der Hoch- und Höchstspannungsübertragungsleitungen angeordneten Drosselspule verursachen die Stromwiederzündungen zwischen den Schaltvorgängen in Folge eines Lichtbogens im Lasttrennschalter sehr steile Spannungsanstiege in der Drosselspule. Dies kann zu kumulativen Schäden führen, die die Lebensdauer der Drosselspule verkürzen. Da es sich bei den Drosselspulen für Hoch- und Höchstspannungsleitungen um sehr teure und wichtige Geräte handelt, müssen diese Schäden auf ein Minimum beschränkt werden.
Häufiges Wiederzünden kann auch zu Schäden am Unterbrechungselement des Lasttrennschalters führen, indem Düsenmaterial durchstochen wird. Dies erhöht wiederum die Wahrscheinlichkeit weiterer Wiederzündungen. Der starke Druck, der in den Lasttrennschaltern entsteht, kann den Strom zudem vorzeitig zum Nullpunkt zwingen, mit dem Ergebnis, dass die Spannung sich an der Drosselspule weiter erhöht, so dass die Lasttrennschalter noch höheren Spannungen standhalten müssen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, die Drosselspule so zu schalten, dass Schäden an der Drosselspule, den Lasttrennschaltern und anderen Komponenten des Stromsystems durch Wiederzündungen während des Schaltvorgangs minimiert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung anzugeben, welche baulich und/oder funktional verbessert ist, um Schäden an Komponenten des Stromsystems durch das Schalten der induktiven Last zu minimieren. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein entsprechendes System zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems sowie ein Verfahren zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung schlägt eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung vor, wobei die Anordnung eine Serienschaltung aus einer induktiven Last und einem steuerbaren mechanischen Trennschalter umfasst. Unter einer Hochspannungsleitung ist im vorliegenden eine Leitung zu verstehen, welche mit Spannungen von mehr als 70 kV bis zu mehr als 800 kV beaufschlagt wird. Häufig verwendete Hochspannungen sind 110 kV oder 400 kV. Leitungen mit einer Spannung von mehr als 400 kV werden teilweise auch als Höchstspannungsleitungen bezeichnet. Bei der induktiven Last handelt es sich direkt geerdete Drosselspulen, ungeerdete Drosselspulen oder über eine neutrale Drosselspule geerdete Drosselspulen. Insbesondere ist die induktive Last eine Drosselspule mit einer Wicklung um einen Kern, wobei die Komponenten der induktiven Last von einem isolierenden Material, z.B. Öl, umgeben sind. Die induktive Last kann als einphasige Einheit oder als dreiphasige Einheit vorliegen. Eine solche induktive Last wird beispielsweise als Spannungsregler für lange Übertragungsleitungen oder eine Lastflusssteuerung genutzt. Unter einem steuerbaren mechanischen Trennschalter ist allgemein ein mechanisches Schaltgerät zu verstehen, das einen Stromkreis (Betriebs- und Fehlerströme) verbindet und unterbricht und in geschlossener Stellung den Nennstrom führt. Es gibt viele Arten von Leistungsschaltern, die nach ihrer Funktionsweise oder nach ihrer internen Isolierung eines Unterbrechers klassifiziert werden, und als Trennschalter zum Einsatz kommen können. Leistungsschalter, die nach ihrer Funktionsweise klassifiziert werden, sind z.B. Trennschalter vom einpoligen Typ, bei dem jeder Pol unabhängig arbeitet, sowie Trennschalter vom dreiphasigen Typ, bei dem alle Pole gleichzeitig geschaltet werden. Leistungsschalter, die nach ihrer internen Isolierung des Unterbrechers klassifiziert werden, sind z.B. Vakuumisolierung, Reinluftisolierung, Gasisolierung: SF6-Gas, g3, nicht-SF6-Gas.
Die Serienschaltung aus der induktiven Last und dem steuerbaren Trennschalter ist zur Verschaltung mit den Anschlüssen einer Hochspannungs-Wechselspannungsquelle vorgesehen. Die induktive Last ist mit einer Widerstandsanordnung verschaltet, um beim Öffnen des Trennschalters in der induktiven Last enthaltene Energie über die Widerstandsanordnung zu entladen und eine Wiedereinschaltspannung des Trennschalters zu reduzieren. Dazu umfasst die Widerstandsanordnung eine Serienschaltung aus einem Entladewiderstand und einem steuerbaren Schaltelement, wobei die Serienschaltung mit den Wicklungsenden einer Sekundärwicklung der induktiven Last verschaltet ist. Die Anordnung ist derart ausgestaltet, dass der Trennschalter und das Schaltelement in Betrieb der Anordnung gesteuert werden, um das Schaltelement in der Widerstandsanordnung zu schließen, und zwar unmittelbar bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters während der Stromunterbrechung entsteht.
Wie dem Fachmann bekannt ist, umfasst der Prozess der Stromunterbrechung des Trennschalters vier Phasen:

1. Geschlossene Stellung: Es erfolgt ein Stromdurchgang durch die Hauptkontakte des Trennschalters.
2. Trennung der Kontakte: Beim Empfang eines Auslösesteuersignals, mit dem das Öffnen des Trennschalters initiiert werden soll, wird ein Auslösestromkreis des Trennschalters erregt und die Kontakte bewegen sich auseinander. Der Strom fließt weiterhin durch Kontakte des Trennschalters, während sich die Kontakte auseinander bewegen. Dieser Vorgang benötigt bei einem Hochspannungs-Leistungsschalter eine Zeitspanne von typischerweise 15 ms bis zu 40 ms.
3. Auftreten eines Lichtbogens: Wenn sich die Kontakte weit genug öffnen, entsteht zwischen den Kontakten des Leistungsschalters ein Lichtbogen. Der Strom fließt weiterhin in einem leitenden Gas zwischen den offenen Kontakten in Form des Lichtbogens. Wenn sich der Strom einem natürlichen Nulldurchgang nähert, zwingt ein Lichtbogenkühlmechanismus des Trennschalters den Lichtbogenstrom vor dem natürlichen Nulldurchgang auf Null. Dieses Phänomen wird als Stromunterbrechung bezeichnet. Wenn keine Wiederzündung erfolgt, wird der Strom unterbrochen.
4. Offene Stellung: Der Strom wird bzw. ist unterbrochen.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass der Entladewiderstand kurz vor dem Auftreten des Lichtbogens in die elektrische Schaltung integriert wird.
Durch diese Anordnung kann die Energie, die in der lastseitigen Induktivität und Kapazität der Last eingeschlossen ist, über den Entladewiderstand in kurzer Zeit entladen und in Form von Wärme abgeführt werden. Dies ermöglicht es, die Wiedereinschaltspannung erheblich zu reduzieren. Durch die niedrigere Wiedereinschaltspannung über den Kontakten des Trennschalters kommt es zu keiner Wiederzündung.
Durch das steuerbare Schaltelement braucht der Entladewiderstand nicht ständig an die Stromversorgung angeschlossen zu sein, wodurch große Energieverluste und eine entsprechend große Kühlvorrichtung zum Ableiten von Wärme vermieden werden können. Vorzugsweise ist die Sekundärwicklung der induktiven Last ausgestaltet, die von der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle erzeugte Hochspannung auf eine Mittelspannung zu reduzieren. Insbesondere beträgt das Verhältnis zwischen der Hochspannung und der Mittelspannung 5:1 oder höher. Von der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle erzeugte Hochspannung beträgt zwischen 70 kV und mehr als 800 kV.
Dadurch ist es möglich, den Entladewiderstand nicht direkt an die Hochspannungsleitung anschließen zu müssen. Ein weiterer Vorteil der Transformation der Spannung in der Widerstandsanordnung besteht darin, dass der Widerstand kleiner dimensioniert werden kann, so dass die in der induktiven Last auftretende Energie in sehr kurzer Zeit entladen werden kann.
Der Hauptzweck der Sekundärwicklung der Sekundärwicklung besteht somit darin, die Spannung, die an der induktiven Last primärseitig anliegt, zu reduzieren, um das schnelle Schalten des Entladewiderstands in die Anordnung bei niedrigen Kosten zu ermöglichen.
Zweckmäßigerweise wird der Entladewiderstand derart dimensioniert, dass dieser die in der induktiven Last eingeschlossene Energie so entlädt, dass innerhalb einer halben Wechselspannungsperiode die über der induktiven Last anfallende Spannung zu Null wird. Die Dimensionierung des Widerstandswerts des Entladewiderstands erfolgt gemäß folgender Gleichung: $R < \frac{\sqrt{L C_{L}}}{2 N^{2} C_{L}},$
worin R der Widerstandswert des Entladewiderstands, L die Hauptreaktanz der induktiven Last, N das Spannungsverhältnis zwischen Primärspannung und Sekundärspannung der induktiven Last, und C_L die Streukapazität der induktiven Last sind.
Vorzugsweise weist das steuerbare Schaltelement eine Schaltzeit (Einschaltzeit) auf, die kleiner oder wesentlich kleiner als die Schaltzeit (Ausschaltzeit) des mechanischen Trennschalters ist. Dies kann beispielsweise durch die Ausgestaltung des steuerbaren Schaltelements als Halbleiterschaltelement, insbesondere Thyristor, oder als schneller mechanischer Mittelspannungs-Leistungsschalter realisiert werden. Die Einschaltzeit des schnellen steuerbaren Schaltelements, wenn dieses als Halbleiterschalters realisiert ist, ist die Zeit, die erforderlich ist, um bei Anlegen eines Steuersignals seinen Zustand vom Sperrmodus in den Durchlassmodus zu ändern. Die Einschaltzeit des schnellen steuerbaren Schaltelements, wenn dieses als mechanischer Mittelspannungs-Leistungsschalter realisiert ist, wird vom Beginn des Empfangs des Steuersignals bis zu dem Moment gemessen, in dem sich die Kontakte berühren und verbinden.
Bei dem mechanischen Trennschalter ist die Ausschaltzeit (oder mechanische Zeit) die Zeit, die der Trennschalter benötigt, um die Kontakte so weit zu öffnen, dass ein Lichtbogen über Lichtbogenkontakte des Trennschalters entsteht. Diese Zeit wird vom Beginn des Empfangs des Steuersignals bis zu dem Moment gemessen, in dem die Kontakte einen Lichtbogen zu erzeugen beginnen. Diese Zeit reicht typischerweise von 15 ms bis zu 40 ms für einen HV-Trennschalter.
Der mechanische Trennschalter weist damit eine Schaltzeit auf, die erheblich länger als die Schaltzeit des steuerbaren Schaltelements ist.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass jeweilige Steueranschlüsse des Trennschalters und des Schaltelements mit einem gemeinsamen Ausgang einer Steuereinheit verbunden sind, um das gleiche Steuersignal zu empfangen. Aufgrund der unterschiedlichen Schaltzeiten von Trennschalter und Schaltelement werden die eingangs erwähnten Eigenschaften erzielt, dass das Schaltelement in der Widerstandsanordnung bereits geschlossen werden kann, ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters während der Stromunterbrechung entsteht.
Zweckmäßigerweise umfasst die induktive Last eine Primärwicklung, wobei die Primärwicklung und die Sekundärwicklung von einem Isolationsfluid, z.B. Öl, umgeben sind. Die Kombination aus Primärwicklung und Sekundärwicklung bildet somit einen Transformator, welcher die an der Primärwicklung anliegende Hochspannung in eine kleinere Spannung, insbesondere Mittelspannung transformiert, die in der Widerstandsanordnung verarbeitet wird.
Die vorliegende Erfindung schlägt ferner ein System zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems vor, welches pro Phase eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom nach einer oder mehrerer Ausgestaltungen der Erfindung nutzt.
Ferner schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems vor, welches eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom nach einer oder mehrerer Ausgestaltungen der Anordnung umfasst. Das Verfahren umfasst den Schritt der Steuerung des Trennschalters und des Schaltelements im Betrieb der Anordnung mittels eines Steuersignals, um das Schaltelement in der Widerstandsanordnung zu schließen (leitend zu schalten), unmittelbar bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters während der Stromunterbrechung entsteht. Dies ermöglicht die Abfuhr der in der lastseitigen Induktivität und Kapazität eingeschlossenen Energie über den Entladewiderstand und der dabei anfallenden Wärme. Die Wiedereinschaltspannung des mechanischen Trennschalters kann dadurch erheblich reduziert werden. Durch die niedrigere Einschaltspannung über den Kontakt des Trennschalters kommt es insbesondere zu keiner Wiederzündung.
Zweckmäßigerweise wird als das Steuersignal ein gleiches (gemeinsames) Steuersignal, das an einem gemeinsamen Ausgang einer Steuereinheit bereitgestellt wird, verarbeitet.
Weiterhin zweckmäßig ist der Trennschalter im Betrieb der Anordnung leitend geschaltet und das Schaltelement ist sperrend geschaltet. Dies heißt, vor dem Empfang des Steuersignals ist die induktive Last von dem zu unterbrechenden Strom durchflossen, während in der Widerstandsanordnung kein Stromfluss erfolgt.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten einphasigen Stromsystems;
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines einphasigen Stromsystems, das das Prinzip der vorliegenden Erfindung illustriert;
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines einphasigen Stromsystems mit einer erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung;
4 das elektrische Ersatzschaltbild der 3, in dem die Steuerung der Schaltelemente mittels eines Steuersignals illustriert ist;
5 ein Diagramm, das die durch die Drosselspule fließende Spannung nach einer Stromunterbrechung zeigt; und
6 ein Diagramm, das die Spannung der Drosselspule nach einer Wiederzündung zeigt.

1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten einphasigen Stromsystem mit einer einphasigen Übertragungsleitung 50, über die eine induktive Last 10 aus einer Hochspannungs-Wechselspannungsquelle 30 versorgt wird.
Die induktive Last 10 ist z.B. in der Form einer Drosselspule ausgebildet. Diese weist eine Spule (Wicklung) 11 mit einer Induktivität L und eine dazu parallel geschaltete lastseitige Kapazität 14 der Größe C_L auf. Die Spule 11 ist um einen nicht dargestellten Kern gewickelt. Die Kapazität 14 ist eine Streukapazität. Die Komponenten der induktiven Last 10 sind in der Regel von einem Isolationsmaterial, z.B. Öl, umgeben. Der genaue mechanische Aufbau einer solchen induktiven Last 10 ist dem Fachmann bekannt und darüber hinaus für das weitere Verständnis auch nicht von Bedeutung.
Die induktive Last 10 und die Hochspannungs-Wechselspannungsquelle 30 sind über die Übertragungsleitung 50 miteinander verbunden. In der Übertragungsleitung 50 ist ein Lasttrennschalter 20, z.B. ein mechanisches Element, angeordnet. Der Lasttrennschalter 20 ist z.B. ein gasisolierter Lasttrennschalter, wie ein SF6-Lasttrennschalter. In elektrischer Hinsicht umfasst der Lasttrennschalter 20 neben dem eigentlichen mechanischen Trennschalter 21 ein kapazitives Streuelement 22 der Größe C_p und ein induktives Streuelement der Größe L_p. Die Kapazität C_p ist dabei sehr viel kleiner als die Kapazität C_L (C_p << C_L). Die Serienschaltung aus kapazitiven Streuelement 22 und induktiven Streuelement 23 ist dabei den Anschlüssen des mechanischen Trennschalters 21 parallel geschaltet.
Ein quellseitiger Abschnitt 51 der Übertragungsleitung 50 verbindet ein quellseitiges Ende des Lasttrennschalters 20 mit einem Anschluss der Wechselspannungsquelle 30. Ein lastseitiger Abschnitt 55 der Übertragungsleitung 50 verbindet das andere, lastseitige Ende des Lasttrennschalters 20 mit einem Anschluss der induktiven Last 10. Über einen Rückleiter 57 sind der andere Anschluss der induktiven Last 10 und die Wechselspannungsquelle 30 miteinander verbunden. Aus Sicherheitsgründen ist der Lasttrennschalter 20 meist so in die Übertragungsleitung 50 integriert, dass der quellseitige Abschnitt 51 der Übertragungsleitung länger oder wesentlich länger als der lastseitige Abschnitt 55 der Übertragungsleitung ist.
Der quellseitige Abschnitt 51 der Übertragungsleitung ist in elektrischer Hinsicht durch eine Induktivität 52 der Größe Ls repräsentiert. Der lastseitige Abschnitt 55 der Übertragungsleitung 50 ist durch eine Induktivität 56 der Größe L_b repräsentiert, wobei gilt: L_S >> L_b. Der quellseitige Abschnitt 51 der Übertragungsleitung 50 umfasst ferner eine Kapazität 53 der Größe Cs, wobei die Kapazität eine inhärente Kapazität des quellseitigen Abschnitts 51 ist.
Zum Unterbrechen des Stroms durch die induktive Last 10 wird an den Lasttrennschalter 20 ein in 1 nicht näher dargestelltes Signal übertragen, mit dem der mechanische Trennschalter 21 vom leitenden (geschlossenen) Zustand in den sperrenden (geöffneten) Zustand gebracht wird. Nach dem Empfang des Steuersignals vergeht bis zur mechanischen Trennung der Kontakte des Trennschalters 21 eine kurze Zeitspanne. Diese Zeitspanne ist abhängig von der Größe und Ausgestaltung des Trennschalters 21 und liegt typischerweise zwischen 15 ms und 40 ms. Diese Zeitspanne wird als Schaltzeit oder Öffnungsdauer (englisch: opening time) bezeichnet.
Wenn der mechanische Trennschalter 21 ausgelöst wird, trennen sich seine Kontakte vor dem Stromnullpunkt und der Strom fließt durch den zwischen den Kontakten entstehenden Lichtbogen weiter. Wenn sich der Strom dem Stromnullpunkt nähert, wird er vorzeitig zum Nullpunkt gezwungen, was als Stromunterbrechung (current chopping) bekannt ist. Dies führt zu einer in der induktiven Last 10 gespeicherten und zwischen ihren Komponenten 11, 14 oszillierende Energie. Eine maximale lastseitige Überspannung tritt dann auf, wenn die gespeicherte Energie in kapazitiv gespeicherte Energie in der lastseitigen Kapazität 14 umgewandelt wird. Dies ist in 5 dargestellt.
5 zeigt die Drosselspulenspannung nach einer Stromunterbrechung. Mit A ist der Verlauf der quellseitigen Spannung (source side power frequency voltage) bezeichnet. B kennzeichnet den Einfluss der Spannung des Lichtbogens (influence of arc voltage). C kennzeichnet die Unterdrückung der maximalen Überspannung (suppression peak overvoltage). D ist die maximale Überspannung der Erholungsspannung (recovery voltage peak overvoltage). E kennzeichnet die lastseitige Oszillation in der Drosselspule (load side oscillation). Die maximale Überspannung (peak overvoltage) ist die sog. Unterdrückungsspitzenüberspannung (suppresion peak overvoltage), die auch als Chopping-Überspannung bezeichnet wird.
Im Fall einer erfolgreichen Stromunterbrechung wird die induktive Last durch das lastseitige Oszillogramm (siehe E) belastet, das allmählich auf Null zurückgeht. Bei Hochspannungsdrosselspulen liegt die Frequenz der lastseitigen Schwingung in der Regel bei maximal einigen Kilohertz, wobei die genaue Frequenz durch die Größen von L und C_L der lastseitigen Induktivität 11 und der lastseitigen Kapazität 14 bestimmt wird.
Bleibt demgegenüber der Versuch der Stromunterbrechung erfolglos, kommt es zum Wiederzünden, und damit zum Durchschlag zwischen den Kontakten des Trennschalters 21. Die Spannung auf der Lastseite muss sich dann der Spannung der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle 30 anpassen. Im schlimmsten Fall erfolgt eine Wiederzündung an der Wiedereinschaltspitze, wie dies in 6 dargestellt ist.
Die Höhe der Wiederzündungsüberspannung V_p ist von der Dämpfung im Stromkreis abhängig. Die induktive Last wird durch die Wiederzündschwingung mit einer Frequenz in der Größenordnung von Hunderten von Kilohertz belastet, wobei in seltenen Fällen auch Frequenzen bis zu 1 MHz erreicht werden. Diese Frequenz wird durch die Größen der quellseitigen Kapazität 53 (Cs) und der lastseitigen Kapazität 14 (d.h. C_L) und diese zwischenliegenden Induktivität der Schaltung bestimmt.
In dem in 6 gezeigten Diagramm, das die Spannung der lastseitigen Induktivität (Drosselspule) nach Wiederzündung zeigt, sind:

Vma: die Unterdrückungsspitzenüberspannung (suppression peak overvoltage)
Vo: die Spannung an der induktiven Last 10 (Drosselspule) vor der Stromunterbrechung
Vc: die Spannungsspitzenerholung (recovery voltage peak)
Vp: die Wiederzündungsüberspannungsspitze zum Bezugspotential (reignition overvoltage peak to earth)
Vs: die Wiederzündungsüberspannungsauslenkung (reignition overvoltage excursion).

2 veranschaulicht das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip, das die oben beschriebenen Probleme vermeidet. Das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Vorgehens besteht darin, das in Verbindung mit 1 beschriebene elektrische Ersatzschaltbild um einen Entladewiderstand 15 zu erweitern. Der Entladewiderstand 15 ist parallel zu der induktiven Last 10 angeschlossen. Dadurch kann die zum Zeitpunkt der Stromunterbrechung in der Last 10 eingeschlossene Energie, die zwischen deren Induktivität 11 und lastseitigen Kapazität 14 pendelt, über den Widerstand 15 entladen und in Form von Wärme abgeführt werden. Dadurch wird die Wiedereinschaltspannung reduziert. Ferner ist die Gefahr einer Wiederzündung über die Kontakte des mechanischen Trennschalters 21 des Lasttrennschalters 20 reduziert.
Um die in der induktiven Last enthaltene Energie in sehr kurzer Zeit zu entladen, muss der Widerstandswert R des Widerstands 15 klein genug sein. Da die induktive Last jedoch an eine Hochspannungsleitung 50 angeschlossen ist, ist es nicht praktikabel, den Entladewiderstand 15 direkt an diese Spannungsebene anzuschließen. Darüber hinaus würde bei einer permanenten Parallelschaltung zur induktiven Last 10 ständig Energie in diesen umgewandelt werden, wodurch eine aufwändige Kühlung zur Ableitung der Wärme erforderlich wäre.
3 zeigt eine Widerstandsanordnung 40, mit der das Funktionsprinzip des Widerstands 15 verwirklicht und gleichzeitig die beschriebenen Probleme verhindert werden können. Die Widerstandsanordnung 40 umfasst eine Serienschaltung aus einem Entladewiderstand 41 mit Widerstandswert R und ein steuerbares Schaltelement 42. Die Serienschaltung aus diesen beiden Elementen ist mit den Wicklungsenden einer Sekundärwicklung 12 der induktiven Last 10 verschaltet. Die Sekundärwicklung 12 ist mit der als Primärwicklung ausgebildeten Spule 11 der induktiven Last 10 über einen Kern 13 magnetisch gekoppelt.
Der Hauptzweck der Sekundärwicklung 12 besteht darin, die in der Primärwicklung anfallende Hochspannung auf eine im Verhältnis dazu kleinere Spannung zu reduzieren. Durch ein Verhältnis zwischen der Hochspannung von z.B. 5:1 zu der in der Widerstandsanordnung 40 auftretenden Spannung kann eine Mittelspannung erzielt werden. Beträgt die von der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle 30 bereitgestellte Spannung beispielsweise 110 kV so wird durch die Sekundärwicklung 13 die Spannung in der Widerstandsanordnung 40 auf mindestens 22 kV reduziert. Durch die Reduktion der im primären Stromkreis anliegenden Spannung wird der Einsatz eines schnellen, steuerbaren Schaltelements 42 ermöglicht. Beispielsweise kann als das steuerbare Schaltelement 42 ein Halbleiterschaltelement, insbesondere ein Thyristor, verwendet werden, das eine Schaltzeit von etwa 1 ms aufweist. Die reduzierte Spannung in der Widerstandsanordnung ermöglicht es weiter, den Entladewiderstand 41 und das steuerbare Schaltelement 42 mit geringen Kosten bereitzustellen. Alternativ kann als steuerbares Schaltelement 42 ein mechanischer Mittelspannungs-Leistungsschalter verwendet werden.
Wenn der mechanische Trennschalter 21 das Steuersignal zum Unterbrechen des Stroms durch die Hochspannungsleitung 50 erhält, dauert es konstruktionsbedingt üblicherweise zwischen 15 ms und 40 ms vom Erhalt des Steuersignals bis zur mechanischen Trennung der Kontakte des Trennschalters 21. Wie in Verbindung mit 5 erläutert, trennen sich seine Kontakte vor dem Stromnullpunkt und der Strom fließt weiter durch den entstehenden Lichtbogen. Wenn sich der Strom dem Stromnullpunkt nähert, wird er vorzeitig zum Nullpunkt gezwungen, was die Stromunterbrechung darstellt. Ohne die erfindungsgemäß vorgesehene Widerstandsanordnung führt dies zu einer Oszillation der in der induktiven Last gespeicherten Energie, wobei die maximale lastseitige Überspannung auftritt, wenn diese Energie in kapazitiv gespeicherte Energie in der lastseitigen Kapazität 14 umgewandelt wird.
Durch das Vorsehen der in 3 gezeigten Widerstandsanordnung und dessen physikalischer Eigenschaften kann das Schaltelement 42 in der Widerstandsanordnung bereits geschlossen werden, bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des mechanischen Trennschalters 21 während der Stromunterbrechung entsteht. Mit einer kürzeren Schaltzeit als der mechanische Trennschalter 21 schaltet das steuerbare Schaltelement 21 den Entladewiderstand 41 über die Sekundärwicklung 12 der induktiven Last 10 in den Stromversorgungspfad, bevor der Lichtbogen beim Stromunterbrechungsvorgang zwischen den Kontakten des mechanischen Trennschalters 21 gezogen wird. Wird der Strom vorzeitig auf Null gezwungen, fließt der in der lastseitigen Induktivität 11 und der lastseitigen Kapazität 14 gespeicherte Strom durch den Entladewiderstand 41 und wird in Wärme umgewandelt. Dies führt zu einer sehr geringen Unterdrückungsspitzenspannung und Wiedereinschaltspannung, wie in 5 mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet ist.
Die Dimensionierung des Entladewiderstands 41 kann auf Grundlage von Simulationsergebnissen erfolgen, insbesondere abhängig von einer gewünschten Wiedereinschaltspannung. Um ein gutes Ergebnis zu erzielen, kann der Entladewiderstand 41 nachfolgender Gleichung ausgewählt werden: $R < \frac{\sqrt{L C_{L}}}{2 N^{2} C_{L}},$
wobei R der Widerstandswert des Entladewiderstands 41, L die Hauptreaktanz der induktiven Last 10, N das Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung der induktiven Last und C_L die Streukapazität der induktiven Last 10 sind.
Die Steuerung von Trennschalter 20 und Schaltelement 42 in Betrieb der Anordnung erfolgt dabei, wie dies 4 darstellt, mittels eines gemeinsamen Steuersignals CS, das an einem Ausgang 61 einer Steuereinheit 60 abgegeben wird. Vor dem Empfang des Steuersignals zum Unterbrechen des Stroms in der Hochspannungsleitung 50 ist der Trennschalter 20 im Betrieb der Anordnung leitend geschaltet und das Schaltelement sperrend geschaltet. Im Betrieb der Anordnung wird damit die induktive Last 10 von dem zu unterbrechenden Strom durchflossen. Mit dem Empfang des Steuersignals wird der Trennschalter sperrend geschaltet und das Schaltelement leitend geschaltet.
Durch die physikalisch unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien von Trennschalter 21 und steuerbarem Schaltelement 42 ergibt sich, dass der Trennschalter 21 eine Schaltzeit aufweist, die länger als die Schaltzeit des steuerbaren Schaltelements 42 der Widerstandsanordnung ist. Das zeitverzögerte Schalten von mechanischem Trennschalter 21 und steuerbaren Schaltelement 42 wird aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften erzielt. Eine getrennten Ansteuerung mit unterschiedlichen Signalen ist nicht vorgesehen und nicht erforderlich. Hierdurch kann der Entladewiderstand in der Widerstandsanordnung 40 bereits in den Stromkreis eingefügt werden, bevor eine Unterbrechung des Stroms in der Übertragungsleitung 50 durch das Öffnen des Trennschalters 20 auftritt.
Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem einphasigen Stromsystem beschrieben. Weist das Stromsystem mehrere Phasen auf, so kommt das beschriebene System insbesondere pro Phase zum Einsatz.
In einem dreiphasigen Übertragungssystem kann jede Phase separat durch eine Anordnung der oben beschriebenen Art geschützt werden. Der dreiphasige Trennschalter 20 kann dreipolig oder einpolig unabhängig betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist auf verschiedene Arten von Drosselspulen anwendbar, wie z.B. direkt geerdete Drosselspulen, ungeerdete Drosselspulen oder über eine Nulldrossel geerdete Drosselspulen.
Bezugszeichenliste

10: induktive Last
11: Wicklung (Primärwicklung) mit Induktivität C_L
12: Wicklung (Sekundärwicklung) mit Induktivität L
13: Kopplungselement
14: lastseitige Kapazität
20: Trennschalter
21: mechanischer Trennschalter
22: kapazitives Streuelement des mechanischen Trennschalters 21
23: induktives Streuelement des mechanischen Trennschalters 21
30: Hochspannungs-Wechselspannungsquelle
40: Widerstandsanordnung
41: steuerbares Schaltelement
42: Entladewiderstand
50: Übertragungsleitung
51: Quellseitiger Abschnitt der Übertragungsleitung
52: Induktivität des quellseitigen Abschnitts 51 (quellseitige Induktivität)
53: Kapazität des quellseitigen Abschnitts 51 (quellseitige Kapazität)
55: lastseitiger Abschnitt der Übertragungsleitung
56: Induktivität des lastseitigen Abschnitts 51 (lastseitige Induktivität)
57: Rückleiter

Claims

Anordnung zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung, wobei die Anordnung eine Serienschaltung aus einer induktiven Last (10) und einem steuerbaren mechanischen Trennschalter (20) umfasst, die zur Verschaltung mit den Anschlüssen einer Hochspannungs-Wechselspannungsquelle (30) vorgesehen ist, wobei die induktive Last (10) mit einer Widerstandsanordnung (40) verschaltet ist, um beim Öffnen des Trennschalters (20) in der induktiven Last (10) enthaltene Energie über die Widerstandsanordnung (40) zu entladen und eine Wiedereinschaltspannung des Trennschalters (20) zu reduzieren, wobei die Widerstandsanordnung (40) eine Serienschaltung aus einem Entladewiderstand (41) und einem steuerbaren Schaltelement (42) umfasst, die mit den Wicklungsenden einer Sekundärwicklung (12) der induktiven Last (10) verschaltet ist, wobei die Anordnung derart ausgestaltet ist, dass der Trennschalter (20) und das Schaltelement (42) im Betrieb der Anordnung gesteuert werden, um das Schaltelement (42) in der Widerstandsanordnung (40) zu schließen, unmittelbar bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters (20) während der Stromunterbrechung entsteht.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (12) der induktiven Last (10) ausgestaltet ist, die von der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle (30) erzeugte Hochspannung auf eine Mittelspannung zu reduzieren.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hochspannungs-Wechselspannungsquelle (30) erzeugte Hochspannung zwischen 70 kV und mehr als 800 kV beträgt.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Hochspannung und der Mittelspannung 5:1 oder höher beträgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (41) derart dimensioniert ist, dass dieser die in der induktiven Last (10) eingeschlossene Energie so entlädt, dass innerhalb einer halben Wechselspannungsperiode die über der induktiven Last (10) anfallende Spannung zu Null wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladewiderstand (41) dimensioniert wird gemäß $R < \frac{\sqrt{L C_{L}}}{2 N^{2} C_{L}},$
wobei R der Widerstandswert des Entladewiderstands (41), L die Hauptreaktanz der induktiven Last (10), N das Spannungsverhältnis zwischen Primärspannung und Sekundärspannung der induktiven Last, und C_L die Streukapazität der induktiven Last (10) sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Schaltelement (42) eine Schaltzeit aufweist, die kürzer als die Schaltzeit des Trennschalters (20) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Schaltelement (42) ein Halbleiterschaltelement, insbesondere ein Thyristor, oder ein schneller mechanischer Mittelspannungs-Leistungsschalter ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Steueranschlüsse des Trennschalters (20) und des Schaltelements (42) mit einem gemeinsamen Ausgang einer Steuereinheit (60) verbunden sind, um das gleiche Steuersignal (CS) zu empfangen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Last (10) eine Primärwicklung (11) umfasst, wobei die Primärwicklung (11) und die Sekundärwicklung (12) von einem Isolationsfluid umgeben sind.
System zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems, welches pro Phase eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom nach einem der vorstehenden Ansprüche nutzt.
Verfahren zum Unterbrechen von Strom in einer Hochspannungsleitung eines Stromsystems, welches eine Anordnung zum Unterbrechen von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 11 nutzt, das Verfahren umfassend den Schritt: - Steuerung des Trennschalters (20) und des Schaltelements (42) im Betrieb der Anordnung mittels eines Steuersignals, um das Schaltelement (42) in der Widerstandsanordnung (40) zu schließen, unmittelbar bevor ein Lichtbogen zwischen Kontakten des Trennschalters (20) während der Stromunterbrechung entsteht.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem als das Steuersignal ein gleiches Steuersignal (CS), das an einem gemeinsamen Ausgang einer Steuereinheit (50) bereitgestellt wird, verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Trennschalter (20) im Betrieb der Anordnung leitend geschaltet und das Schaltelement (42) sperrend geschaltet ist.