DE2026685B2 - Verfahren und Schalteinrichtung zum Unterbrechen von Gleichstrom-Energieübertragungsnetzen - Google Patents

Description

Kurzschluß kann zu einer allgemeinen Unterbrechung des gesamten Netzes führen. Im Falle der erstgenannten Lösung muß man in einem bestimmten Abschnitt die Möglichkeit mehrerer Unterbrechungen in Serienschaltung vorsehen, ohne daß die auf diese Weise erreichte Addition der Spannungen im Netz eine Überspannung hervorruft, die größer ist als jene Spannung, die eine einzige Abschaltung hervorrufen kann (mit Rücksicht auf die Koordination der Isolatoren).

In der gegenwärtigen Praxis, die bei Wechselstrom angewendet wird, wird in jedem Zweig wenigstens ein Abschalter vorgesehen (und im allgemeinen ein Abschalter an jedem Ende des Zweiges), Schaltspannungen beim Offnen treten zwischen den beiden Stromklemmen des Ausschalters auf. In einem Gleichstromnetzzweig kann eine solche Praxis zu Überspannungen führen, die nicht mehr die Koordination der Isolation berücksichtigen infolge von unvorsehbaren Einflüssen induktiver und kapazitiver Art im Rest des Netzes, d. h. stromaufwärts und stromabwärts von der Abschaltstelle.

An sich sind Schaltgeräte bekannt, bei welchen es möglich ist, den erreichten Uberspannungswert beim Abschalten zu kontrollieren und zu begrenzen, indem man zum Beispiel die Blaswirkung des flüssigen Dielektrikums während des Ausschaltens verändert oder indem man nach und nach die Widerstände, die den Schalterklemmen parallel liegen, abschaltet. Diese Überspannungskontrolle läßt sich automatisch durchführen, zum Beispiel als Funktion gewisser Größenwerte der Spannung oder der Stromstärke, als Funktion der Zeit oder mittels geeigneter Vorrichtungen etwa in der Art nichtlinearer Widerstände. Derart ausgerüstete Schalter können also als Ausschalter mit kontrollierbarer oder mit kontrollierter Überspannung bezeichnet werden, sie werden jedoch im folgenden ais »Schalter mit begrenzter Überspannung« bezeichnet.

Im allgemeinen sind die Überspannungen, die zwischen den beiden in Betracht gezogenen Punkten des abzutrennenden Netzzweiges auftreten, d. h. zwischen den beiden Stromklemmen des Schalters, Relativspannungen, die nicht auf ein Bezugspotential bezogen sind und die für den Rest der Anlage gefährliche Werte annehmen können, insbesondere im Falle von gleichzeitigen Abschaltungen an mehreren Punkten eines Zweiges, wenn man nicht die Isolatoren überdimensioniert, was sehr kostspielig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Abschalten eines zwei Netzknotenpunkte verbindenden Zweiges in einem Hochspannungs-Gleichstromnetz anzugeben, bei welchem andere Netzzweige nicht beeinflußt werden und keine unzulässigen Schaltüberspannungen auftreten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen schaltungstechnischen Maßnahmen.

Nachdem im Anspruch 1 vorgeschlagenen Verfahren ist also vorgesehen, die Überspannungen an jeder Stromzuführungsklemme der Abschaltvorrichtung relativ zu einem Bezugspotential zu überwachen, so daß man sie vom Einfluß der Abschnitte trennt, welche stromaufwäji und stromabwärts von der Trcnnstelle liegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes des Patentanspruchs 2 sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Augf ührungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gleichstrom-Übertragungsnetzes,

F i g. 2 einen Zweig dieses Netzes, der mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ausgerüstet ist,

ίο F i g. 3 und 4 zwei andere Ausführungsbeispiele zur Unterbrechung eines Zweiges in einem Gleichstrom-Übertragungsnetz.

Das zweipolige Gleichstrom-Ubertragungsnetz nach F ig. 1 umfaßt für jeden Pol verschiedene Zweige Nl, N2; Nl, NA; Nl, NS; N4, N2; NS, Nl bzw. Ml, Ml; Ml, MA; Ml, MS; MA, Ml; MS, Ml; jeder der Zweige liegt zwischen zwei Knoten Nn, Nm oder Mn, Mm, von welchen weitere Zweige zur Stromquelle, zum Transformator C, zu einem Verbraucher oder zum Trav..*iormator P abgehen. Ein Leiter T mit Erdpotential stillt das Bezugspotential oder neutrale Potential dar; die Stromerzeuger- oder Verbraucherstationen (Gleichrichter oder Wechselrichter) sind alle an Erde gelegt, d. h. an dieses neutrale Bezugspotential.

Die beim Trennen eines Netzes auftretenden Probleme lassen sich auf das Abtrennen eines Zweiges zurückführen, noch genauer gesagt, auf ein einpoliges Netz, und im folgenden wird lediglich ein Zweig mit einem Leiter zwischen zwei Knotenpunkten N₁, N₂ (Fig. 2) in Betracht gezogen; in diesem Zweig fließt ein Strom / und findet sich stromaufwärts eine Selbstinduktion L₁ und stromabwärts eine Selbstinduktion L₂. Diese beiden Selbstinduktionen liegen immer zwisehen einem Maximal- und einem Minimalwert in Abhängigkeit von den anderen mit den Knotenpunkten /V₁, N₂ verbundenen Zweigen. Diese Kennwerte können sich mit der Art der Verbindungen in der Schaltanordnung ändern.

Gemäß der in Fig. 2 gezeigten theoretischen Ausführungsart ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung 1 im Zweig N₁, N₂ angeordnet und besteht aus zwei Schaltstrecken 2, 2', die von zwei Punkten N\, N'₂ des Zweiges zur Erde 7'gehen, wodurch die bei-

den Halbzweige /V₁A/', T und N₂N₂T gebildet sind. Zwischen die beiden Zweigpunkte N₁ und /V₂ ist ein Trennschalter 15 eingefügt. Jeder Halbkreis der Schaltstrecken 2, T besitzt zumindest einen Leistungsschalter mit Überspannungsbegrenzung, wel-

eher schematisch durch 3, 3' dargestellt ist.

Der vom Strom durchflossene Zweig gemäß F i g. 2 wird wie folgt abgeschaltet: Man stellt die Schaltstrekken 2, 2' her, zum Beispiel durch Schließen der Schalter mit Überspannungsbegrenzung 3, 3', sodann öff-

net man den Trennschalter 15, weiterhin öffnet man vorzugsweise gleichzeitig die beiden Erdungsschalter mit überspannungsbegrenzung 3. 3'.

Die beiden Halbzweige /V₁A/', und N₂N'₂ sind jetzt voneinander getrennt und gegen Erde isoliert, wäh-

rend des Schaltvorganges sind die Überspannungen auf die Überspannungen der Schalter 3, 3' begrenzt, man vermeidet somit jeden Einfluß, der aus dem System stromaufwärts oder -abwärts vom Unterbrechungsvorgang herrühren könnte. Da es unpraktisch

ist, zur Unterbrechung die Schalter 3, 3' schließen und wieder öffnen zu müssen, wie es in bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, wird vorzugsweise das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet.

Bei dieser Ausführungsform besteht die Verbindung des Zweiges /V₁, N₂ mit der Erde über zwei Erdungsschalter 11, 11', die zwischen der Erde T und den beiden Punkten W₁, /V₂ des Zweiges angeordnet sind. Diese Schalter erlauben im Augenblick des Unterbrechens die HilfsStellung zweier Halbzweige N₁W₁T und N₂N'₂T. Die Unterbrechung der beiden derart geschaffenen Halbzweige ermöglicht ein Trennschalter 15, welcher zwischen den Punkten N'_s und /V₂ liegt. Die Trennung der Zweigverbindungen mit der Erde kann durch Schalter mit Überspannungsbegrenzung, wie die Schalter 17, 17', erfolgen.

Zur Unterbrechung des Zweiges nach Fig. 3 geht man wie folgt vor: Man schließt die beiden Erdungsschalter 11, 11', um die beiden Punkte N\ und /V₂ zu erden, dann öffnet man den Trennschalter 15, um die beiden Halbzweige voneinander zu trennen. Sodann öffnet man die beiden Leistungsschalter mit Überspannungsbegrenzer 17, 17'. Überwachungsstufen 19,19' können auf gewisse Kennwerte der Schalter einwirken (z.B. Konlaktabständc, Blasstarke, Einschaltung von Widerständen usw.), um die Schalt-Überspannungen auf einem Wert zu halten, der zwischen der Nonnalnetzspannung und der zulässigen Überspannung liegt, die mit Bezug auf die Koordination der Isolation erlaubt ist. Diese Überwachungsstufen können chronometrische Mittel sein oder solche Mittel, die auf eine elektrische Größe ansprechen, wie die Spannung an den Punkten /V₁. N'_z gegen Erde oder wie den durch die Schalteinrichtung fließenden Strom.

Zweckmäßig ordnet man eine erfindungsgcma'ße Schalteinrichtung an jedem Zweigende an. d.h. in der Nachbarschaft jedes Knotens.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt, die analog derjenigen in Fig. 3 ist. wenn man nicht Schalter mit Überspannungsbegrenzung 17. 17' eines besonderen Types wählen will. Beide Schaltanordnungen 17. 17' sind gleich, es wird deshalb nur eine von beiden beschrieben.

Im einzelnen besteht der Schalter 17 aus einer Vielzahl, z.B. drei, von Kontakten 2I₁. 2I₂. 21, mit in Reihe dazu geschalteten Widerständen 23,. 23,, 2?,,. diese Widerstände sind vorzugsweise veränderlich.

Es ist bereits bekannt, bei Abschaltgeraten für Wechselströme Widerstände einzuschalten, um entstehende Überspannungen durch Induktivströme zu begrenzen. Es ist ebenfalls bekannt, zu diesem Zweck veränderliche Widerstände zu verwenden, wie sie in Blitzableitern benutzt werden. Diese veränderlichen Widerstände oder nichtlinearen Widerstände können elektronische Halbleiterwiderstände sein, deren Wert sich sehr schnell verringert, wenn die an sie angelegte Spannung steigt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie verhält sich bei diesen Widerständen allgemein nach der Gleichung / = CU", wobei C eine für den Widerstand spezifische Konstante. U die Spannung und K ein Exponcntialkoeffizient ist, der je n?ch dem verwendeten Material zwischen 2 und 7, meistens zwischen 2 und 4 liegt.

Durch den Einbau von Mehrfachschaltern mit dazugeschalteten nichtlinearen Widerständen erfolgt die letzte Ausschaltung (mit dem Schalter 2I₃ in Fig. 4) nur noch unter einer sehr verminderten Stromstärke, die leicht von einem Kondensator geringer Kapazität aufgenommen werden kann, welcher parallel zu den

Klemmen des letzten Kontaktpaares des Schalters angeordnet ist. Dieses Ergebnis wird durch eine Anzahl verhältnismäßig geringer Schaltstufen, z. B. drei, erreicht.

Vorzugsweise ist in der in Fig. 4 dargestellten An-Ordnung der Schalter 15 derart ausgebildet, daß er unter Federwirkung öffnet und durch eine Servoeinrichtung schließt (z. B. durch Öldruck). Die Erdungsschalter 11. 11' sind durch Federdruck schließende und mittels Scrvokraft öffnende Schalter, die Kontakte 21,, 21,. 21, und 21',. 2Γ₂. 2Γ, öffnen mittels Federn und schließen durch Servokraft.

Die jederzeit verfügbare Federkraft wird von entsprechenden kraftspeichernden Mitteln erzeugt, unter anderem von pneumatischen Federmitteln. Damit ist jederzeit das Abschalten möglich. Es sind zwar Mehrfachschalter mit zugeschalteten Widerständen gezeigt, es können aber auch in Serie angeordnete Schalter und Widerstände angewendet werden. Eine Parallelanordnung der Schalter hat den Vorteil einer gemeines samen Erdklemme, wodurch die Isolation vereinfacht wird.

Das Unterblechen des Zweiges /V₁. ,W im System nach Fig. 4 ist wie folgt: Man schließt die Schalter 11. 11' und öffnet vorzugsweise gleichzeitig den Schalter 15. Dann öffnet man hintereinander die Kontakte des Mehrfachschalters 21,. 21_:. 21,. die Öffnungsfolge wird durch Zeitsteuerung bewirkt oder durch Geräte, die auf Spannungen oder Ströme ansprechen. Der symmetrische Schaltungszweig 17' wird in gleicher Weise gleichzeitig betätigt. Wenn man. wie in F i g. 4 dargestellt ist. eine dreistufige Trennung wählt, d. h. einen dreistufigen Mehrfachschalter 21 mit drei nichtlincaren Widerständen, so bemißt man vorteilhaft die Widerstände 23,. 23_;. 23, mit steigernden Werten (gemessen unter entsprechenden Spannungen), die Steigerung kann in der Größenordnung 1 : 10: 100 abgestuft sein. Nach dem Schließen des Erdungsschalters 1 und vor dem Öffnen der Kontakte des Mehrfachschalters 2I₁. 21_;. 21, betra-

sien die Stromstärken in den Widerstand' η 23,. 23,. 23, etwa /, = 0.« /. /_: = 0.09 / und /-, = 0.01 /. wobei / die Gesamtstromstärke ist.

Wenn unter diesen Bedingungen und der getroffenen Wahl der nichtlinearen Widerstände deren Koeffizient K so gewählt wurde, daß eine Spannungsänderung um den Faktor 2 eine Stromänderung um den Faktor 10 ergibt und Überspannungen bis zur doppelten Nennspannung zulässig sind, so daß der Uberspannungskocffizient mit 2 angenommen wird, so

wird bei jedem öffnen der Strom am ein Zehnfaches vermindert. Da drei Öffnungsfolgen vorhanden sind, wird beim letzten Schaltvorgang der Höchststrom auf ein Tausendstel vermindert, diesen Strom kann man ohne Schwierigkeiten in einem Kondensator geringer Kapazität aufnehmen, wobei ein zusätzlicher Dämpfungswiderstand in Reihe mit diesem Kondensator vorgesehen sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterbrechen eines zwei Netzknotenpunkte verbindenden Zweiges in einem Hochspannungs-Gleichstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte Punkte (W₁ und N'-,) des Zweiges geerdet werden, dann eine Trennung zwischen den Punkten (W₁ und W₂) des Zweiges durchgeführt wird und dann getrennt jeder Abschnitt zwischen dem Punkt (W₁) und der Erde (T) bzw. dem Punkt (N'₂) und der Erde (T) unter Begrenzung der Abschaltüberspannung gegenüber der Erde geöffnet wird.

2. Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines zwei Netzknotenpunkte verbindenden Zweiges in einem Hcchspannungsgleichstromnetz mit einem in diesem Zweig angeordneten Trennschalter, gekennzeichnet durch zwei an ihrem einen Ende geerdete und mit ihrem anderen Ende an je einen von zwei beiderseits des Trennschalters (15) liegenden Leitungspunkten (W₁ bzw. W₂) angeschlossene Schaltstrecken (2, 2'), in denen jeweils ein Leistungsschalter mit Uberspannungsbegrenzer (17,17') sowie mindestens ein vor dem Öffnen des Trennschalters (15) einzuschaltender und nach dem Öffnen des Trennschalters (15) wieder auszuschaltender Erdungsschalter (3, 3'; 11, 11') in Serie geschaltet sind.

3. Schaltungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß i ι Serie mit dem Erdungsschalter (11, 11') jeder Schaltstrecke ein Ausschalter (21, 2Γ) liegt, der zeitgestaffelt vor dem Erdungsschalter (11,11') durch eine ihm zugeordnete Überwachungsstufe (19, 19') ausschaltbar ist (Fig. 3).

4. Schalteinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Öffnen des Trennschalters (15) auszuschaltende Schalter mit Überspannungsbegrenzer (17, 17') als Mehrfachschalter mit mehreren parallel geschalteten Widerständen (23j, 23₂, 23₃) ausgebildet ist, wobei zu einer gestuften Stromabnahme bewegliche Kontakte (2I₁, 2I₂, 2I₃) des Mehrfachschalters die einzelnen Widerstände abschalten (Fig. 4).

5. Schalteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (23,, 23₂, 23₃) als nichtlineare Widerstände ausgebildet sind.

6. Schalteinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum öffnen der Kontakte (2I₁, 2I₂, 2I₃) des Mehrfachschalters in einer vorgegebenen Reihenfolge.

7. Schalteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem zuletzt öffenden Kontakt (2I₃) des Mehrfachschalters ein Kondensator (25) parallel geschaltet ist.

8. Schalteinrichtung zum Unterbrechen eines zwei Netzknotenpunkte verbindenden Zweiges in einem Hochspannungs-Gleichstromnetz, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 in der Nähe des ersten Knotenpunktes (N₁) des Zweiges und einer zweiten entsprechenden Vorrichtung in der Nähe des zweiten Knotenpunktes (N₂) des Zweiges besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verehren zum Unterbrechen eines zwei Netzknotenpunktt verbindenden Zweiges in einem Hochspannungs-Gleichstromnetz. Sie betrifft ferner eine Schalteinrichtung zum derartigen Unterbrechen von Gleichstrom-Energieübertragungsnetzen mit einem ^;.n den jeweiligen Zweig angeordneten Trennschalter.

Auf Grund der Probleme, die sich aus dem Abschalten von Gleichstrom in Leitungen mit hoher

ίο Spannung ergeben, sind bei Gleichstromübertragungsleitungen, die in den letzten Jahren verwirklicht worden sind (z. B. die Netzvereinigung Frankreich-England), im Gleichstromabschnitt oft keine Mittel zum Abschalten vorgesehen, sondern nur im Wechselstromabschnitt vor und nach der Transforma-ι·οη. Außerdem betreffen die bis vor kurzer Zeit erstellten Anlagen mit Gleichstrom meistens nur einfache Energieübertragungsleitungen (sogenannte Zweipunktverbindungen) und keine vermaschten

Netze; denn die Probleme durch die Beeinflussung der Zweige eines Netzes untereinander sind noch viel komplexer.

Sowohl bei HGÜ-Zweipunktverbindungen als auch bei HGÜ-Mehrpunktnetzen ist es bekannt, zur

Durchführung von Abschaltungen aus betrieblichen Gründen oder bei Störungen den Gleichstromkreis mit Hilfe der Stromrichterregelung kurzzeitig energielos zu machen und dann mit Schnelltrennern zu unterbrechen. Weiterhin sind Gleichstrom-Leistungsschalter (sogenannte HGÜ-Schalter) bekannt, die in der Lage sind, während des Schaltvorganges Energie aus dem auszuschaltenden Kreis aufzunehmen (»Energie und Technik«, Februar 1968, Seiten 55 und 56).

In einem Gleichstrom-Energieübertragungsnetz ist die Abstimmung der Isolation aufeinander von noch größerer Bedeutung als bei Wechselstromnetzen, denn die Isolatoren sind keinen Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt wie im Falle von Wechselstrom und können daher festgelegt werden, ohne dieser besonderen Beanspruchung Rechnung zu tragen. Infolgedessen ist in einem Gleichstromnetz die Notwendigkeit unumgänglich, Überspannungen zu begrenzen, insbesondere Schaltüberspannungen, die die praktische und wirtschaftliche Lösung des Abschaltproblems in diesen Netzen schwierig machen.

In einem Wechselstromnetz ist die Kurzschlußstromstärke relativ hoch und baut sich beinahe augenblicklich auf, um unabhängig von der Verbundleistung einen festen Wert zu erreichen. Das Abschalten ist • trotz des dabei erreichten hohen Stromstärkenwertes verhältnismäßig leicht wegen des periodischen Nulldurchgangs der Stromstärke.

Im Gegensatz hierzu ist in einem Gleichstromnetz bei Kurzschluß die * nstiegsgeschwindigkeit der Stromstärke relativ langsam (dank der Möglichkeit, in die Strombahn Induktionsspulen einzuschalten, die die Dauerstromstärke nicht beeinflussen); aber im Falle des verzögerten Abschaltens würde dieäe Stromstärke mit der Zeit extrem hohe Werte erreichen, so daß ein Unterbrechen nicht möglich wäre. Hieraus ergibt sich, daß Gleichstrom-Ausschalter vorgesehen sein müssen, die in der Lage sind, eine vorbestimmte Höchststromstärke abzuschalten entweder durch automatische Auslösung von einer vorbestimmten Stromstärkeschwelle an oder durch sofortige Auslösung oberhalb besagter Schwelle. Die letztere Lösung erlaubt keine Verzögerung, denn ein