DE202016102119U1

DE202016102119U1 - Hochgeschwindigkeitsschalter, der einen Einschaltwiderstand umfasst

Info

Publication number: DE202016102119U1
Application number: DE202016102119.7U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: CN206340980U

Abstract

Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d), der Folgendes umfasst: ein erstes Ende (30) zum Verbinden mit der GS-Seite eines WS-GS-Stromrichters (12a–b), ein zweites Ende (31) zum Verbinden mit einer GS-Übertragungsleitung (17a–b), einen Hauptschalter (32) und einen Einschaltschalter (33) zum selektiven Aktivieren eines Einschaltwiderstandes (34) in einer Leiterbahn zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (31), um dadurch den Widerstand zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (31) zu steigern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeitsschalter und eine zugeordnete Stromrichterstation, umfassend einen Einschaltwiderstand.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hochspannungsgleichstrom(High Voltage Direct Current – HVDC)-Verbindungen sind für verlustarme Energieübertragungen zunehmend in Verwendung. Für eine HVDC-Verbindung können auf beiden Seiten Stromrichterstationen bereitgestellt werden, um zu und von einem Wechselstrom(WS)-Netz umzuformen. Jede Stromrichterstation umfasst einen WS-GS(Gleichstrom)-Stromrichter und Hochgeschwindigkeitsschalter (high speed switches – HSSs) auf der GS-Seite.
Gelegentlich können Erdschlüsse an der Übertragungsleitung der HVDC-Verbindung auftreten, wobei an diesem Punkt die HSSs öffnen (d.h., in einen nichtleitenden Zustand versetzt werden). Nach der Isolierung bereiten sich die WS-GS-Stromrichter für einen Neustart vor, falls der Fehler ein zeitweiliger Fehler ist, was bei Freileitungsübertragungen häufig der Fall ist.
Als Teil des Neustartvorgangs müssen die HSSs geschlossen (d.h., in einen leitenden Zustand versetzt) werden, wonach sich die Energieübertragung über die Übertragungsleitung fortsetzen kann. Jedoch treten, wenn HSSs während des Neustarts nach einem GS-Fehler geschlossen werden, häufig Spannungsreflexionen am stromlosen Ende der Übertragungsleitung oder des Kabels auf, da der Zeitpunkt des Schließens zwischen den zwei Seiten nicht vollkommen gesteuert werden kann. Der Wellenwiderstand der Übertragungsleitung oder des Kabels ist bedeutend niedriger als der Wellenwiderstand des stromlosen Endes, der nahe unendlich ist. Daher kann die Spannungsreflexion in einigen Situationen nahezu das Zweifache der System-GS-Spannung erreichen.
KURZDARSTELLUNG
Es ist eine Aufgabe, Probleme im Stand der Technik zumindest teilweise zu lösen oder zu verringern, und insbesondere, Überspannungen zu verringern, wenn Hochgeschwindigkeitsschalter auf beiden Seiten einer Übertragungsleitung geschlossen werden.
Die Probleme im Stand der Technik werden gelöst durch die erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsschalter und Stromrichterstation gemäß den unabhängigen Schutzansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen, weitere Aspekte und Details ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Hochgeschwindigkeitsschalter bereitgestellt, der Folgendes umfasst: ein erstes Ende zum Verbinden mit der GS-Seite eines WS-GS-Stromrichters, ein zweites Ende zum Verbinden mit einer GS-Übertragungsleitung, einen Hauptschalter und einen Einschaltschalter zum selektiven Aktivieren eines Einschaltwiderstandes in einer Leiterbahn zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende, um dadurch den Widerstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende zu steigern.
Der Hochgeschwindigkeitsschalter kann ferner einen Einschaltstrang umfassen, der parallel zu dem Hauptschalter bereitgestellt wird, wobei der Einschaltstrang eine Reihenschaltung des Einschaltwiderstandes und des Einschaltschalters umfasst.
Der Hochgeschwindigkeitsschalter kann ferner dafür konfiguriert sein, in einem Schließvorgang zuerst den Einschaltschalter zu schließen und danach den Hauptschalter zu schließen.
Der Hochgeschwindigkeitsschalter kann ferner dafür konfiguriert sein, in dem Schließvorgang den Einschaltschalter zu öffnen, nachdem der Hauptschalter geschlossen ist.
Der Hochgeschwindigkeitsschalter kann ferner eine Einschaltsektion umfassen, die eine Parallelschaltung des Einschaltschalters und des Einschaltwiderstandes umfasst, wobei die Einschaltsektion in Reihe mit dem Hauptschalter bereitgestellt wird.
Der Hochgeschwindigkeitsschalter kann ferner dafür konfiguriert sein, in einem Schließvorgang zuerst den Hauptschalter zu schließen, während der Einschaltschalter offengehalten wird, und danach den Einschaltschalter zu schließen.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine Stromrichterstation bereitgestellt, die einen Hochspannungs-WS-GS-Stromrichter und einen Hochgeschwindigkeitsschalter nach dem ersten Aspekt umfasst.
Im Allgemeinen sind alle in den Ansprüchen verwendeten Begriffe entsprechend deren gewöhnlicher Bedeutung auf dem technischen Gebiet auszulegen, sofern hierin nicht ausdrücklich anders definiert. Alle Bezugnahmen auf “einen/eine/ein/den/die/das Element, Vorrichtung, Bauteil, Mittel, Schritt usw.“ sind offen auszulegen, dass sie sich auf wenigstens ein Exemplar des/der Elements, Vorrichtung, Bauteils, Mittels, Schritts usw. beziehen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Die Schritte eines beliebigen hierin offenbarten Verfahrens müssen nicht in der genauen offenbarten Reihenfolge ausgeführt werden, sofern nicht ausdrücklich angegeben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun, als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Darstellung ist, die eine HVDC-Installation illustriert, in der hierin vorgestellte Ausführungsformen angewendet werden können,
2A–B schematische Darstellungen sind, die Ausführungsformen der Hochgeschwindigkeitsschalter von 1 illustrieren,
3A–D schematische Diagramme sind, die Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss in verschiedenen Szenarien illustrieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird nun im Folgenden ausführlicher beschrieben werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt werden. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hierin dargelegten Ausführungsformen begrenzt ist; stattdessen werden diese Ausführungsformen als Beispiel bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig sein wird und den Rahmen der Erfindung den Fachleuten vollständig vermitteln wird. Gleiche Zahlen beziehen sich durch die gesamte Beschreibung auf gleiche Elemente.
1 ist eine schematische Darstellung, die eine HVDC-Installation illustriert, in der hierin vorgestellte Ausführungsformen angewendet werden können.
Ein WS-Netz 10 ist über einen ersten Stromrichter-Transformator 11a beziehungsweise einen zweiten Stromrichter-Transformator 11b mit einer Stromrichterstation verbunden.
Die Stromrichterstation 5 umfasst einen ersten WS-GS-Stromrichter 12a, einen ersten Hochgeschwindigkeitsschalter (HSS) 20a, einen zweiten WS-GS-Stromrichter 12b und einem zweiten HSS 20c.
Die WS-GS-Stromrichter 12a–b können z.B. die Form von spannungsgeführten Stromrichtern (Voltage Source Converters – VSCs), wie beispielsweise modularen Multilevel-Stromrichtern (modular multilevel converters – M2C), aufweisen. Die Stromrichter umfassen dann eine Anzahl von reihengeschalteten Stromrichterzellen, wobei jede Stromrichterzelle eine Halbbrückenzelle, eine Vollbrückenzelle oder eine beliebige andere geeignete Zellstruktur sein kann. Durch das Anordnen mehrerer Stromrichterzellen in Reihe können Hochspannungsanwendungen unterstützt werden. Darüber hinaus kann die Schaltfrequenz jeder Stromrichterzelle verringert werden, wodurch Schaltverluste verringert werden.
Die WS-GS-Stromrichter 12a–b können über eine Nullleitung verbunden sein und können mit einer Nullelektrode 15 verbunden sein.
Der erste HSS 20a ist über eine erste Übertragungsleitung 17a mit einem dritten HSS 20b verbunden. Es können ebenfalls ein erster Überspannungsableiter 21a und ein zweiter Überspannungsableiter 21b auf beiden Seiten der ersten Übertragungsleitung 17a (oder eines Übertragungskabels) bereitgestellt werden.
Analog ist der zweite HSS 20c über eine zweite Übertragungsleitung 17b mit einem vierten HSS 20d verbunden. Es können ebenfalls ein dritter Überspannungsableiter 21c und ein vierter Überspannungsableiter 21d auf beiden Seiten der zweiten Übertragungsleitung 17b (oder eines Übertragungskabels) bereitgestellt werden.
Auf der anderen Seite des dritten und des vierten HSSs 20b, 20d kann es andere Stromrichter und ein WS-Netz usw. geben, aber dies ist für die Erläuterung von hierin vorgestellten Ausführungsformen nicht erforderlich und wird folglich aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt.
Manchmal treten an den Übertragungsleitungen 17a–b Fehler auf. Insbesondere bei Freileitungen sind Erdschlüsse nicht vollkommen unüblich. Ein Beispiel, wenn ein Erdschluss an der ersten Übertragungsleitung 17a auftritt, wird nun beschrieben werden. Wenn ein Erdschluss an der ersten Übertragungsleitung 17a auftritt, sollte der Fehler daran gehindert werden, sich zu anderen Teilen des Systems auszubreiten. Also wird der erste Stromrichter 12a sowohl auf seiner WS-Seite (zu dem WS-Netz 10 hin) als auch auf seiner GS-Seite (zu der ersten Übertragungsleitung 17a hin) gesperrt und isoliert. Auf der GS-Seite wird dies durch das Öffnen des ersten HSS 20a bewirkt. Desgleichen wird der dritte HSS 20b auf der anderen Seite der gestörten ersten Übertragungsleitung 17a geöffnet.
Sobald der Erdschluss beseitigt ist, muss das System neu gestartet werden, um wieder einen betriebsfähigen Zustand zu erreichen. Erdschlüsse bei Übertragungsfreileitungen sind häufig von zeitweiliger Natur, und ein solcher Neustart kann auftreten, kurz nachdem der Fehler auftrat.
Um die Übertragungsleitung 17a unter Spannung zu setzen, müssen sowohl der erste HSS 20a als auch der dritte HSS 20b geschlossen werden. In der Wirklichkeit ist es nicht möglich, den ersten HSS 20a und den dritten HSS 20b zu genau dem gleichen Zeitpunkt zu schließen. Falls der erste HSS 20a geschlossen wird, während der dritte HSS 20b noch offen ist, wird die Spannungswelle von dem ersten Stromrichter 12a den Punkt des zweiten Überspannungsableiters 21b erreichen und reflektiert werden. Diese Überspannung ist schädlich für die Übertragungsleitung und die mit derselben verbundenen Bauteile.
Beim Stand der Technik gibt es keine guten Lösungen, um diese Überspannung in asymmetrischen monopolaren Halbbrücken- oder asymmetrischen bipolaren VSC-Stromrichtern zu vermeiden; die Überspannungsableiter 21a–b könnten zu diesem Zweck verwendet werden, aber auf Grund der Größe der Überspannung erlegt dies der Dimensionierung der Überspannungsableiter große Anforderungen auf. Darüber hinaus kann der Ableiter typischerweise die Überspannung nur auf etwa das 1,7-Fache der Systemspannung begrenzen.
Nach der hierin vorgestellten Ausführungsform sind die HSSs mit integrierten Einschaltwiderständen versehen, um die anfängliche Überspannung auf den Anschluss hin zu verringern.
2A–B sind schematische Darstellungen, die Ausführungsformen der Hochgeschwindigkeitsschalter von 1 illustrieren, hier dargestellt durch einen einzigen HSS 20. Die Ausführungsform von 2A wird zuerst beschrieben werden.
Der HSS 20 umfasst ein erstes Ende 30 zum Verbinden mit der GS-Seite eines WS-GS-Stromrichters 12a–b, ein zweites Ende 31 zum Verbinden mit einer GS-Übertragungsleitung 17a–b und einen Hauptschalter (32). Außerdem wird ein Einschaltstrang 35 parallel zu dem Hauptschalter 32 bereitgestellt. Der Einschaltstrang 35 ist hier nur eine linguistische Konstruktion, um die Ausführungsform von 2A zu beschreiben, und umfasst eine Reihenschaltung eines Einschaltwiderstandes 34 und eines Einschaltschalters 33.
Bei einem Schließvorgang, d.h., während des Beginns eines Neustarts (oder Starts) des Systems von 1 wird zuerst der Einschaltschalter 33 geschlossen (während der Hauptschalter 32 offen ist). Auf diese Weise wird der Strom durch den HSS 20 gezwungen, durch den Einschaltwiderstand 34 hindurchzugehen. Sobald die Überspannung abfällt, kann der Hauptschalter 32 schließen, wonach der Einschaltschalter 33 öffnen kann. Sobald der Hauptschalter 32 geschlossen ist, gibt es keine bedeutende Spannung über den Einschaltschalter 33, wodurch der Einschaltschalter 33 ohne oder mit minimaler Lichtbogenbildung öffnen kann.
Dieser HSS 20 kann in einem beliebigen geeigneten HVDC-System installiert werden. Zum Beispiel kann der HSS als Teil eines asymmetrischen monopolaren oder asymmetrischen bipolaren Halbbrücken-VSC bereitgestellt werden.
Mit Blick nunmehr auf die Ausführungsform von 2B gibt es hier eine Einschaltsektion 36, die eine Parallelschaltung des Einschaltschalters 33 und des Einschaltwiderstandes 34 umfasst. Die Einschaltsektion 36 ist hier nur eine linguistische Konstruktion, um die Ausführungsform von 2B zu beschreiben, und wird in Reihe mit dem Hauptschalter 32 bereitgestellt.
Bei dem Schließvorgang wird zuerst der Hauptschalter 32 geschlossen, während der Einschaltschalter 33 offengehalten wird. Dies zwingt jeglichen Strom durch den HSS 20 durch den Einschaltwiderstand 34. Sobald die Überspannung abfällt, kann der Einschaltschalter 33 geschlossen werden, wodurch der Einschaltwiderstand 34 wirksam umgangen wird.
Es sind andere Ausführungsformen des HSS 20 möglich, solange er die Möglichkeit hat, selektiv einen Einschaltwiderstand in die Strombahn durch den HSS einzuschalten und zu entfernen.
3A–D sind schematische Diagramme, die Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss in verschiedenen Szenarien illustrieren. In allen dieser Diagramme stellt die horizontale Achse die Zeit dar, während die vertikale Achse die Spannung in kV darstellt.
3A ist ein schematisches Diagramm, das Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss an einen 640kV-Stromrichter ohne einen Einschaltwiderstand (pre-insertion resistor – PIR) in den HSSs darstellt. Bei diesem Beispiel ist die Übertragungsleitung eine 60km-Freileitung.
3B ist ein schematisches Diagramm, das Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss an einen 640kV-Stromrichter mit einem PIR in den HSSs darstellt. Wie bei dem Beispiel von 3A ist die Übertragungsleitung eine 60km-Freileitung. Durch Vergleichen von 3A und 3B ist zu sehen, dass die maximale Spannung für die Ausführungsform mit dem PIR um 20 Prozent verringert wird.
3C ist ein schematisches Diagramm, das Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss an einen 640kV-Stromrichter ohne einen Einschaltwiderstand in den HSSs darstellt. Bei diesem Beispiel ist die Übertragungsleitung eine 1000km-Freileitung.
3D ist ein schematisches Diagramm, das Spannungsreflexion während Freileitungsneuanschluss an einen 640kV-Stromrichter mit einem PIR in den HSSs darstellt. Wie bei dem Beispiel von 3C ist die Übertragungsleitung eine 1000km-Freileitung. Wieder ist, durch Vergleichen von 3C und 3D, zu sehen, dass die maximale Spannung für die Ausführungsform mit dem PIR um 20 Prozent verringert wird.
Die vorgestellten Ausführungsformen können sowohl im asymmetrischen monopolaren als auch bipolaren Betrieb verwendet werden. Auf Grund der verringerten Überspannung wird die Belastung an den Überspannungsableitern stark verringert und diese erfordern nicht mehrere Reihen der Ableiter. Dies verringert die Ableiterkosten und verringert bedeutend die Anforderungen an physischen Raum für die Überspannungsableiter.
Darüber hinaus vermindert die Verwendung von PIR bedeutend die Zeit bis zur Wiederherstellung der Energieübertragung, verglichen damit, wenn ein WS-seitiger PIR verwendet wird. Dies verringert die Störung der aktiven Energieübertragung und die Blindleistungsregelung des WS-Netzes.
Wie oben gezeigt, vermindern diese Ausführungsformen das Überspannungsniveau während der Reflexion am Leitungsabschluss auf ein Niveau, das sogar niedriger sein kann als das Schutzniveau des Überspannungsableiters, was ein großer Nutzen für die Leitung und die meisten der mit ihr verbundenen Bauteile ist.
Da der PIR Teil des HSS ist, ist kein bedeutendes Ausmaß an zusätzlichem Platz erforderlich.
Die Erfindung ist oben hauptsächlich unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen beschrieben worden. Jedoch sind, wie es für eine Fachperson leicht zu erkennen ist, andere Ausführungsformen als die oben offenbarten gleichermaßen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie er durch die angefügten Patentansprüche definiert wird, möglich.

Claims

Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d), der Folgendes umfasst: ein erstes Ende (30) zum Verbinden mit der GS-Seite eines WS-GS-Stromrichters (12a–b), ein zweites Ende (31) zum Verbinden mit einer GS-Übertragungsleitung (17a–b), einen Hauptschalter (32) und einen Einschaltschalter (33) zum selektiven Aktivieren eines Einschaltwiderstandes (34) in einer Leiterbahn zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (31), um dadurch den Widerstand zwischen dem ersten Ende (30) und dem zweiten Ende (31) zu steigern.
Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d) nach Anspruch 1, der ferner einen Einschaltstrang (35) umfasst, der parallel zu dem Hauptschalter (32) bereitgestellt wird, wobei der Einschaltstrang (35) eine Reihenschaltung des Einschaltwiderstandes (34) und des Einschaltschalters (33) umfasst.
Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d) nach Anspruch 1 oder 2, der ferner dafür konfiguriert ist, bei einem Schließvorgang zuerst den Einschaltschalter (33) zu schließen und danach den Hauptschalter (32) zu schließen.
Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d) nach Anspruch 2 oder 3, der ferner dafür konfiguriert ist, bei dem Schließvorgang den Einschaltschalter (33) zu öffnen, nach dem der Hauptschalter (32) geschlossen ist.
Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Einschaltsektion (36) umfasst, die eine Parallelschaltung des Einschaltschalters (33) und des Einschaltwiderstandes (34) umfasst, wobei die Einschaltsektion in Reihe mit dem Hauptschalter (32) bereitgestellt wird.
Hochgeschwindigkeitsschalter (20, 20a–d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner dafür konfiguriert ist, bei einem Schließvorgang zuerst den Hauptschalter (32) zu schließen, während der Einschaltschalter (33) offengehalten wird, und danach den Einschaltschalter (33) zu schließen.
Stromrichterstation (5), die einen Hochspannungs-WS-GS-Stromrichter (12a–b) und einen Hochgeschwindigkeitsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.