DE69630805T2

DE69630805T2 - Statische polyphasen-var-kompensatoranordnung

Info

Publication number: DE69630805T2
Application number: DE69630805T
Authority: DE
Inventors: Thomas Peter GRIFFITHS
Original assignee: Alstom UK Ltd
Current assignee: UK Grid Solutions Ltd
Priority date: 1995-11-28
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2016-11-28
Also published as: BR9611775A; DE69630805D1; GB9524253D0; AU7635896A; EP0864194A1; GB2307803B; NO982403D0; CA2238739A1; GB2307803A; US6107785A; AU725758B2; EP0864194B1; WO1997020374A1; NO319089B1; NO982403L; CA2238739C

Description

Statische Blindleistungskompensationsvorrichtung mit mehreren Phasen
Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf statische Blindleistungskompensationsvorrichtung (SVC) mit mehreren Phasen zur Verwendung bei der Steuerung der Blindleistungen und beim Regeln der Versorgungsspannung beispielsweise in Hochspannungsversorgungssystemen.
Es sind statische Blindleistungskompensatoren bekannt, bei denen eine Reihenschaltung, die einen Kondensatorbatterie, einen Schalter und einen Strombegrenzungs- oder Dämpfungsdrossel aufweist, mit dem Versorgungssystem verbunden ist, wobei der Schalter gesteuert wird, um die Kondensatorbatterie gemäß der Nachfragen des System in oder aus der Schaltung zu schalten. Eine derartige Reihenschaltung ist in 1 gezeigt.
Die Energieniveaus, die in den Wechselstromsystemen auftreten, mit denen solche Schaltungen verbunden sind, erfordern oft, daß die Reihenschaltungen tausende von Ampere aushalten, und daß die Schalter Spannungsniveau von vielleicht zwanzigtausend Volt oder mehr überstehen. Wo wie gewöhnlich Thyristorabsperrorgane als Schalter verwendet werden, ist es gegenwärtig nicht möglich, Thyristoren zu erhalten, die individuell für diese Bedingungen bemessen sind und folglich weist der Schalter eine Thyristorabsperrorgananordnung auf, die aus einer Anzahl von Thyristoren in Reihe und in gewissen Fällen einer Anzahl von parallelen Zahlen besteht. (Jede Reiheneinrichtung oder parallele Gruppe von Einrichtungen wird gewöhnlich als „Niveau" bezeichnet), Thyristo ren des fraglichen Typs sind teuer, und es ist wünschenswert, ihre Anzahl soweit wie möglich zu begrenzen. Jedoch ist es bedeutsam, daß die Thyristoren den Spannungsniveaus widerstehen können, die während Schaltoperationen auftreten können, wobei die Spannungen beträchtlich höher sein können als die, welche in Gleichgewichtszustandsbedingungen erhalten werden, insbesondere als ein Ergebnis des Ausschaltens oder der Blockieroperation.
Die Reihenschaltung ist in 1 dargestellt, die als eine thyristorgeschaltete Kondensatorschaltung (TSC) bekannt ist, kann zwischen einer Phase V beispielsweise eines Systems mit drei Phasen und einem Sternpunkt/Neutralleiter N, wie gezeigt, verbunden sein oder kann ein Arm einer Delta-Vorrichtung, die zwischen zwei Phasen verbunden ist, sein. Der Kondensator C und das Thyristorabsperrorgan T sind die grundlegenden Bestandteile, die Drossel L ist vorgesehen, um den Spitzenstrom zu begrenzen und auch die Stromveränderungsgeschwindigkeit beim normalen Anschalten und Fehlerzuständen.
1 zeigt das Thyristorabsperrorgang T, das ein umgekehrt paralleles Paar von Thyristoren aufweist, um für Leitung in beide Richtungen zu sorgen. Wenn der Schalter geschlossen ist, sorgt eine Steuerungsvorrichtung (nicht gezeigt) für Torimpulse 90° nach dem Durchqueren der Spannung null, um so das Thyristorabsperrorgan in einem nichtblokkierten (angeschalteten) Zustand beizubehalten. Da für diese Bedingung der Strom in einem der Thyristoren auf null abfällt, steigt er in dem anderen sanft an. Ein Problem tritt jedoch auf, wenn das Thyristorabsperrorgan abgeschaltet (blockiert) ist. Mit Bezugnahme auf 2 ist die Absperrorganspannung bis zu einer Zeit T₁ 0, während der Spannungsabfall an dem Kondensator in Phase ist mit der Systemspannung (V), aber diese um ungefähr 5 bis 13% über steigt, um der gegenphasigen Spannung an der Drossel L entgegenzuwirken.
Für einen geeigneten Übergang mit Strom null, zum Beispiel T₁, ist das Thyristorabsperrorgan blockiert. Zu diesem Zeitpunkt ist der Kondensator voll geladen, die Ladung angesammelt, und die Kondensatorspannung bleibt bei ihrem Spitzenwert wie in 2 gezeigt (negative obere Elektrode /positive untere Elektrode). Einen halben Zyklus, nachdem das Absperrorgang blockiert ist, erreicht die Versorgungsspannung ihren positiven Spitzenwert, die obere Kondensatorelektrode hat die gleiche Spannung und die untere Elektrode wird dabei äußerst positiv auf einen Wert angetrieben, der gleich der angesammelten Kondensatorspannung plus der Versorgungsspannung ist. Diese kombinierte Spannung bei der unteren Elektrode, die mehr beträgt als das Zweifache der Spitzenversorgungsspannung, liegt an dem Thyristorabsperrorgang an, das in der Abwesenheit irgendeiner Linderungsvorrichtung dementsprechend bemessen sein müßte. Die resultierenden großen Ausschläge der Absperrorganspannung sind in 2 gezeigt.
3 zeigt die grundlegende TSC-Schaltung aus 1, die in einer Delta-Anordnung mit drei Phasen verwendet wird, um eine SVC bereitzustellen, die mit einem Wechselstromsystem zur Steuerung der Systemspannung beispielsweise gekoppelt ist. Die in Delta-Anordnung verbundene TSC-Vorrichtung 10 wird von den Leitungsanschlüssen der zweiten Wicklungen 11 (die nur der Veranschaulichung halber in Delta-Anordnung verbunden gezeigt sind) eines Transformators 12 versorgt. Es ist gezeigt, daß die primären Wicklungen 13 des Transformators 12 miteinander an einem geerdeten neutralen Punkt verbunden sind, um wieder nur beispielshalber eine Sternenverbindung zu dem Wechselstromsystem (nicht gezeigt) zu bilden.
Ein Betriebsmodus der TSC-Vorrichtung aus 3 während des Blockierens ist in 4 veranschaulicht. Dieses Diagramm zeigt der Reihe nach die Wellenformen für die Systemwechselspannung, den Strom durch die Thyristorabsperrorgane, die Spannung an den TSC-Kondensatoren (oder Kondensatorbatterien) und die Spannung an den Absperrorganen. Zu den Zeiten T₁, T₂ bzw. T₃ können die Absperrorgane für die Glieder AB, DC und CA wieder bei den Punkten mit Strom null wie in 2 abgeschaltet, d.h. blockiert sein,und große Spannungsausschläge treten an den Absperrorganen auf, wie für den Fall mit einer Phase, der in 2 gezeigt ist, beschrieben. Andere Blockiersequenzen sind möglich, welche die Polaritäten aber nicht die Beträge der angesammelten Ladungsspannungen beeinflussen können.
Eine Vorrichtung zur Verringerung der Spannungslast eines Thyristorschalters bei solch einer geschalteten Kondensatorkompensatorschaltung ist in der EP-A-O 116 275, die am 22. August 1984 veröffentlicht wurde, offenbart. In dieser Vorrichtung kann der Kondensator von jeder Phase des Kompensator durch einen Widerstand in Reihe mit einem induktiven Bauelement oder der Wicklung eines Transformators parallel geschaltet werden. Wenn der Kondensator mit einem Wechselstromsystem verbunden ist, ist das induktive Bauelement oder der Transformator ungesättigt und stellt eine hohe Impedanz für den Kondensator dar, während, wenn der Thyristorschalter offen ist, das induktive Bauelement oder der Transformator veranlaßt ist zu sättigen, so daß sein Blindwiderstand abnimmt und ein großer Kondensatorentladungsstrom fließen kann. Die Vorrichtung verwendet getrennte unabhängig funktionierende Entladungsschaltungen für jede Phase.
Die vorliegende Anwendung der Erfindung richtet sich auf die Verringerung der zuvor erwähnten unerwünscht großen Spannungsausschläge und die Verhinderung davon, daß die Thyristorabsperrorgane äußert hohe anliegende Spannungen in ihren Blockierzustand abhalten müssen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine statische Blindleistungskompensatorvorrichtung mit mehreren Phasen vorgesehen, die für jede Phase eine Kapazitätseinrichtung und für zumindest jede Phase außer einer eine Schalteinrichtung in Reihe mit der entsprechenden Kapazitätseinrichtung aufweist, wobei die Kompensatorvorrichtung eine Transformatoreinrichtung und Energiedissipationseinrichtung aufweist, die mit den Kapazitätseinrichtungen verbunden sind, wobei die Transformatoreinrichtung und die Energiedissipationseinrichtungen so aufgebaut sind, daß wenn die Kapazitätseinrichtungen der Reihe nach durch ihre entsprechenden Schalteinrichtungen ausgeschaltet sind, eine restliche Ladung auf den Kapazitätseinrichtungen durch eine Energieübertragung zwischen den Kapazitätseinrichtungen und den Energiedissipationseinrichtungen mit Hilfe der Transformationseinrichtung verringert wird, und wobei die Kapazitätseinrichtungen durch die Transformatoreinrichtung miteinander gekoppelt sind.
Die SVC wird hauptsächlich Anwendung in Systemen mit drei Phasen finden, obwohl sie auch in Systemen mit einer beliebigen Anzahl von Phasen verwendet werden kann; insbesondere ist sie auch in Systemen mit zwei und sechs Phasen, die manchmal in gewissen Bereichen verwendet werden, anwendbar.
Die SVC kann eine Schalteinrichtung für jede Phase des Systems aufweisen.
Unter der Annahme eines Systems mit drei Phasen kann die Transformatoreinrichtung drei erste Phasen aufweisen, die mit den entsprechenden Kapazitätseinrichtungen verbunden sind, und drei zweite Wicklungen, die in Reihe miteinander in einer Delta-Anordnung verbunden sind.
Die Transformatoreinrichtung kann drei getrennte Kerne oder einen gemeinsamen Kern aufweisen. Alternativ kann ein Kern mit drei Gliedern verwendet werden, während auf die zweiten Wicklungen verzichtet werden kann.
Die ersten Wicklungen können mit den entsprechenden Kapazitiätseinrichtungen durch die entsprechenden Widerstandselemente verbunden sein, die dann einen Teil der Energiedissipationseinrichtungen darstellen, wobei bedacht werden soll, daß die Wicklungen an sich einen Widerstand haben, der eine Rolle bei der Energiedissipation spielt.
In einer alternativen Ausführungsform können zwei der drei Kapazitätseinrichtungen an einem Ende miteinander verbunden sein, um eine Kondensatorreihenvorrichtung zu bilden, und die Transformatoreinrichtung kann eine erste Wicklung, die mit der Kondensatorreihenvorrichtung verbunden ist und eine zweite Wicklung umfassen, die mit der verbleibenden Kapazitätseinrichtung verbunden ist, wobei die ersten und die zweiten Wicklungen einen gemeinsamen Kern teilen.
Die ersten und zweiten Wicklungen können mit der Kondensatorvorrichtung beziehungsweise der verbleibenden Kapazitätseinrichtung durch die entsprechenden Widerstandselemente verbunden sein, die dann einen Teil der Energiedissipationseinrichtung wie zuvor erwähnt darstellen.
Die Energiedissipationseinrichtung kann insgesamt aus einem Widerstand der Wicklungen der Transformatoreinrichtung bestehen.
Die Transformatoreinrichtung kann einen sättigbaren Kern oder sättigbare Kerne aufweisen.
Die Kapazitätseinrichtungen können jeweils Teil eines Netzwerks von Schaltungselementen in Reihe mit den entsprechenden Schaltmitteln sein, wobei das Netzwerk dem Zweck der Störimpuls- oder Oberfrequenzunterdrückung dient. Die ersten Wicklungen können mit einem Teil des entsprechenden Netzwerk verbunden sein, das die entsprechenden Kapazitätseinrichtungen aufweist.
Die Kompensatorvorrichtung kann in einer Sternenanordnung mit drei Phasen aufgebaut sein, wobei ihr neutraler Punkt nicht mit einem neutralen Punkt des zugehörigen Versorgungssystems verbunden ist, wobei die Kompensatorvorrichtung nur für zwei der Phasen eine Schalteinrichtung in Reihe mit den entsprechenden Kapazitätseinrichtungen aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Diagramm der grundlegenden Elemente einer bekannten Reihenschaltung mit einer Phase ist, die einen Kondensator oder eine Kondensatorbatterie, eine Dämpfungsdrossel und eine Thyristorabsperrorgananordnung zum Schalten des Kondensators in oder aus der Schaltung aufweist;
2 ist eine Graphik der Spannungen und Ströme in der Schaltung aus 1, wenn das Thyristorabsperrorgan von einem Gleichgewichtszustand blockiert (ausgeschaltet) wird;
3 ist ein Schaltungsdiagramm einer bekannten thyristorgeschalteten SVC-Kondensatorvorrichtung in Delta-Anordnung;
4 ist eine Graphik der Spannungen und Ströme in der Schaltung aus 3 für das Abschalten des Thyristorabsperrorgans von einem Gleichgewichtszustand;
5 ist ein Schaltungsdiagramm einer SVC-Vorrichtung, in welcher Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 ist eine Graphik der Spannungen und Ströme in der Schaltung aus 5 beim Blockieren des Thyristorabsperrorgans von einem Gleichgewichtszustand unter der Annahme, daß keine Sättigungseffekte in der Transformatoreinrichtung auftreten;
7 ist eine Graphik der Spannungen und Ströme in der Schaltung aus 5 beim Blockieren des Thyristorabsperrorgans von einem Gleichgewichtszustand unter der Annahme der Sättigung der Transformatoreinrichtung;
8 ist ein Schaltungsdiagramm einer SVC-Vorrichtung in Delta-Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
9 ist ein Schaltungsdiagramm einer thyristorgeschalteten SVC-Kondensatorvorrichtung gemäß der Erfindung, die in einer Sternanordnung mit einem neutralen Punkt, der mit Bezug auf den Versorgungstransformator schwebt oder nicht schwebt;
10 ist ein Graph der Spannungen oder Ströme einer SVC mit schwebendem Neutralleiter in Sternanordnung, bei der das Thyristorabsperrorgan aus einem Gleichgewichtszustand blockiert wird;
11 ist eine alternative Vorrichtung von einem Kondensator einer Thyristorabsperrorgananordnung und anderen Dämpfungsschaltungskomponenten, die in der erfindungsgemäßen SVC-Vorrichtung verwendet werden können;
12 zeigt mögliche Wege die Transformatoreinrichtung des erfindungsgemäßen SVC mit der Reihenschaltung, die in 11 dargestellt ist, zu verbinden; und
13 veranschaulicht zwei alternative Anordnungen mit drei Phasen, die in einer erfindungsgemäßen SVC-Vorrichtungen verwendet werden können.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist in 5 gezeigt. In 5 ist ein SVC 20 mit drei Phasen als ein TSC in Delta-Anordnung wie in 3 aufgebaut, aber mit dem Unterschied, daß die drei Transformatoren 21 mit einer Phase eingeschlossen sind, die drei entsprechende erste Wicklungen 31, 41, 51 und drei entsprechende zweite Wicklungen 32, 42, 52 aufweisen, die an den entsprechenden Kernen 22 angebracht sind. Die Kerne 22 sind gewöhnlich Eisenkerne und als solche sättigbar.
Die Wicklung 31 ist mit einem Kondensator (der als ein Kapazitätselement ein einzelner Kondensator oder eine Kondensatorbatterie sein kann) 33 des ersten TSC 30 verbunden, die Wicklung 41 ist mit einem Kondensator 43 des zweiten TSC 40 verbunden und ebenso ist die Wicklung 51 mit einem Kondensators 53 des dritten TSC 50 verbunden. Das Parallelschalten dieser Kondensatoren durch die ersten Wicklungen läuft über einen Reihenwiderstand 34, 44, 54 ab.
Die TSC Reihenschaltungen 30,40 und 50 werden durch das Einbeziehen eines Thyristorabsperrorgans 35, 45, 55 und einer Induktivität 36, 46, 56, wie für die grundlegende Vorrichtung aus 1 beschrieben, vervollständigt. Die zweiten Wicklungen 32, 42, 52 des Transformators 21 sind in Reihe verbunden und versorgen einen Kurzschluß.
Das grundlegende Verhalten dieser SVC-Vorrichtung ist in 6 veranschaulicht.6 zeigt Wellenformen dieser Parameter, die durch 4 abgehandelt werden, nämlich die Systemwechselspannuung, den Absperrorgansstrom, die Kondensatorspannung und Absperrorganspannung. Der Absperrorganstrom wird in jeder Phase abwechselnd blockiert, vorzugsweise in einer positiven Phasensequenz, d.h. zu Zeitin tervallen, die ungefähr 1/3 einer Periode mit der Grundfrequenz (zum Beispiel 50 Hz) entsprechen. Diese Blockierzeiten entsprechenden der Zeit T₁ ,T₂,T₃, die in 4 gezeigt sind. (Es sollte anerkannt werden, daß die Thyristoren genauso gut blockiert werden könnten, wenn ihr Strom durch null von der negativen Stromseite anstatt von der positiven wie in den 4 und 6 gezeigt, durchgeht).
Angenommen, daß die drei Spannungen von Leitung zu Leitung der Delta-Schaltung aus 5 V₁, V₂ und V₃ sind, wobei die Suffixe 1,2 beziehungsweise 3 sich auf die Phase ab, bc und ca beziehen, ist die Summe dieser Spannungen immer null, d. h. ΣV = V1 + V2 + V3 = 0 (1)
Die Impedanzen der drei Phasen, d. h. die Summe der Impedanzen der einzelnen Bestandteile in jeder Phase, sollen Z₁, Z₂ beziehungsweise Z₃ sein (Z₁ wird zum Beispiel aus den Impedanzen des Kondensators 33, des induktiven Bauelements 36 und des Absperrorgans 35 zusammen mit den Sammelschienen, Zwischenverbindungen und irgendwelchen anderen Bestandteilen bestehen).
Die TSC Schaltung ist gewöhnlich so entworfen, daß sie angepaßte Impedanzbestandteile Z_P in jeder Phase hat. Somit: Z1 = Z2 = Z3 = Zp (2)
Der Strom in jeder Phase ist dementsprechend:
Wenn die Impedanzen der Kompensatoren X₁, X₂, beziehungsweise X₃ sind, dann werden die Spannungen an diesen Kondensatoren sein: VC1 = I1X1, VC2 = I2X2, VC3 = I3X3
Die Summe dieser Kondensatorspannungen ist deshalb: VCl = I1X1, VC2 = I2X2,VC 3 = I3X3
Die Summe dieser Kondensatorspannungen ist deshalb: ΣVC = I1X1 + I2X2 + I3X3 (4)
Aus den Gleichungen 2 und 3 und mit X₁ = X₂ = X₃ = Xc:
und aus Gleichung (1), ΣvC = 0
Im unblockierten Betrieb mit drei Phasen sind die Kondensatorspannungen deshalb ausgeglichen, und kein Strom fließt in den zweiten Wicklungen 32, 42 und 52 oder in den primären Wicklungen 31, 41 und 51. Deshalb sind die Transformatoren in einem Ruhezustand.
Wenn eine Phase, z. B, die Phase ab der Schaltung in Delta-Anordnung, durch das Blockieren des zugehörigen Thyristorabsperrorgans 35 zu einer Zeit T₁ unterbrochen wird, behält die Spannung an dem zugehörigen Kondensator 33 ihr Spitzenniveau bei und hört auf, eine Spannung bei der zweiten Wicklung 32 des Transformator 21 zu induzieren. Jedoch liegt an den zwei anderen Kondensatoren immer noch ein Wechselstrom mit der Stromfrequenz an, und die Wicklungen 42 und 52 stellen daher ihre normalen sinusförmigen Wechselspannungen weiterhin her. Diese Spannungen treten an den Wicklungen 32 in Reihe auf und werden in der ersten Wicklung 31 reflektiert. Folglich ist der Kondensator 33 einer Spannung ausgesetzt, die ungefähr gleich der Summe der Spannungen an den Kondensatoren in den zwei anderen Phasen ist. Diese Spannung tritt in einem Sinn auf, als ob sie dazu neigt, die angesammelte Ladungsspannung an dem Kondensator 33 zu verringern, wodurch die Spannung, die am Absperrorgan 35 auftritt, verringert wird. Diese entsteht aufgrund des Stromflusses von dem Kondensator 33 durch den Dämpfungswiderstand 34 über die Transformatorwicklung 31, wobei die Arbeitsweise des Transformators einen entsprechenden Stromfluß durch die Widerstände 44 und 54 erzwingt.
Da die Spannungen an den Kondensatoren 43 und 53 zuerst in dem zweiten Wicklungen 42,52 der Transformatoren, die zu diesen Kondensatoren gehören, induziert werden, und dann über die zweite Wicklung 32 zurück in die erste Wicklung 31 des Transformators, der zu dem Kondensator 33 gehört, zurückinduziert werden, ist das genaue Windungsverhältnis der ersten und zweiten Wicklungen unwesentlich und irgendein geeignetes Verhältnis kann verwendet werden.
Ein entsprechender Vorgang der Arbeitsweise des Transformators tritt nach dem Blockieren des Absperrorgans 45 in der Phase bc des SVC zur Zeit T₂ auf. Zu dieser Zeit wird die Spannung am Kondensator 53, die immer noch mit dem Wechselstromsystem gekoppelt ist, an die Kondensatoren 33 und 43 über die Wicklungen 51, 52, 32 und 42 angelegt und zwischen ihnen geteilt. Die Kondensatoren 33 und 43 entladen nur mit der gleichen Geschwindigkeit und der Strom fließt wieder durch die Widerstände 34, 44 und 54.
Zur Zeit T₃ ist das dritte Absperrorgan 55 blockiert, woraufhin eine endgültige Umverteilung der verbleibenden Energie, die in den Kondensatoren gespeichert ist, stattfindet. Dies entsteht aufgrund der Transformator- und Widerstandsdissipationswirkung wie zuvor trotz der Tatsache, daß bei diesem Schritt keine sinusförmige Spannung an einer der Wicklungen des Transformators auftritt. Die begrenzte Veränderungsgeschwindigkeit der Kondensatorspannung, die für das Auftreten der Transformatorwirkung notwendig ist, findet hier aufgrund der Tatsache statt, daß sich die Kondensatoren durch die Wicklungen 31, 41, 51 über die Widerstände 34, 44, 54 entladen. Angenommen, daß der Kern des Transformators 21 nicht sättigt, klingen die Kondensatorspannungen wie in 6 gezeigt ab, d. h. auf ein begrenztes Niveau, das normalerweise ungleich null ist und für jeden Kondensator verschieden ist. Es ist offensichtlich, daß der endgültige Wert weitaus geringer als die Spitzenwerte, die in Figur gezeigt sind, ist. Die Absperrorgane 35 und 44 sind beide auf einen zufriedenstellend niedrigen Versatz 61 und 62 abgeklungen. Das Absperrorgan 55 erfährt von den dreien den größten Versatz 63. Trotzdem wäre es ein Vorteil die Versatze im Interesse eines optimalen Thyristorschutzes weiter zu verringern. Dies wird in der vorliegende Erfindung durch einen Sättigungsvorgang erreicht wie in 7 veranschaulicht ist.
Wie bereits angemerkt, bestehen die Transformatorkerne in der Praxis normalerweise aus Eisen, das sättigbar ist. Dies bedeutet, daß die Versatze, die bei den Kondensatoren immer noch vorhanden sind, schließlich die Kerne veranlassen werden zu sättigen, und die Kondensatoren werden sich auf eine verbleibende angesammelte Ladung null entladen, d. h. Versatz null. Anhand 7 kann gesehen werden, daß für t > T₁ eine reine Transformatorwirkung in dem ersten Fall auftritt; der Start der Sättigung verstärkt dann die Abfallge schwindigkeit der Spannung an den ersten Kondensator (Phase ab), was zu den Versatzen 64 führt, die auf dem Graph der Kondensatorspannung gezeigt sind. Daraufhin sättigen die drei Kerne bei Intervallen, z. B. zur Zeit t = T₉, weiter, und die Versatze 64 nehmen auf eine weitgehend exponentielle Art ab, bis im wesentlichen ein Versatz null zu einer Zeit T₅ erreicht wird. Somit wurde die Ladung an den Kondensatoren nach einer Zeitdauer von 50 ms eliminiert, die 2½ Zyklen mit der Systemfrequenz nach der endgültigen Blokkieroperation entspricht.
Der oben beschriebene Effekt der Sättigung ist für den Stand der Technik gut dokumentiert und beruht auf der Tatsache, daß wenn die Sättigung auftritt die Impedanz der Wicklungen des Transformators von einer sehr hohen Impedanz abnimmt, die aus der hohen Selbstinduktivität der Transformatoren folgt, auf eine sehr niedrige Impedanz abnimmt, die aus der niedrigen Selbstinduktivität der Transformatoren folgt. Die letztere ist eine Funktion der Tatsache, daß die Transformatoren in der Sättigung effektiv einen Luftkern haben.
Die Transformatoren können so entworfen sein, daß sie einen sehr niedrigen Blindwiderstand haben, für welchen Fall sich die Kondensatoren in einem Schwingmuster von Strompulsen in wechselnder Richtung durch die Transformatorwicklungen eher als auf eine exponentielle Art wie oben beschrieben entladen können. Die Auswahl des Werts dieses Blindwiderstands zusammen mit der Induktivität des Versorgungssystems wird die Frequenz des Schwingentladung steuern. Die Frequenz kann nahe der Versorgungsfrequenz liegen, was es der Spannung an dem offenen Schalter erlaubt, sich langsam über mehrere Zyklen aufzubauen, bevor sie den Maximalwert von ungefähr dem Zweifachen der Spitzenverstärkung der Versorgung erreicht. Durch Einführen eines Reihenwiderstandes in die Schaltung (z. B. über die Dämpfungswiderstände 34, 44, 54) kann der Abfall der Energie in den Kondensatoren schneller ablaufen und die maximale Spannung, die an dem Schalter auftritt, kann verlängert werden.
Das Erreichen einer Schwingentladung mit einer geeignet niedrigen Frequenz erfordert die Verwendung von großen Transformatoren. Es ist deshalb vorzuziehen, kleinere Transformatoren mit einem viel höheren Wert des Sättigungsblindwiderstands zu verwenden. Ein großer Dämpfungswiderstand ist dann auch vorzuziehen, um sicherzustellen, daß die Entladung nicht schwingt oder, daß, wenn sie schwingt, sie gut gedämpft wird. Es wird angenommen, daß dies der Fall für die Vorrichtung ist, die zu 7 gehört. Die Wirkung der Sättigung steht bei der primären Entladungswirkung der Transformatoren und Widerstände bei, ist dafür aber nicht grundlegend.
Es soll angemerkt werden, daß anstelle von der Verwendung von drei Transformatoren mit einer Phase auch ein Transformator mit drei Phasen und drei Kerngliedern, um welche die entsprechenden ersten und zweiten Wicklungen gewickelt sind, verwendet werden kann. Es ist auch möglich, Transformatoren mit drei Gliedern zu verwenden, welche die zweiten Wicklungen nicht aufweisen, da, wenn der Transformator nicht gesättigt ist, die Spannungen an den Wicklungen 30, 41, 51 durch das Ausgleichen des Magnetflusses innerhalb der Glieder bei null beibehalten werden.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung (siehe 8) wird die Transformatorvorrichtung dadurch vereinfacht, daß der dafür gesorgt wird, daß die Reihenanordnung des Kondensators und Widerstands in einer der Phasen mit Bezug auf die Anordnung in den anderen zwei Phasen umgekehrt ist. Wie in 8 gezeigt, ist der Kondensator 33 so aufgebaut, daß er mit dem gleichen Knoten wie der Kondensator 43 anstatt mit dem gleichen Knoten wie das induktive Bauele ment 56 verbunden ist. Dies schafft eine Reihenkondensatorschaltung, an der eine Wicklung eines Transformators mit einer Phase über einen Dämpfungswiderstand 73 verbunden werden kann. Ähnlich ist eine weitere Wicklung 72 des Transformators 70 über einen Widerstand 74 mit dem Kondensator 53 verbunden. Wie es der Fall für die erste Ausführungsform war, die einen Transformator mit drei Phasen einbezog, kann es vorteilhaft sein, einer positiven Sequenz von Blockierbefehlen an die Absperrorgane in den drei Phasen der SVC zu folgen, obwohl dies nicht wesentlich ist.
Das Windungsverhältnis der zwei Wicklungen dieses Transformators sollte im wesentlichen 1 : 1 für die normale Vorrichtung eines TSC mit drei Phasen sein, der in jeder Phase Bestandteile mit gleicher Impedanz verwendet.
Ebenso wie eine Delta-Anordnung des SVC ist es auch möglich, eine Sternanordnung zu verwenden. Dies ist in 9 dargestellt. Wenn die neutrale Verbindung V_N mit dem Neutralleiter des System verbunden ist, welcher die SVC versorgt (d. h. die gestrichelte Verbindung, die im Diagramm gezeigt ist, wird hergestellt), ist das Verhalten der Schaltung das gleiche wie das der Schaltung in Delta-Anordnung, so daß die Wellenformen aus 7 in allen wesentlichen Hinsichten anwendbar sind.
Wenn jedoch der Neutralleiter des SVC nicht mit einem Versorgungsneutralleiter verbunden ist, aber schweben kann (die gestrichelte Linie in dem ausgelassenen Diagramm), ist das Verhalten anders. Nachdem das erste Absperrorgan blokkiert wurde, leiten die zwei anderen Absperrorgane in diesem Fall den gleichen Strom, so daß eine im wesentlichen gleiche und entgegengesetzte sinusförmige Spannung an den verbleibenden zwei Kondensatoren (die angepaßt sind) auftritt und die Summe dieser Spannungen verbleibt feststehend. Dies bedeutet, daß es keinen Nettobeitrag von diesen verbleibenden Kondensatoren, was ein reflektiertes sinusförmiges Signal anbelangt, um die Ladung auf dem unverbundenen Kondensator zu verringern, geben kann. Nach einer kurzen Verzögerung entlädt der fragliche Kondensator durch seine zugehörige erste Wicklung und den Reihenwiderstand aufgrund der Sättigung, und die Transformatorwirkung wird dann diese Spannungsänderung auf die anderen Phasen übertragen. Die Wirksamkeit des Vorgangs ist abhängig von dem Blindwiderstand und dem Sättigungsmerkmalen des verwendeten Transformators und vom Wert der Dämpfungswiderstände.
Da auf die erste Blockieroperation hin in einem Glied ein gemeinsamer Strom in den anderen Gliedern fließt, erfordert das darauffolgende Blockieren nur das Blockieren eines der verbleibenden zwei Absperrorgane und nicht beider zu unterschiedlichen Zeiten. Dies bedeutet, daß das Thyristorabsperrorgan in einem der Glieder ausgelassen werden kann, ohne den Betrieb der SVC zu beeinträchtigen.
Die SVCs aus den 5 bis 8 basieren auf der einfachen Reihenschaltungsvorrichtung, die in 1 gezeigt ist. In der Praxis können andere komplexere Vorrichtungen verwendet werden, um zum Beispiel die Amplitude der Oberfrequenzströme in der SVC zu verringern. Eine solche Vorrichtung ist in 11 gezeigt, für welche die grundlegende Reihenanordnung des Kondensators C und des induktiven Bauelements L (siehe 1) durch einen Kondensator C₁ in Reihe mit einem induktiven Bauelement L und einem Kondensator C₂ ersetzt ist, wobei L und C₂ zusammen von einem Widerstand R parallel geschaltet sind. L hat in dieser Vorrichtung den gleichen Induktivititätswert wie in der grundlegenden Vorrichtung aus 1 und die Reihenkombination von C₁ und C₂ hat den gleichen Kapzaitätswert wie C in der grundlegenden Vorrichtung.
Die relativen Werte von C₁ und C₂ sind gewöhnlich so gewählt, daß für die Stromfrequenz L und C₂ resonieren und den Strom von dem Widerstand ablenken. Der Strom der Grundfrequenzkomponente wird dann durch den Wert von C₁ gesteuert und die Grundfrequenzspannung an C₁ ist dann die gleiche wie die Spannung, die an der gesamten Schaltung anliegt.
Für Oberfrequenzen und insbesondere die bedeutenden Oberfrequenzen ist die Impedanz von L jedoch größer als die von C₂ , so daß R nicht länger umgangen wird, sondern für die erforderliche Oberfrequenzdämpfung sorgen kann.
Verschiedene Verbindungspunkte für den Entladungstransformator 21 und die Widerstände 34,44 und 54 können in Betracht gezogen werden. Nun mit Bezugnahme auf 12 kann die erste Wicklung 31 der ersten Phase zum Beispiel über den Dissipationswiderstand 34 direkt mit C₁ verbunden sein (12(a)) oder mit der Reihenkombination von C₁ und C₂ (12(b)) oder mit der gesamten Reihenkombination von C₁, C₂ und L (12(c)). In 12(d) ist eine Vorrichtung gezeigt, für welche der Widerstand R in zwei Reihenwiderstände R₁ und R₂ unterteilt ist, R₁ erfüllt dann die Funktion des Dissipationswiderstands, während er gleichzeitig zur Verringerung der Oberfrequenzverzerrung in dem System beiträgt. Die Funktion des Widerstands 34 in den anderen drei Vorrichtungen aus 12 wird dann durch R₁ ersetzt.
Andere SVC-Anordnungen mit drei Phasen als die einfache Delta-(8) und Sternanordnung (9) sind möglich. 13 zeigt zwei alternative Anordnungen, in welchen die grundlegende Form der Reihenschaltung, die in 1 gezeigt ist, verwendet wird; jedoch sollte es anerkannt werden, daß die Entwicklungen der grundlegenden Schaltung, die in 11 beispielhaft dargestellt sind, auch verwendet werden könnten. In 13(a) sind die Kondensatoren der SVC miteinander in einer Delta-Anordnung verbunden, wobei die induktiven Bauelemente und die Thyristorabsperrorgane jeder Phase mit den entsprechenden Knoten der Delta-Anordnung verbunden sind. Die ersten Wicklungen und Dissipationswiderstände werden dann direkt mit den entsprechenden Kondensatoren verbunden (nur eine erste Wicklung 31 und Widerstand 34 sind gezeigt). 13(b) veranschaulicht eine zweite Möglichkeit, die im wesentlichen die umgekehrte der ersten ist, d. h., daß Induktives Bauelement/Thyristor-Absperroganteil einer jeden Reihenschaltung ist in Delta-Anordnung verbunden, während die Kondensatoren mit den entsprechenden Knoten dieser Delta-Anordnung verbunden sind. Die ersten Windungen (z. B. 31) und die zugehörigen Dissipationswiderstände (z. B. 39) sind mit dem entsprechenden Kondensatoren wie zuvor verbunden.
Die beschriebene Technik zum Einsetzen der Transformatorwirkung, um angesammelte Ladung auf den Kondensatoren eines TSC mit drei Phasen zu verringern, ist auch auf Vorrichtungen anwendbar, die mechanische Schalter anstelle von Thyristoren verwenden. In diesem Fall hat die Verringerung der Spannungsbeanspruchung, denen die Schalter ausgesetzt sind, den Vorteil der Verringerung des Risikos von Fehlschalten in dem Schaltmechanismus.
Es sollte auch anerkannt werden, daß es nicht notwendig sein kann, Widerstände in Reihe mit den ersten Wicklungen des Transformators oder der Transformatoren einzuschließen, wenn die letzteren bereits geeigneten Widerstand haben, um die Energie zu verbrauchen, die in den Kondensatoren während des Blockierens gespeichert ist.

Claims

Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung mit mehreren Phasen, die für jede Phase eine Kapazizätseinrichtung (33, 43, 53) und für zumindest jede Phase außer einer eine Schalteinrichtung (35, 45, 55) in Reihe mit der entsprechenden Kapazitätseinrichtung aufweist, wobei die Kompensatorvorrichtung eine Transformatoreinrichtung (21, 71) und Energiedissipationseinrichtungen (34, 44, 54, 73, 74) aufweist, die mit den Kapazitätseinrichtungen verbunden sind, wobei die Transformatoreinrichtung und die Energiedissipationseinrichtungen so aufgebaut sind, daß, wenn die Kapazitätseinrichtungen der Reihe nach durch ihre entsprechenden Schalteinrichtungen aus der Schaltung ausgeschaltet werden, eine restliche Ladung auf den Kapazitätseinrichtungen durch eine Energieübertragung zwischen den Kapazitätseinrichtungen und den Energiedissipationseinrichtungen über die Transformatoreinrichtung verringert wird, und wobei die Kapazitätseinrichtungen durch die Transformatoreinrichtung miteinander gekoppelt sind.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kompensatorvorrichtung eine Vorrichtung mit drei Phasen ist.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der es eine Schalteinrichtung für jede dieser Phasen gibt.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Transformatoreinrichtung drei erste Wicklungen (31, 41, 51), die über die entsprechenden Kapazitätseinrichtungen (33, 43, 53) verbunden sind, und drei zweite Wicklungen (32, 42, 52) aufweist, die miteinander in einer Delta-Anordnung in Reihe verbunden sind.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Transformatoreinrichtung drei getrennte Kerne (22) umfaßt.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Transformatoreinrichtung einen gemeinsamen Kern umfaßt.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Transformatoreinrichtung drei erste Wicklungen (31, 41, 51) umfaßt, die auf die entsprechenden Glieder eines Kerns mit drei Gliedern gewickelt sind und über die entsprechenden Kapazitätseinrichtungen (33, 43, 53) verbunden sind.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Energiedissipationseinrichtungen Widerstände (34, 44, 54, 73, 74) aufweisen und die ersten Wicklungen (31, 41, 51) über die entsprechenden Kapazitätseinrichtungen durch die entsprechenden Widerstände verbunden sind.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 3, bei der zwei der drei Kapazitätseinrichtungen (33, 43) an einem Ende miteinander verbunden sind, um Kondensatorreihenvorrichtungen zu bilden, und bei der die Transformatoreinrichtung ein erste Wicklung (71), die über die Kondensatorreihenvorrichtung verbunden ist, und eine zweite Wicklung (72) aufweist, die über die verbleibende Kondensatoreinrichtung (53) verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Wicklungen einen gemeinsamen Kern teilen.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Energiedissipationseinrichtungen Widerstände (73, 74) einschließen und bei der die ersten und zweiten Wicklungen (71, 72) über die Kondensatorvorrichtung (33, 43) bzw. die verbleibende Kondensatoreinrichtung (53) durch die entsprechenden Widerstände (73, 74) verbunden sind.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5, 6, 7 und 9, bei der die Energiedissipationseinrichtungen aus einem Widerstand der Wicklungen der Transformatoreinrichtung (21, 70) bestehen.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Transformatoreinrichtung einen sättigbaren Kern oder sättigbare Kerne aufweist.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Transformatoreinrichtung und die Energiedissipationseinrichtungen mit den Kapazitätseinrichtungen durch die entsprechenden Netzwerke verbunden sind, die die entsprechenden Kapazitätseinrichtungen aufweisen.
Statische Blindleistungskompensatorvorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Kompensatorvorrichtung in einer Sternenanordnung mit ihrem neutralen Punkt (V_N), der nicht mit einem neutralen Punkt des zugehörigen Versorgungssystems verbunden ist, aufgebaut ist, wobei die Kompensatorvorrichtung nur für zwei der Phasen eine Schalteinrichtung (T) in Reihe mit der entsprechenden Kapazitätseinrichtung aufweist.