DE19959572A1

DE19959572A1 - Schaltungsanordnung für ein Drehstromübertragungssystem

Info

Publication number: DE19959572A1
Application number: DE1999159572
Authority: DE
Inventors: Heinrich Brakelmann; Werner Rasquin
Original assignee: NKT Cables GmbH and Co KG
Current assignee: NKT Cables GmbH and Co KG
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-13

Abstract

Schaltungsanordnung für ein Drehstromübertragungssystem, bei dem für jeden Phasenleiter (10) eine elektrische Isolierung (15), eine metallische Abschirmung (20) oder ein metallischer Mantel vorhanden sind. Drehstromübertragungssysteme werden zunehmend mit Oberschwingungen belastet, wodurch eine Verminderung der Versorgungsqualität entsteht. Es wird daher vorgeschlagen, daß mindestens einem Teil (12) der Länge des Kabels (10) dem Metallschirm (20) ein kapazitiver Blindwiderstand (100) in Reihe geschaltet ist und die Impedanz des Blindwiderstandes (100) so gewählt oder so wählbar ist, daß die Ausbreitung von Oberschwingungen im Drehstromübertragungssystem gemindert oder sogar minimiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Drehstromübertragungssystem, insbe sondere mit Drehstromkabel mit einem äußeren Metallmantel bzw. Metallschirm.

Durch den stark anwachsenden Einsatz der Leistungselektronik in der elektrischen Energietech nik, z. B. bei den alternativen Energiequellen, werden die Versorgungsnetze zunehmend mit Oberschwingungen belastet, die ein Abweichen von Strom und Spannung vom sinusförmigen Verlauf und mithin eine Verminderung der Versorgungsqualität bewirken.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen zu beschreiben, die Ausbreitung von Oberschwin gungen längs des Kabels zu behindern.

Die Lösungen zielen darauf ab, durch geeignete Beschaltungen des Mantel- bzw. Schirm-Kreises eines Kabels oder aber mit Hilfe von Umbauwandlern seine Längsimpedanz gegenüber Schwin gungen ausgewählter Frequenzen zu erhöhen und dadurch die Ausbreitung dieser Oberschwin gungen längs des Kabels zu behindern.

Dies kann realisiert werden, ohne daß die Kabelleiter kontaktiert werden müssen, d. h. die Filter- bzw. Kompensationseinrichtungen müssen nicht für die hohe Übertragungsspannung des Kabel systems ausgelegt werden.

Abb. 1 zeigt eine Ader 10 mit Isolierung 15 eines Drehstromkabels, die einen äußeren Metall mantel 20 aufweisen soll. Vorschlagsgemäß bildet dieser Metallmantel in bestimmten Abständen 12 mit dem Rückleiter eine Schleife 22, wobei in die Kurzschlußverbindungen an den Mantel abschnittsenden 21, 21' eine Kapazität C (100) geschaltet werden soll.

Abb. 1b zeigt - unter Vernachlässigung der Leitungsquerzweige - das Ersatzschaltbild des Kabels: betrachtet wird ein Oberschwingungsstrom I_ν als Komponente des Transportstroms. Die ser Oberschwingungsstrom I_ν, der die Frequenz f_ν = nf₀ (z. B. f₀ = 50 Hz; n = ganze Zahl) auf weist, durchfließt zunächst die Induktivität L_k und baut damit ein magnetisches Feld zwischen Leiter und Metallmantel auf. In Reihe hierzu liegt die Induktivität L_h, die ein Maß für das außer halb des Metallmantels herrschende Magnetfeld ist. Bei offenem Mantelkreis wird die Indukti vität L_h vom vollen Strom I_ν durchflossen.

Bei der Schaltung nach Abb. 1b fließt im Mantelkreis ein Strom I₂, der ein Magnetfeld außerhalb der Kabelader über dieselbe Induktivität L_h _ν aufbaut wie der Leiterstrom. Dieser Mantelstrom I₂ muß außerdem den ohmschen Widerstand des Mantelkreises R₂ sowie die Kapazität C_ν überwin den.

Damit muß nach Abb. 1b der Transportstrom insgesamt die folgende Längsimpedanz überwin den (ohmsche Widerstände vernachlässigt):

mit ω_ν = 2πf_ν der Kreisfrequenz der ν-ten Oberschwingung.

Diese Längsimpedanz wird sehr groß - sie wird allein durch die beteiligten ohmschen Wider stände begrenzt - , wenn die Kapazität gegen die Resonanzbedingung strebt:

Die Längsimpedanz Z_l _ν, wird dann allein durch den ohmschen Widerstand R₂ begrenzt und hat die Größe:

Wird also der Widerstand R₂ des Mantelkreises hinreichend klein gewählt, so können sehr große Impedanzen hinsichtlich der betrachteten Oberschwingungsfrequenz aufgebaut werden. Sollen mehrere Oberschwingungsfrequenzen unterdrückt werden, so muß die beschriebene Resonanz schaltung in mehreren Mantelabschnitten des Kabels realisiert werden, wobei jeweils unter schiedliche, der zu unterdrückenden Frequenz f_ν angepaßte Filterkapazitäten C_ν in die Mantel kreise zu schalten sind.

Verringerung der notwendigen Filterkapazität C_ν durch einen Transformator im Mantelkreis

Um die erforderliche Kompensationskapazität C_ν zu verringern, wird eine Schaltung nach Abb. 2a vorgeschlagen. Hier wird die Kurzschlußverbindung 24 an einem Ende des Mantelabschnitts 21" durch einen Trafokern 30 geführt, der sekundärseitig mit w Windungen belegt ist.

Abb. 2b zeigt das resultierende Ersatzschaltbild. Der im Wesentlichen erreichte Effekt besteht darin, daß die erforderliche Filterkapazität C_ν jetzt im Mantelkreis um den Faktor w² - also um das Quadrat der Windungszahl w - vergrößert erscheint, der Aufwand für die kapazitive Filte rung also verringert werden kann. Es gilt:

Verringerung der Filterkapazität C_ν durch mehradrige Parallelkabel

Der zuvor beschriebene transformatorische Effekt läßt sich auch dadurch erreichen, daß parallel zum Hochspannungskabel mehradrige Kabel 40 entsprechend Abb. 3a verlegt sind, die durch entsprechende Hintereinanderschaltung ihrer Leiter 42 eine Spule im Magnetfeld des Hochspan nungskabels bilden, die in Reihe mit der Filterkapazität (C3) liegt.

Auch in diesem Fall wird die erforderliche Filterkapazität um w² - also um das Quadrat der Win dungszahl w, verringert.

Ein besonderer Vorteil dieser Variante kann darin bestehen, daß mit der Filtermaßnahme über haupt nicht mehr in die Konstruktion bzw. Beschaltung des Hochspannungskabels eingegriffen wird.

Die in den Parallelkabeln 40 entstehenden Verluste könnten zudem durch eine Zwangskühlung abgeführt werden, so daß das Hochspannungskabel weder durch zusätzliche Mantelstrom-Verlu ste noch durch sonstige zusätzliche Verlustwärme im Kabelgraben gestört wird.

Eine andere Ausführungsart dieses Prinzips kann darin bestehen, die mehradrigen Parallelkabel direkt in die Kabelkonstruktion zu integrieren, was beispielsweise durch einen Schirm aus iso lierten Einzeldrähten realisiert werden kann.

Filterung oder Kompensation durch Stromrichter

Zur Verringerung der erforderlichen Kompensationskapazität C wird außerdem eine Schaltung nach Abb. 4 vorgeschlagen. Hier wird die Kurzschlußverbindung 26 an einem Ende des Mantel abschnitts 21''' über eine Stromrichterschaltung SR geführt. Durch die geregelte Halbleiter schaltung (VSI = voltage sourced inverters) kann erreicht werden, daß der Stromfluß verzögert einsetzt oder vorzeitig abbricht, d. h. gegenüber der treibenden Spannung voreilt oder nacheilt. Je nach Regelung der Schaltung wirkt diese also kapazitiv oder induktiv.

Enthält die Stromrichterschaltung zusätzlich einen Transformator, so wirkt die Anordnung bei entsprechender Ansteuerung wie eine vergrößerte Kapazität. Eine ausführliche Beschreibung einer solchen Schaltung wird in
B. Kastenny, C. Hatziadoniu, A. Funk: VSI-Based Series Compensation Scheme for Transmis sion Lines in ETEP Vol. 9 No. 2, March/April 1999, pp. 101-104
gegeben. Im Ersatzschaltbild der Abb. 4b erscheint dann eine entsprechend vergrößerte Kom pensationskapazität C*, so daß der Aufwand für die kapazitive Kompensation verringert wird.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Stromrichterschaltung nach Abb. 4a so anzusteuern, daß sie dem Mantelkreis - und damit transformatorisch auch dem Kabelleiter - den Oberschwin gungsströmen gleichgroße, entgegengerichtete Ströme einprägt, so daß durch die Stromrichter schaltung eine Kompensation der Oberschwingungsströme bewirkt wird.

Der beschriebene Einsatz von Stromrichterschaltungen zur Filterung oder zur Kompensation von Oberschwingungsströmen kann in unterschiedlichen Schaltungen realisiert werden, - ähnlich wie zuvor für die Filterkapazität beschrieben.

Infrage kommen folgende Anordnungen bzw. Schaltungen:

- Transformator mit Stromrichterschaltung im Mantelkreis nach Abb. 4
- mehradrige, parallele Induktionsleiterkabel mit Stromrichterschaltung nach Abb. 5
- Umbauwandler mit Stromrichterschaltung nach Abb. 6

Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren wiedergegeben. Es zeigen

Abb. 1

Kabel mit Filterkapazität im Mantelkreis
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

10

Leiter

15

Isolierung

20

Mantel/Schirm

22

Kurzschlußverbindung

Abb. 2

Kabel mit Transformator und Filterkapazität im Mantelkreis
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

30

Transformator

Abb. 3

Kabel

20

mit mehradrigen Parallelkabeln (

40

), deren Leiter zu einer Wicklung geschaltet sind, und Filterkapazität
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

Abb. 4

Kabel mit Stromrichterschaltung im Mantelkreis
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

Abb. 5

Kabel mit Umbauwandler

52

und Filterkapazität C5
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

50

Wandlerkern

60

Wandlerwicklung

Abb. 6

Kabel mit Umbauwandler

52

und Stromrichterschaltung SR'
a) Schaltung
b) Ersatzschaltbild für den Leitungs-Längszweig

50

Wandlerkern

60

Wandlerwicklung

Ausblick

Die vorgeschlagenen Maßnahmen erlauben Beeinflussungen der Übertragungseigenschaften von Kabeln bezüglich oberschwingungshaltiger Transportströme. Insbesondere der Einsatz von Fre quenzumrichtern erscheint hierbei für die Zukunft des in rasanter Entwicklung befindlichen Gebiets der Leistungs-Halbleiter vielversprechend.

Claims

1. Schaltungsanordnung für ein Drehstromübertragungssystem, bei dem für jeden Phasenleiter (10) eine elektrische Isolierung (15), eine metallische Abschirmung (20) oder ein metallischer Mantel vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer Länge (12) einer Abschirmung (20) oder eines Mantels ein Blindwiderstand (100) in Reihe geschaltet ist und die Impedanz des Blindwiderstandes (100) so gewählt oder so wählbar ist, daß die Ausbrei tung von Oberschwingungen im Drehstromübertragungssystem gemindert oder sogar mini miert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Phasenleiter (10) des Übertragungssystems die Maßnahme gemäß Anspruch 1 vorgenommen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Abschnitte einer Länge (12) mit jeweils einem Blindwiderstand (100) in Reihe geschaltet sind und die jeweilige Impedanz (100) des Blindwiderstands (100) einer Länge (12) auf eine Ober schwingung abgestimmt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand (100) aus mindestens einem Kondensator (C) besteht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand (100) aus mehreren Kondensatoren (C) besteht, die in Abhängigkeit von der Last des Übertragungssystems zu- oder abschaltbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand (100) aus einer Schaltungsanordnung besteht, die einen Kondensator (C') nachbildet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet; daß die einen Kondensator (C') nachbildende Schaltungsanordnung aus einer Kurzschlußverbindung (26) besteht, die über einen Stromrichter (SR) geführt ist, der die Netzfrequenz des Übertragungssystems auf eine um einen Faktor erhöhte Frequenz umsetzt und mit einer Kapazität (C4) belastet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kondensator (C') nachbildende Schaltungsanordnung aus einer Kurzschlußverbindung (24) besteht, die über einen Transformatorkern (30) geführt ist, der sekundärseitig mit einer Anzahl (w) von Windungen belegt und mit einer Kapazität (C2) belastet ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern (30) als Kabel-Umbautransformatorkern ausgebildet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Transformators gemäß Anspruch 7 über einen Stromrichter (SR) geführt ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Kondensator (C') nachbildende Schaltungsanordnung aus einer Induktivität (40) mit einer Anzahl (w') von Windungen (42) besteht, die in Reihe mit einer Kapazität (C3) liegt.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (40) aus mindestens einem Kabel mit mehreren Einzelleitern (42) besteht, die zu einer Spule hin tereinander geschaltet sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelleiter (42) zu einem mehradrigen Kabel zusammengefaßt sind.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mehradrige Kabel zwangsgekühlt ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität aus im Schirm des Kabels (10) liegenden Einzelleitern besteht, die zu einer Spule hintereinander geschaltet sind.