DE3338301A1

DE3338301A1 - Schaltung zur kompensation von blindleistung in einem elektrischen wechselspannungsnetz

Info

Publication number: DE3338301A1
Application number: DE19833338301
Authority: DE
Inventors: Philippe Dipl.-Ing. 5415 Nussbaumen Huber; Michael Dipl.-Ing. Dr. 7891 Weilheim Häusler; Walter Dipl.-Ing. 5400 Ennetbaden Pfyl; Kadry Dipl.-Ing. Dr. 7898 Lauchringen Sadek
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-11-02
Filing date: 1983-10-21
Publication date: 1984-05-03
Also published as: SE8305996D0; CH659157A5; SE461001B; SE8305996L; US4555658A; DE3338301C2; CA1217812A

Description

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Schaltung zur Kompensation von Blindleistung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Kompensation von Blindleistung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannt ist eine solche Schaltung aus einem Artikel von H. Frank und S. Jvner "Statische Blindstromkompensation in der elektrischen Energieversorgung" aus der Firmenschrift ASEA-Zeitschrift 1981, Jahrgang 26, Heft 5-6, Seiten bis 119.

Das in der Schaltung enthaltene Thyristorventil ist bei einfacher Ausführung aufgebaut aus zu/ei antiparallelen Thyristoren oder aus einer Reihenschaltung antiparallel geschalteter Thyristoren, an deren Steuerelektroden eine Steuerschaltung angeschlossen ist, die die Thyristoren zur Verbesserung der Blindleistungsbilanz oder aus Gründen der Spannungshaltung im Wechselspannungsnetz zu Zeitpunkten zündet, in denen der Momentanwert der Wechselspannung am Thyristorventil gerade ein Minimum aufweist.

Eine Zündung der Thyristoren zu einem anderen Zeitpunkt kann für diese schwerwiegende Folgen bis hin zu ihrer Zer-

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störung haben. Da sich solche Fehlzündungen nicht ganz vermeiden lassen, sind zum Schutz der Thyristoren bei der bekannten Schaltung die Drossel und der Ableiter vorgesehen, wobei letzterer direkt über dem Thyristorventil angeschlossen ist. Die Drossel hat die Aufgabe, den nach einer Fehl zündung über den gezündeten Thyristor fliessenden Umladestrom des Kondensators zu begrenzen. Der Ableiter hat die Aufgabe, die Thyristoren nach dem Abklingen des Umladestromes, sobald der zuvor stromleitende Thyristor wieder in den Sperrzustand übergegangen ist, vor Ueberspannung zu schützen. Diese Ueberspannung ergäbe sich ohne die Wirkung des Ableiters als Differenz aus der Kondensatorspannung und der Wechselspannung im Wechselspannungsnetz, d.h. der Netzspannung, und könnte mehr als ein dreifaches der

Amplitude der Netzspannung betragen. Besonders kritisch

u/äre die Ueberspannung für den zuvor fehlgezündeten Thyristor, da dieser durch den Umladestrom stark aufgeheizt und dadurch in seiner Spannungsfestigkeit erheblich reduziert sein kann.

Nachteilig bei der bekannten Schaltung ist jedoch, dass

die Drossel und der Ableiter nur Schutz gegen eine einzeln auftretende Fehlzündung bieten. Bei einer doppelten Fehlzündung, bei der eine zweite Fehlzündung kurz nach einer ersten Fehlzündung auftritt, kommt es bei der bekannten

Schaltung noch immer zur Zerstörung des Thyristorventils.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Schaltung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so zu gestalten, dass die Zerstörung des Thyristorventils auch bei einer doppelten Fehlzündungen mit Sicher heit vermieden werden kann.

Die Erfindung geht davon aus, dass die Zerstörung des Thyristorventils der bekannten Schaltung bei einer doppelten Fehlzündung durch die bei der zweiten Fehlzündung erfolgende

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Kommutierung des nach der ersten Fehlzündung im Ableiter durch die Begrenzung der Ueberspannung fliessenden Stromes auf den Ventilstrompfad verursacht wird. Ist, wie bei der bekannten Schaltung, der Ableiter direkt über dem Thyristorventil angeschlossen, so ergibt sich bei dieser Stromkommutierung ein steiler Stromanstieg im fehlgezündeten Thyristor, der in diesem zu lokalen Ueberhitzungen führt. Die zur Strombegrenzung eigens vorgesehene Drossel liegt bei der bekannten Schaltung ausserhalb des Strompfades des Kommutierungsstromes und ist daher ohne Wirkung. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die Drossel nicht nur im Strompfad des Umladestromes des Kondensators sondern auch im Strompfad des Kommutierungsstromes liegt und deshalb begrenzend auf beide Ströme wirkt.

Die Schutzwirkung des Ableiters gegen Ueberspannung am Thyristorventil bleibt durch die erfindungsgemässe Gestaltung der Schaltung unberührt;

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist neben dem über dem Thyristorventil und der Drossel angeschlossenen Ableiter, welche nachstehend als erster Ableiter bezeichnet wird, ein weiterer zweiter Ableiter direkt über dem Thyristorventil angeschlossen. Dieser zweite Ableiter bietet zusätzlichen Schutz gegen kurzfristige transiente Ueberspannungen am Thyristorventil. Er kann leistungsmassig schwächer ausgelegt sein als der erste Ableiter, welcher ebenfalls, um den Leistungswert des zweiten Ableiters schwächer ausgelegt sein kann. Damit der zweite Ableiter nicht di© Funktion des ersten Ableiters übernimmt, muss sein Schutzniveau zumindest gleich hoch, besser jedoch höher liegen als das des ersten Ableiters.

yeitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen

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in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemässen Schaltung und

Fig. 2 in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf von Strom- und Spannungsgrössen vor und nach einer Fehlzündung,

In Fig. 1 ist schematisch ein von einem Generator G über einen ersten Transformator Tl gespeistes Wechselspannungsnetz N gezeigt. An dieses Wechselspannungsnetz N ist an einem Anschlusspunkt P₁ hier im Beispiel über einen zweiten Transformator T2, eine Reihenschaltung aus einem Kondensator K, einer Drossel D und einem Thyristorventil V angeschlossen. Als Drossel wird vorzugsweise eine Luftdrossel verwendet. Das Thyristorventil V ist aufgebaut aus zwei antiparallelen Thyristoren Vl und V2, deren Steuerelektroden mit dem Ausgang einer Steuerschaltung S verbunden sind. Die Steuerschaltung S ist eingangsseitig mit einem Messglied M verbunden, welches seinerseits über einen Stromwandler Wl und einen Spannungswandler W2, ebenfalls am Anschlusspunkt P, an das Wechselspannungsnetz N angeschlossen ist. Mit Al ist ein erster Ableiter, z.B. Zinkoxidableiter, bezeichnet, welcher gemäss der Erfindung über der Reihenschaltung aus Thyristorventil V und Drossel D angeschlossen ist.

Das Wechselspannungsnetz N ist in Fig. 1 der Einfachheit

halber einphasig gezeichnet. Bei einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz ist die am Anschlusspunkt P von Fig. 1 angeschlossene Schaltung entsprechend dreifach vorzusehen.

Weitere Merkmale der Schaltung nach Fig. 1 ergeben sich aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung.

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Mit Hilfe des Messgliedes M wird aus Strom- und Spannungssignalen, welche über den Stromwandler Wl und den Spannungswandler W2 vom Wechselspannungsnetz N abgeleitet werden, in bekannter und deshalb nicht weiter erläuterter Weise ein der Blindleistung am Anschlusspunkt P entsprechendes elektrisches Signal gebildet und der Steuerschaltung S zugeführt. Diese erzeugt in ebenfalls bekannter Weise Zündimpulse für die Steuerelektroden der Thyristoren Vl und V2 im Thyristorventil V jeweils im Minimum der Wechselspannung am Thyristorventil V, sofern der Kondensator K aus Gründen der Blindleistungsbilanz oder der Spannungshaltung an das Wechselspannungsnetz geschaltet werden soll. Durch die Zündung mittels der Zündimpulse wird das Thyristorventil V leitend und die Kapazität des Kondensators K zur Kompensation der Blindleistung im Wechselspannungsnetz N verfügbar.

Im weiteren wird anhand von Fig. 2 erläutert, wie sich die Ströme und Spannungen an den einzelnen Schaltungsteilen K, D, V der Reihenschaltung sowie am ersten Ableiter Al von Fig. 1 zeitlich vor und nach einer Fehlzündung des Thyristors Vl verhalten.

In Fig. 2 ist mit UL die sinusförmige Kurve der Netzspannung bezeichnet. Unter Netzspannung soll in der Folge jeweils die Wechselspannung auf der Sekundär- bzw. Niederspannungsseits des zweiten Transformators T2 verstanden werden. Mit Iy und UL ist der Strom und die Spannung im bzw. am Thyristorventil V mit UL die Spannung am Kondensator K und mit L der Strom im ersten Ableiter Al bezeichnet.

Vor einem Zeitpunkt t,„ welcher auf der mit t bezeichneten Zeitachse in Fig. 2 fixiert ist, sei das Thyristorventil V im Sperrzustand. In diesem Zustand liegt am Kondensator K eine konstante Spannung UL, deren Grosse in Folge von Netzspannungsschwankungen etwas grosser als die dargestellte

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Amplitude der Netzspannung U_n ist und deren Polarität als positiv angenommen wurde. Die Spannung U., am Thyristorventil U ergibt sich in diesem Zustand als Differenz aus der Kondensatorspannung Uw und der Netzspannung LL·. Zum Zeitpunkt t, sei eine Fehlzündung des Thyristors Ul angenommen. Mit der Fehlzündung wird der Thyristor Ul leitend, wobei die Uentilspannung U^ zusammenbricht und über das Thyriatorventil U, genauer den Thyristor Ul der Uentilstrom Iy zu fliessen beginnt. Der Uentilstrom Iy stellt gleichzeitig einen Lade- bzw. Umladestrom für den Kondensator K dar. Die Kapazität des Kondensators K bildet zusammen mit der Induktivität der Drossel D und der Induktivität des zweiten Transformators T2 einschliesslich des Wechselspannungsnetzes N einen Reihenschwingkreis. Der zeitli- ehe Uerlauf des Uentilstroms Iy und der Kondensatorspannung Up wird nach t, durch die Eigenschaften dieses Reihenschwingkreises bestimmt. Die Kondensatorspannung Uw schwingt von ihrem konstanten Wert vor t. weit über ihren durch den jeweiligen Momentanwert der Netzspannung Ut, vorgege benen Gleichgewichtswert hinaus und kann mehr als die drei fache negative Amplitude der Netzspannung erreichen. Die Frequenz der Schwingung entspricht der Eigenfrequenz des

^! genannten Reihenschwingkreises. Diese wird über die Bemessung der Induktivität der Drossel D derartig eingestellt, dass sich im Thyristorventil U kein für den Thyristor Ul zu steiler Anstieg und kein zu hoher Spitzenwert des Uentilstromes Iy ergibt. Daneben kann versucht werden, die Eigenfrequenz auch noch auf die Frequenz einer der Oberwellen der Grundschwingung der Netzspannung U^° abzustimmen.

Der Reihenschwingkreis wirkt dann mit Uorteil als Saugkreis für diese Oberwelle. Zu dem in Fig. 2 auf der Zeitachse t fixierten Zeitpunkt ty wird im Maximum der Kondensatorspannung υ., der Uentilstrom Iy gleich Null, wonach der stromführende Thyristor Ul selbsttätig wieder in den Sperr zustand übergeht. Die Schwingung wird damit unterbrochen und die Kondensatorspannung Uw würde, ohne die nachstehend

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noch erläuterte Wirkung des ersten Ableiters Al, wie vor t,, einen zeitlichen konstanten, in Fig. 2 strichliert und mit U^¹ bezeichneten weiteren Verlauf nehmen. Ebenso wie vor t, übernimmt das Thyristorventil V zum Zeitpunkt t« wieder die Differenzspannung aus Kondensatorspannung Uw und Netzspannung U_n welche mit der Veränderung der Netzspannung U_n ohne Berücksichtigung des ersten Ableiters Al den in Fig. 2 strichliert gezeichneten und mit U ' bezeichneten zeitlichen Verlauf nehmen und sehr hohe Werte, die eingangs bereits erwähnten Ueberspannungen erreichen würde. Hier greift der erste Ableiter Al schützend ein und begrenzt die Ventilspannung Uy auf einen durch sein Schutzniveau vorgegebenen und für das Thyristorventil V unkritischen Wert U., welcher jedoch grosser als die doppelte Amplitude der Netzspannung U_n sein sollte. Der Kondensator K wird dabei durch den über den ersten Ableiter Al fliessenden Ableiterstrom I. auf eine geringere Spannung U|, entladen.

Zur Erfüllung der beschriebenen Schutzfunktion ist es unerheblich, ob der erste Ableiter Al wie bei der bekannten Schaltung direkt über dem Thyristorventil V oder gemäss

5 der Erfindung über dem Thyristorventil V und der Drossel D angeschlossen ist. Erheblich ist dieser Unterschied jedoch, sofern eine weitere, zweite Fehlzündung, nunmehr des Thyristors V2 erfolgt, solange der erste Ableiter Al noch den Ableiterstrom I» führt. Der Ableiterstrom I. wird nämlich, wie eingangs bereits erwähnt, bei der zweiten Fehlzündung vom ersten Ableiter Al auf den Ventilstrompfad kommutieren und in diesem zu einem Stromanstieg führen.

Ueberwiegt die Steilheit des Stromanstiegs die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Leitfähigkeit auf der Fläche des gezündeten Thyristors V2, was bei der bekannten Schaltung immer gegeben ist, so wird der gezündete Thyristor V2 durch lokale Ueberhitzung zerstört. Bei der Schaltung gemäss der Erfindung wird der Stromanstieg im gezündeten Thyristor V2 dagegen in vorteilhafter Weise durch die im Strom-

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pfad des Kommutierungsstromes liegende Drossel D begrenzt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus der Schaltung nach Fig. 1 durch Hinzufügen eines zweiten Ableiters A2. Der zweite Ableiter A2 ist direkt über dem Thyristorventil V angeschlossen.

Der zweite Ableiter A2 hat die Aufgabe, ein Ueberschwingen der Spannung IL· am Thyristorventil V zu begrenzen. Zu einem solchen Ueberschwingen kommt es beispielsweise in dem durch die Kapazität des Thyristorventils V und die Indukti vität der Drossel D gebildeten Reihenschwingkreis, wenn, nun wieder mit Bezug auf Fig. 2, nach einer ersten Fehlzündung zum Zeitpunkt t, der gezündete Thyristor Ul zum Zeitpunkt t» im Nulldurchgang des Ventilstromes I_y in den Sperrzustand übergeht und der Reihenschwingkreis aus Thy ristorventil V und Drossel D die Differenzspannung zwischen Netzspannung U.. und Kondensatorspannung LL· übernimmt.

Die genannte Kapazität des Thyristorventils V ergibt sich im wesentlichen aus den Sperrschichtkapazitäten der Thyristoren Vl, V2 und einer Beschaltungskapazität BK, die aus Gründen der gleichmässigen Spannungsaufteilung auf die Thyristoren in den meisten Thyristorventilen vorhanden ist. Trotz dieser Beschaltungskapazität BK ist die Kapazität des Thyristorventils V immer klein gegen die Kapazität des Kondensators K. Auch ist die Induktivität der Dros- sei D in der Regel kleiner als die Induktivität des zweiten Transformators T2. Daraus folgt, dass auch die Schwingungsdauer des Reihenschwingkreises, gebildet aus dem Thyristorventil V und der Drossel D klein ist im Vergleich zur Schwingungsdauer des Reihenschwingkreises gebildet aus dem Kondensator K, Drossel D und Transformator T2 einschliesslich des Wechselspannungsnetzes N. Das Ueberschwingen der Spannung U., am Thyristorventil V ist daher ein wesentlich schnellerer Vorgang als die Umladung des Konden-

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sators K nach einer Fehlzündung. Dennoch werden bei der Begrenzung dieses Ueberschwingens im zweiten Ableiter A2 keine so hohen Leistungswerte erreicht, wie während der Stromführung im ersten Ableiter Al, da die im Thyristorventil V speicherbare Energie wesentlich kleiner ist als im Kondensator K. Der zweite Ableiter A2 kann deshalb leistungsschwächer ausgelegt sein als der erste Ableiter Al. Auch der zweite Ableiter ist vorzugsweise ein Zinkoxidableiter.

Claims

A «. ΟΛΟ

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18.10.83 Rz/dh

Patentansprüche

Schaltung zur Kompensation von Blindleistung in einem elektrischen Wechselspannungsnetz (N), welche eine an das Wechselspannungsnetz (N) angeschlossene, aus einem Kondensator (K), einer Drossel (D) und einem Thyristorventil (V) bestehende Reihenschaltung sowie einen ersten üeberspannungsableiter (Al) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Üeberspannungsableiter (Al) zu der Reihenschaltung aus dem Thyristorventil (V) und der Drossel (D) parallelgeschaltet ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzniveau des ersten üeberspannungsableiters (Al) grosser als das Doppelte der Amplitude der Wechselspannung ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (D) eine Luftdrossel ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Reihenschaltung auf die Frequenz einer der Oberwellen der Grundschwingung der Wechselspannung abgestimmt ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Üeberspannungsableiter (Al) ein Zinkoxidabieiter ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Üeberspannungsableiter (A2) direkt parallel zu dem Thyristorventil (V) angeschlossen ist.

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7. Schaltung nach Anspruch.6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ueberspannungsableiter (A2) ein gleich hohes oder ein höheres Schutzniveau aufweist -als der erste Ueberspannungsableiter (Al).
8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ueberspannungsableiter (A2) leistungsmässig schwächer ausgelegt ist als der erste Ableiter (Al) .
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ueberspannungsableiter ein Zinkoxidabieiter ist.