DE1943646A1

DE1943646A1 - Verfahren zur Vermeidung bei der einem Lastabwurf einer Hochspannungs-Gleichstrom-UEbertragungsanlage auftretenden netzfrequenten Spannungsueberhoehung

Info

Publication number: DE1943646A1
Application number: DE19691943646
Authority: DE
Inventors: Karl Werner Kanngiesser
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1969-08-28
Filing date: 1969-08-28
Publication date: 1971-03-04
Also published as: FR2059195A5; JPS5023733B1; SE377014B; CA920214A; CH519814A; GB1280411A; US3801895A; AT299384B; DE1943646B2; DE1943646C3

Description

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BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM . . BROWN BOVERI

Mp.-Nr. 636/69 Mannheim, den 22.Aug.1969

Pat/P/Bu.

"Verfahren zur Vermeidung der bei einem Lastabwurf einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage auftretenden netzfrequenten Spannungsüberhöhung" ' '

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchung von Stromrichterventilen, insbesondere beim Lastabwurf einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs- (HGU-) Anlage.

Der grundsätzliche Schaltungsaufbau einer HGÜ-Anlage wird als bekannt vorausgesetzt (HGÜ-Schriftenreihe: Sonderdruck der Arbeitsgemeinschaft HGÜ aus "ETZ/A", Bd. 89 (1968), Heft 8/9, S₉ 4, Bild 1). In einer solchen Anlage treten auf: Atmosphärische Überspannungen, innere Überspannungen als Folge des Kommutierungsvorganges und quasistationäre Spannungserhöhungen aufgrund eines Fehlers auf de.r Übertragungsleitung oder in der Station und des daraus folgenden last- oder Teillastabwurfes (Seite 38 der oben erwähnten Literaturstelle).

Die Stromrichterventile einer HGÜ-Anlage sind bei Auftreten von Störungen im Gleichstrom- als auch im Drehstromnetz erhöhten Spannungs- und Strombelastungen ausgesetzt«, Insbesondere bei schwachen speisenden Drehstromnetzen, d.h. bei geringer Kurzschlußleistung S£, wird im Falle eines plötzlichen Lastabwurfes der gesamten HGÜ-Anlage mit hohen Überspannungsbeanspruchungen der Wicklungen des Stromrichtertränformat ors und damit auch der Stromrichterventile zu rechnen sein, die nicht durch Überspannungsableiter· begrenzt werden können. Vor allem bei Anwendung von Halbleiterstrom-

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rientern beeinträchtigt es die Wirtschaftlichkeit, die Ihyristorenventile für diese Überspannungen zu bemessen. Man wird bestrebt sein, den Aufwand für die überdimensionierung. der Ventile durch geeignete Maßnahmen einzusparen. Z.B.kann die BlindleistungsliEferung der KompensatiOnsein-richtungen so bemessen werden, daß eine möglichst niedrige Überspannung bei Lastabwurf der HGÜ auftritt.

Bei den bisher ausgeführten Anlagen wurde versucht, die .Kurzschlußleistung des Netzes durch zusätzliche rotierende Phasenschieber zu erhöhen (Seite 32, Abs.2, der obengenannten Literaturstelle). .

Ein weiteres, allerdings nur beschränkt anwendbares Verfahren ist die Verkleinerung der Kommutierungsreäktanz durch die Erniedrigung der Kurzschlußspannung der Stromrichtertransformatoren; hierdurch wird der Blindleistungsbedarf der HGÜ-Station vermindert und somit die bei Lastabwurf freiwerdende Blindleistung reduziert; allerdings, steigt gleichzeitig die Überstrombeanspruchung der Ventile in Störungsfällen (S.32, Abs.1 der obengenannten Literaturstelle).

Zum Verständnis der weiteren Erläuterungen wird zunächst an Hand der Pig.1 eine sogenannte HGÜ-Kurzkupplung beschrieben (S.7j Bild 5 der obengenannten Literaturstelle).

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Eine ζ.Β* 500 km lange Drehstromleitung 1, 2 speiat über einsa Strumrichtertransformator 3 die Gleichrichterseite der HGÜ-Kurzkupplungc Der Gleichrichter 4 ist unter Zwischenschaltung von Glättungsdrosseln 6 mit einem Wechselrichter 5 verbunden. Das Verbrauchernetz 7 ist über einen weiteren Stromrichtertransformator 3 an den Wechselrichter gekoppelt» Die hetzfrequente Spannungserhöhung infolge eines Lastabwurfes ist durch die Daten der Drehstromleitung bestimmt, sofern man annimmt, daß der Gleichstrom auf Null gesteuert wird und damit der Gleichrichter außer Betrieb geht· Die Blindleistungsaufnahme eines Stromrichters ist nämlich bei konstantem Gleichstrom etwa proportional dem Sinus des Steuerwinkels ca , bei Stromnullregelung jedoch geht die Blindleistung ebenfalls auf RuIl zurück. Es wird daher eine erhöhte Spannungsbeanspruchung der Thyristorventile auftreten entsprechend dem Überspannungsverhalten der leistungslosen Drehstromleitung, wobei natürlich angeschlossene Filterkreise bzw. Kondensatorbatterien mit berücksichtigt werden müssen.

Im Normalbetrieb sei ein stationärer Lastfluß über die HGÜ angenommene Jede Station bestehe aus 2 Brücken mit je einem Transformator 3 und leistungsschalter 8. Die Station sei zwischen den Brücken geerdet, so daß ein erdsymmetrischer Betrieb zustande kommt (Fig. 2).

Bei den folgenden Fehlerfällen tritt ein-50$-oder 100 <?o -Lastabwurf der HGÜ auf: ■

1. Die Auslösung beider leistungsschalter 8 auf der Gleichrichterseite, d.h. an einer Sammelschiene 9.

Die Stromrichterventile sind von dem S.pannungsanstieg nicht betroffen, dieser Fall ist somit unkritisch. Die

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Pal ■) F I (808 bOOO/LA)

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in diesem Augenblick stromführenden Ventile können nicht mehr kommutieren und führen den Strom solange, bis die in dem Gleichstromkreis gespeicherte'Energie abgebaut ist, was normalerweise nur wenige Millisekunden dauert. Der Wechselrichter geht dann außer Betriebe Fällt nur ein Leistungsschalter aus, so tritt der 5O$-Lastabwurf ein, der an der in Betrieb verbleibenden Gleichrichter-Brücke Überspannungen verursacht^ die jedoch nur etwa 50$ cLes Wertes, bei völligem Last abwurf erreichen«

2. Auslösung beider Leistungsschalter auf der Wechselrichterseitee

Die Folge ist eine Dauerkippung des Wechselrichters_o Die Gittersteuerung des Gleichrichters wird so eingreifen, daß der Gleichstrom zu Null geregelt wirdo Infolge der langsamen Änderung der Blindleistungsabgabe kann ein evtl. vorhandener Phasenschieber die Drehspannung nicht konstant halten; es tritt ebenfalls der 100$ Lastabwurf ein, wobei die Überspannungen jetzt auch die Stromrichterventile des Gleichrichters beanspruchen.

3. Kurzschluß im Drehstromnetz auf der Wechselrichterseite·

Prinzipiell ist die gleiche Situation gegeben wie im Fall 2, der Wechselrichter kippt. Eine Gleichstromreduktion auf Null ist aber nur nötig, wenn im gespeisten Drehstromnetz ein Dauerfehler aufgetreten ist.

4« Kurzschluß auf der Gleichstromsei.te.

Durch Ansprechen einer beliebigen"Schutzeinrichtung wird - der Stromsollwert Null vorgegeben und damit ebenfalls die Übertragung kurzzeitig abgeschaltet.

Bei den oben beschriebenen Fehlern ist es naheliegend,

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PuI 4 F Γ (BGB. 5000/ΕΛ)

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den Gleichstrom auf UuIl zu regeln, so daß die Störung .möglichst schnell bereinigt wird (S. 5, rechte Spalte, 2, und 3« Absatz der obengenannten Literaturstelle und Sonderdruck "AEG-Mitto", 56 (1966) 6, S. 403 - 408, S406, linke Spalte, 4. Absatz) o- Die Stromrichter entnehmen dem Drehstromnetz dann keine Blindleistung mehr«, Als Folge davon tritt eine netzfrequente Überspannung an den Drehstromklemmen der Station und damit auch an den Stromrichterventilen auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die netzfre^uente Spannungsüberhöhung an den Thyristorventilen bei Lastabwurf ohne unbedingt notwendige Installation zusätzlicher rotierender Phasenschieberleistung und ohne die weiter oben erwähnte Reduzierung der Trafokurzschlußspannung zu vermeiden. Eine geeignete Betriebsführung der Steuerungs- und Regelungseinrichtungen der HGÜ soll in Störungsfällen den Blindleistverbrauch der Stromrichterstation aufrechterhalten» Die Lösung beruht in einem Verfahren der eingangs geschilderten Gattung, in dem erfindungsgemäß der Gleichstrom im Störungsfalle zunächst auf einen Wert, der größer als Null ist, zurückgesteuert und damit einem Drehstromnetz weiterhin Blindleistung entnommen wird und in dem eine Umsteuerung eines Gleichrichters in den Wechselrichterbetrieb unter Inkaufnahme eines höheren transienten Überstromes aufgrund der Einstellung der Beschaltung eines Stromreglers durch langsame Zündwinke!veränderung erfolgt. Durch dieses vorteilhafte Vorgehen werden ünsymmetrien und transiente Überspannungen vermieden, die Stromführung des am meisten beanspruchten Ventiles ist kurzer als bei extrem schneller Umsteuerung.

Zum besseren Verständnis des Verfahrens sind die Strom-I,

und Spannungsverläufe U_dGR in den Pig. 3 und 4.angegeben. Diese Darstellungen werden zunächst erläutert.

4 Γ 1 (UOB 5000/EA)

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Die Stromrichter werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren also nicht gesperrt, sondern in den WR-Betrieb umgesteuert.Danac wird sofort wieder in den Gleichrichterbetrieb zurückgesteuert, um den Strom erfindungsgemäß nicht auf Null absinken zu lassen, sondern ihn auf einem Wert'größer als Null zu halten (Pig.3). Mit dieser Maßnahme allein ist jedoch ein günstiges transientes Verhalten der Drehspannung noch nicht gewährleistet,denn unmitte! bar nach dem Störungseintritt wird der Gleichrichter schlagartig in den Wechselrichterbetrieb umgesteuert, um den kurzschlußartig angestiegenen Gleichstrom zurückzuführen. Dabei wird die fällige Zündung des Polgeventils im Augenblick der Umsteuerung um etwa 120 el verzögert und die stromlose Pause in einer Phase der Drehstromzuleitung des Stromrichters entsprechend verlängert. (Pig.3).Die hierdurch entstehende erhebliehe Spannungsunymmetrie hat zur Polge, daß hohe transiente Überspannungen entstehen.

Dieses ungünstige transiente Verhalten der Drehspannung wird nach den weiteren Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch verbessert, daß eine spezielle Beschaltung des Stromreglers gewählt wird, die eine extrem schnelle Umsteuerung des Gleichrichters in den Wechselrichterbetrieb vermeidet. Vielmehr verschieben sich die Zündzeitpunkte der Ventile nur allmählich, so daß die Stromzuführungsdauern der einzelnen Ventile nur geringfügig verlängert und vor allem starke Unsymmetrien vermieden werden (Pig. 4). Hierdurch läßt sich:.erreichen, daß keine transienten Überspannungen entstehen. Durch den erhöhten Blindleistungsbedarf bei erhöhtem Gleichstrom vermindert sich die Drehspannung um einen merklichen Betrag und steigt erst,nachdem der Strom nach kurzem Überschwingen auf den vorgegebenen Wert reduziert wurde, wieder auf den Nennwert an.

Die langsamere Zündwinkelveränderung im Störungsfalle hat natürlich, wie Pig. 4 im Vergleich zu Pig. 3 zeigt, ein höheres Überschwingen des Gleichstromes zur Polge. Wenn auch hiermit die Stromamplitude für die Ventile erhöht wird, so

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PaI 4 F 1 (868. 5000/EA)

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braucht damit doch keine höhere Strombeanspruchung für das ungünstigste Ventil verbunden sein, weil die Zeitdauer der Stromführung eines Ventils kürzer als bei extrem schneller Umsteuerung ist. Man vergleiche dazu die schraffierten Stromzeitflächen der beiden am stärksten beanspruchten Ventile.

Bei Gleichstromübertragungen über große Entfernungen mit Gleichstromfreileitung wird»z.B₀ zum Schutz der Gleichstromfreileitung bei Erdfehlern ,stets ein sogenannter Leitungsschutz vorgesehen. Eine solche Schutzeinrichtung gibt den Stromsollwert UuIl bei einem bestimmten Störungsfalle vorj entsteht durch einen Kurzschluß an einer beliebigen Stelle der Leitung ein Lichtbogen, so kann er nur erlöschen, wenn der Gleichstrom auf Null zurückgeregelt wird_o

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll auch im Ansprechfalle des Leitungsschutzes einer HGÜ-Anlage mit Gleichstromfreileitung die netzfrequente Spannungsüberhöhung unterbunden werden. Dies geschieht in einer Anlage mit mindestens zwei Gleichrichter- bzw. Wechselrichterstationen oder -Stationshälften auf der Sende- bzw. Empfangsseite dadurch,.daß während der Ansprechzeit eines Leitungsschutzes einer fehlerhaften Stationshälfte der j Gleichstrom der gesunden Stationshälfte durch Spannungsabsenj kung am Wechselrichter erhöht wird, derart, daß die gesunde ι Stationshälfte dem Drehstromnetz etwa die gleiche Blind- ^l. leistung entnimmt wie vor Eintreten der Störung beide Hälften '· zusammen. Als Beispiel wird das Schaltbild in Pig. 2 verwendet/Bei den meisten .Störungsfällen der Gleichstromleitung ist nur ein Pol betroffen. Es reicht daher aus, nur die ' fehlerseitige Stationshälfte stromlos zu machen, während die andere in Betrieb bleibt. In der kurzen Zeit der Strom-

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nullvorgabe in der gestörten Leitungshälfte können die Ventile der gesunden Hälfte überlastet werden. Die Strom-Überlastung des gesunden Leiterzweiges wird durch eine Veränderung des Steuerwinkels β des Wechselrichters im ^ Augenblick der Auslösung des Leitungsschutzes herbeigeführt. Um voraussetzungsgemäß die Blindleistungsentnahme der HGÜ im Fehlerfall konstant zu halten, muß der Gleichstrom der verbleibenden Stationshälfte um einen Faktor vergrößert werden, der kleiner als 2 ist. Der doppelte Wert tritt nicht auf-, weil die ICommutierungsblindleistung nicht nur mit dem Betrag des Gleichstromes, sondern auch und zwar sehr stark mit der Zündwinkelvergrößerung .zunimmt» Es ist selbstverständlich zu prüfen, ob die verbleibende notwendige Stromüberlastung der Thyristorventile noch zulässig ist. Ausschlaggebend für die Bemessung ist der zulässige Scheitelwert des Durchlaßströmes in Abhängigkeit von der Überstromdauer. Es ist nicht möglich, allgemeingültige Werte anzugeben, denn die Belastbarkeit hängt von vielerlei Parametern ab, wie z.B. von der Ausgangstemperatur, den Kühlbedingungen, den Stromflußwinkeln und -formen. Nimmt man eine bestimmte Überstromdauer an, die etwa der Entionisierungszeit des Lichtbogens entspricht, so kann man auf\der Grenzlastkurve den zulässigen Scheitelwert des Stromes ablesen* Es kann gesagt werden, daß es durchaus möglich ist,"die Thyristoren bei einer Stromflußdauer gemäß der Entionisierungszeit des Lichtbogens so zu- überlasten, daß die erfindungsgemäße Konstanz der Blindleistungsaufnahme gewährleistet ist.

Die Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens der Aufrechterhaltung eines bestimmten Gleichstromes in Störungsfällen ist unproblematisch, solange der Wechselrichter ordnungsgemäß kommutieren kann. Bei allen Fehlerfällen, bei denen eine

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Kippung des Wechselrichters auftritt, werden die "beiden in diesem Augenblick stromführenden Ventile, selbst wenn der • Gleichstrom seinen Nennwert nicht übersteigt, wegen der langen Stromführungsdauer strommäßig überlastet. Der Gleichstrom muß daher entsprechend der zulässigen Ventilbeanspruchung auf Null zurückgesteuert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung geschieht diese Rücksteuerung des Gleichstromes auf Null allmählich, so daß ein an der Drehstromsammelschiene des Gleichrichters befindlicher Phasenschieber in,dieser Zeit seine Blindleistung derart verändern kann, daß die Spannung an der Drehstromsammelschiene konstant bleibt. Damit wird vorteilhafterweise sichergestellt, daß die Strombelastung auch der Ventile eines nicht mehr kommutierenden Wechselrichters auf zulässige Werte begrenzt bleibt. Zur Verwirklichung dieser allmählichen. Rücksteuerung des Gleichstromes auf Null muß dem Stromregler des Gleichrichters eine 4r - Aufschaltung vorgegeben werden, die erst wirksam wird, wenn der Wechselrichter nicht mehr kommutieren kann, d.h. wenn die Spannung am Wechselrichter Null ist· Der Strom kann daher nach der Stromsollwertvorgabe Null nur so langsam absinken, wie es die 4r - Aufschaltung zuläßt. Diese Aufschaltung ist so zu wähleni daß der Phasenschieber in der Lage ist, durch Veränderung der Erregung die Spannung an der Drehstromsammelschiene konstant zu halten, d.h. daß die durch Stromreduktion bedingte .Änderung des Blindlastbedarfs des Gleichrichters durch eine entsprechende Änderung der Bl indleistungserzeugung des Phasenschiebers ausgeglichen wird. Die Änderung der Erregung des Phasenschieber] erfolgt dabei automatisch, sofern dieser mit einem Spannungsregler ausgerüstet ist, der die Drehspannung auf einem vorgegebenen Sollwert konstant hält.

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Es ergeben sich, insgesamt folgende wesentliche Vorteile bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens:

1. In den eingangs geschilderten Fällen des leillast- oder lastabwurfes werden Überspannungsspitzen vermieden. Das Verfahren ist anwendbar auf eine HGÜ-Kurzkupplung und auf Gleichstromübertragungen über große Entfernungen mit Gleichstromfreileitung und Schutzeinrichtung.

2. Durch die Veaäiinderung der Mulläussteuerung des Stromes im Fehlerfall kann erreicht werden, daß der Stromrichter weiterhin Blindleistung aus dem Drehstromnetz entnimmt. '■- ■ .

3. Es können wegen der allmählichen Umsteuerung des Gleichrichters in den Wechselrichterbetrieb kaum Spannungsunsymmetrien auftreten; es entstehen keine transienten Überspannungen.

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Claims

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Patentansprüche:

Verfahren zur Verminderung der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchuhg von Stromrichterventilen,insbesondere beim Lästäbwurf einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs(HGtJ-)-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom im Störungsfall zunächst auf einen Wert, der größer als -Hüll .ist,., zurückgesteuert und damit einem Drehstromnetz weiterhin Blindleistung entnommen wird.

Verfahren zur Verminderung.der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchung von Stromrichterventilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umsteuerung eines Gleichrichters in den VTechselrichterbetrieb unter Inkaufnahme eines höheren transienten Überstromes aufgrund der Einstellung der Beschaltung eines Stromreglers durch langsame Zündwinkelveränderung erfolgt.

Verfahren zur Verminderung der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchung von Stromrichterventilen, insbesondere beim Lastabwurf einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-(HGÜ-)Anlage nach Anspruch 1 und 2 mit mindestens zwei Gleichrichter- bzw. Wechselrichterstationen oder Stationshälften auf der Sende- bzw. Empfangsseite, dadurch gekennzeichnet, daß während der Ansprechzeit eines Leitungsschutzes einer fehlerhaften Stationshälfte der Gleichstrom der gesunden Stationshälfte durch Spannungsabsenkung am Wechselrichter erhöht wird, derart, daß die gesunde Stations-j hälfte dem Drehstromnetz etwa die gleiche Blindleistung entnimmt, wie vor Eintreten der Störung beide Hälften zusammen.

Verfahren zur Verminderung, der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchung der Stromrichterventile nach Anspruch 1 und 2 und/oder 3,dadurch gekennzeichnet,daß zur Begrenzung der Stromüberlastung eines nicht mehr kommutierenden Wechsel-'

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rioiiters neben, der allmählichen Rucksteuerung des Gleichstromes sich, die Blindleistungsabgabe eines an der Drehstromsarnmelschiene des Gleichrichters befindlichen Phasenschiebers so verändert, daß die Drehspannung an der Sammelschiene des speisenden Netzes konstant bleibt.

j 5·. Verfahren zur Verminderung, der netzfrequenten Überspannungsbeanspruchung des Wechselrichters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromregler des Gleichrichters eine -^ - Aufschaltung vorgegeben wird,, die erst wirksam wird, wenn die Gleichspannung am Wechselrichter Null ist.

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