DE2936279A1 - Leistungsschaltervorrichtung fuer hochspannungs-gleichstrom - Google Patents

Leistungsschaltervorrichtung fuer hochspannungs-gleichstrom

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Description

European Patent Office
Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, M°^r??e37
D-8000 München 80
Kawasaki-shi, Japan
Tel.: 089/982085 87
Telex: 0529802 hnkld
linlegranime ellipsoid
7. September 197 9 IW-54P527-3/wa
Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstrom
Die Erfindung betrifft eine Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstrom, mit welcher ein starker Strom hoher Spannung durch ein Strombegrenzungssystem unterbrechbar ist.
üblicherweise wird elektrische Energie in Form von Wechselstrom übertragen, doch ist kürzlich eine Gleichstrom-Ubertragungsanlage als Ersatz für eine Wechselstrom-Ubertragungsanlage in Betrieb genommen worden. Bei einer Gleichstrom-Ubertragungsanlage wird elektrische Energie in Form eines Strakstroms hoher Spannung übertragen, und bei der Unterbrechung eines solchen Starkstroms muß sehr vorsichtig vorgegangen werden. In jüngster Zeit wird zudem eine Erhöhung der Stromübertragungsleistung angestrebt.
Bei der Stromunterbrechung wird in einem Stromunterbrecher eine große Stoßspannung induziert, die mit höherer Ubertragungsleistung noch zunimmt. Bei einer solcherart erhöhten
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Ubertragungsleistung wird der Stromunterbrecher bei der Stromunterbrechung einer starken mechanischen Stoßbelastung und einer sehr starken Wärmeentwicklung ausgesetzt, wodurch der Stromunterbrecher Beschädigungen erleiden kann. Aus diesem Grund besteht ein großer Bedarf für eine Stromunterbrecher- bzw. Leistungsschaltervorrichtung für Ilochspannungs-Gleichstrom, die einen hohen Sicherheitsgrad und eine einwandfreie Stromunterbrechung gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer wirtschaftlichen Leistungsschaltervorrichtung (circuit breaker apparatus), die einen Hochspannungs-Gleichstrom ohne Beschädigung des Stromunterbrechers sicherer und zwangsläufiger zu unterbrechen vermag.
Diese Aufgabe wird bei einer Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstrom, die mit einer äußeren oder externen Schaltung in Reihe geschaltet ist, welche eine mit einer Wechselspannung-Stromversorgung verbundene Wechselstrom/Gleichstrom-Umformereinrichtung und eine an letztere angeschlossene Gleichstrom-Drosselspule aufweist, wobei die Vorrichtung zudem einen mit der externen Schaltung in Reihe geschalteten Schutz- bzw. Leistungsschalter umfaßt, erfindungsgemäß gelöst durch einen Transformator, durch eine mit dem Leistungsschalter parallelgeschaltete Reihenschaltung aus einem Koppelkondensator und einer Primärwicklung des Transformators und durch einen Sekundärwicklungskreis aus einer Sekundärwicklung des Transformators, einem mit einer Ladungsspeicher-Stromversorgung verbundenen Ladungsspeicher-Kondensator und einem zwischen die Sekundärwicklung und den Kondensator eingeschalteten Startschalter. Dabei ist der Startschalter (starting switch) bei der Unterbrechung durch den Stromunterbrecher betätigbar, und der Koppelkondensator (blocking capacitor) unterbricht den Durchgang eines Hauptstroms bei der Stromzufuhr oder -aufnahme und läßt einen in der Primärwicklung des Transformators induzierten Induktions-
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strom zum Zeitpunkt der Stromunterbrechung durch den Stromunterbrecher durch.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstrorn mit Merkmalen nach der Erfindung zeigt.
Ein mit einer nicht dargestellten Wechselstromquelle verbundener Umformer 12 dient zur Umformung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom. An die Ausgangsklemme des Umformers ist eine Gleichstrom-Drosselspule 14 angeschlossen, die mit dem Umformer 12 einen äußeren bzw. externen Stromkreis bildet. Die erfindungsgemäße Leistungsschaltervorrichtung, die mit dem externen Stromkreis in Reihe geschaltet ist, umfaßt zwei Vakuum-Schutz- bzw. -Leistungsschalter 16, 18 und einen mit diesen in Reihe geschalteten Trennschalter 20, mit dem eine nicht dargestellte Gleichstrom-Last verbunden ist. Parallel zur Parallelschaltung aus den Leistungsschaltern 16, 18 sind ein Widerstand 22 und ein Kondensator 24 geschaltet. Der Widerstand 22 besitzt eine nichtlineare Kennlinie, so daß er den Hochspannungsteil eines bei der Stromunterbrechung induzierten Stromstoßes absorbiert, und der Kondensator 24 vermag die Steilheit (sharpness) der Stoßspannung zu mildern. Eine Reihenschaltung 32 aus einem Sperr- oder Koppelkondensator 26 und der Primärwicklung 30 eines Transformators 28 ist mit den Vakuum-Leistungsschaltern 16, 18 parallelgeschaltet. Ein parallel zur Primärwicklung 30 geschalteter Widerstand 34 besitzt eine nichtlineare Kennlinie, so daß er den Hochspannungs(an)teil einer an der Transformator-Primärwicklung 30 induzierten Stoßspannung absorbiert.
Die Widerstände 22 und 34 mit nichtlinearer Kennlinie können z.B. aus hauptsächlich aus Metalloxid hergestellten Elementen bestehen.
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Die Sekundärwicklung 36 des Transformators 28 ist über einen Startschalter 38 und einen Polaritätsumkehrschalter 40 an einen Ladungsspeicher-Kondensator 42 angeschlossen, wobei der Startschalter 38 geschlossen wird, wenn eine Stromunterbrechung durchgeführt werden soll. Mittels des Polaritätsumkehrschalters 40 kann der Kondensator 4 2 zur Sekundärwicklung 36 des Transformators 28 entladen werden, so daß die Polarität über die Sekundärwicklung 36 umgekehrt wird. Dieser Schalter 40 ist nämlich so ausgelegt, daß der Kondensator 42 beim Umlegen eines bewegbaren Kontaktteils 44 gegen einen festen Kontaktteil 46A in der einen Richtung zur Sekundärwicklung 36 entladen wird, während er beim Umlegen des bewegbaren Kontaktteils 44 gegen einen festen Kontaktteil 46B in entgegengesetzter Richtung zur Sekundärwicklung 36 entladen wird. Zum Aufladen des Kondensators 4 2 ist an diesen eine Wechselstromversorgung 52 über eine Reihenschaltung aus einer Diode 48 und einem Widerstand 50 angeschlossen. Die Diode 48 wirkt als Gleichrichterelement.
Die Leistungsschaltervorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt:
Bei der übertragung von elektrischer Energie, d.h. wenn der Umformer 12 als Gleichrichter auf der Stromquellenseite arbeitet, wird ein Hauptstrom über die Vakuum-Schutz- bzw. -Leistungsschalter 16, 18 und den Trennschalter 20 zur nicht dargestellten Gleichstromlast geleitet.
Die Stromunterbrechung durch den Stromunterbrecher geht unter den angegebenen Bedingungen wie folgt vor sich:
Es sei vorausgesetzt, daß die Windungszahl N1 der Primärwicklung 30 des Transformators 28 größer gewählt ist als die Windungszahl N2 der Sekundärwicklung 36 und daß das Windungszahlverhältnis a (a= N^N2) der Bedingung C42/
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genügt, worin C-g die Kapazität des Koppelkondensators 26 und C42 die Kapazität des Kondensators 42 bedeuten. Zur Stromunterbrechung werden die Elektroden der Vakuum-Leistungsschalter 16, 18 mechanisch geöffnet, wobei sie durch Lichtbogenbildung elektrisch miteinander verbunden bleiben. Sodann wird der bewegbare Kontaktteil des Umkehrschalters 40 selektiv auf den festen Kontaktteil 46A oder 46B umgelegt, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Hauptstrom vom Umformer 12 zur Gleichstromlast (d.h. bei Stromversorgung) oder von der Last zum Umformer 12 (d.h. bei Stromaufnahme) fließt. Auf welchen der festen Kontaktteile 46A, 46B der bewegbare Kontaktteil 44 des Umkehrschalters 40 umgelegt wird, bestimmt sich notwendigerweise durch die Stromflußrichtung des Sekundärstroms durch die Transformator-Sekundärwicklung, so daß beim Schließen des Startschalters 38 auf noch zu beschreibende Weise ein in der Primärwicklung des Transformators induzierter Strom in der Richtung fließt, in welcher der durch die Leistungsschalter 16, 18 fließende Hauptstrom unterdrückt oder verringert wird. Dabei bestimmt sich die Polarität an der Sekundärwicklung durch die Umschaltstellung des bewegbaren Kontaktteils 44 am jeweiligen festen Kontaktteil, die wiederum durch den Stromunterbrechungsvorgang bei der Stromzufuhr bestimmt wird. Hierdurch wird die Fließrichtung des Sekundärstroms durch die Sekundärwicklung 36 bestimmt. Wenn sodann der Startschalter 38 geschlossen wird, fließt die im Kondensator 42 gespeicherte Ladung über die Sekundärwicklung 36. Infolgedessen fließt ein Induktionsstrom durch die Primärwicklung 30 über den Koppelkondensator 30 in der Richtung, in welcher der durch die Leistungsschalter 16, 18 fließende Hauptstrom unterdrückt bzw. verringert wird, um auf die Größe Null reduziert zu werden, wenn er eine vorbestimmte Größe erreicht. Dadurch werden die Vakuum-Leistungsschalter 16, 18 durch das Strombegrenzersystem getrennt bzw. unterbrochen (interrupted), wobei elektromagnetische Energie in der Gleichstrom-Drossel-
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spule 14 gespeichert wird. Diese gespeicherte elektromagnetische Energie wird über den Koppelkondensator 26, die Transformator-Primärwicklung 30 und den Trennschalter 20 der Wechselstrom-Last zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch eine plötzliche Freigabe dieser Energie durch den Koppelkondensator 26 abgeschwächt. Der Ilochspannungsteil einer bei der Stromunterbrechung induzierten Stoßspannung wird durch die Widerstände 22 und 34 absorbiert. Die Steilheit der Stoßspannung wird durch den Kondensator 24 abgeschwächt bzw. gemildert, wodurch die Leistungsschalter vor Beschädigung geschützt werden. Der Trennschalter 20 dient zur Unterbrechung eines (sehr) kleinen Stroms.
Wenn die Stromunterbrechung bei der Stromaufnahme, d.h. bei einem Hauptstromfluß von der Last zum Umformer 12 erfolgt, braucht lediglich die Richtung des Induktionstromflusses durch die Primärwicklung 30 gegenüber dem Stromspeisebetrieb umgekehrt zu werden. Genauer gesagt: die Umschaltrichtung des bewegbaren Kontaktteils 44 kann dabei im Vergleich zum Stromspeisebetrieb umgekehrt werden, so daß der Sekundärstrom ebenfalls in Gegenrichtung durch die Sekundärwicklung fließt.
Da der Koppelkondensator 26, wie erwähnt, mit der Primärwicklung 30 des Transformators 28 in Reihe geschaltet ist, wird durch den Koppelkondensator 26 der Hauptstromfluß über die Primärwicklung 30 im Stromspeisebetrieb verhindert. Bei der Stromunterbrechung fließt ein zur Verringerung des Hauptstroms erzeugter Induktionsstrom über den Kondensator 26, so daß die Stromunterbrechung durch das Strombegrenzersystem erfolgt. Bei der Stromunterbrechung wird die in der Drosselspule 14 induzierte elektromagnetische Energie über den Koppelkondensator 26, die Primärwicklung 30 und den Trennschalter 20 zur Gleichstrom-Last geliefert. Dabei verzögert und verhindert der Koppelkondensator 26 die plötzliche Freigabe der in der Drosselspule 14 induzierten elektromagneti-
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sehen Energie, so daß er auf diese Weise eine Beschädigung des Stromunterbrechers bei der Stromunterbrechung verhindert.
Zum Ausgleich für einen Anstieg in der Stromunterbrechungsleistung ist die Leistungsschaltervorrichtung aus zwei Vakuum-Schutz- bzw. -Leistungsschaltern 16, 18 aufgebaut, die miteinander parallelgeschaltet sind, wobei als Trennschalter 20 ein SF-.-Gas-Trennschalter vorgesehen ist, so daß eine zwangsläufige und sichere Stromunterbrechung mittels einer wirtschaftlichen Anordnung gewährleistet wird.
Die im Kondensator 42 gespeicherte Ladung wird als die für den Stromunterbrechungsvorgang benötigte elektrische Energie benutzt. Da die Ladung des Kondensators 42 durch Schließen des Startschalters 38 augenblicklich geliefert werden kann, wird eine schnelle Stromunterbrechung sichergestellt.
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Claims (1)

  1. Henkel, Kern, Feiler a- Hänzel Patentanwälte
    Registered Representatives
    before the
    European Patent Office
    Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha,
    Möhlstraße 37 Kawasaki-shi, Japan D 8000 München 80
    Tel: 089/982085 87
    Telex: 0529802 hnkl d Telegramme ellipsoid
    7. September 197 9 IW-54P527-3/wa
    Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstrom
    Patentansprüche
    Leistungsschaltervorrichtung für Hochspannungs-Gleichstroni, die mit einer äußeren oder externen Schaltung in Reihe geschaltet ist, welche eine mit einer Wechselspannung-Stromversorgung verbundene Wechselstrom/Gleichstrom-Uniformereinrichtung und eine an letztere angeschlossene Gleichstrom-Drosselspule aufweist, wobei die Vorrichtung zudem einen mit der externen Schaltung in Reihe geschalteten Schutz- bzw. Leistungsschalter umfaßt, gekennzeichnet durch einen Transformator (28) , durch eine mit dem Leistungsschalter (16, 18) parallelgeschaltete Reihenschaltung (32) aus einem Koppelkondensator (26) und einer Primärwicklung des Transformators (28) und durch einen Sekundärwicklungskreis aus einer Sekundärwicklung (36) des Transformators (28), einem mit einer Ladungsspeicher-Stromversorgung (52) verbundenen Ladungsspeicher-Kondensator (42) und einem zwischen die Sekundärwicklung (36) und den Kondensator (42)
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    eingeschalteten Startschalter (38).
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennschalter (20) mit dem Leistungsschalter (16, 18) in Reihe geschaltet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polaritätsumkehr-Schalter (40) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der Kondensator (42) zur Sekundärwicklung (36) des Transformators (28) so entladbar ist, daß die Polarität an der Sekundärwicklung (36) umgekehrt wird.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Leistungsschalter (16, 18) ein Kondensator (24) parallelgeschaltet ist, welcher die Steilheit einer beim Unterbrechen des Leistungsschalters (16, 18) induzierten Stoßspannung verringert.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Leistungsschalter (16, 18) ein Widerstandselement (22) mit nichtlinearer Charakteristik parallelgeschaltet ist, welches den Hochspannungs(an)teil einer beim öffnen des Leistungsschalters (16, 18) induzierten Stoßspannung absorbiert.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Primärwicklung (30) des Transformators (28) ein Widerstandselement (34) mit nichtlinearer Kennlinie parallelgeschaltet ist, welches den Hochspannungs(an)teil einer über die Primärwicklung (30) angelegten Stoßspannung absorbiert.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (22) ein solches ist, das Metalloxid als Hauptkomponente enthält.
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    8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (34) ein solches ist, das Metalloxid als Hauptkomponente enthält.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schutzschalter (16, 18) vorgesehen ist.
    10.Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter (20) ein SF,-Gas-Trennschalter ist.
    Q300 1 1/09^5
DE2936279A 1978-09-09 1979-09-07 Leistungsschaltervorrichtung Expired DE2936279C3 (de)

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