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Einrichtung zur Fernmeldung und Fernsteuerung in mit hochgespanntem
Gleichstrom arbeitenden Kraftübertragungsanlagen In Kraftübertragungsanlagen bürgert
sich seit Jahren mehr und mehr die Fernsteuerung einzelner Anlageteile bzw. ganzer
Erzeugungs- und Zwischenanlagen ein, nicht nur, Nveil dadurch unter Umständen beträchtlich
an Betriebspersonal gespart werden kann, sondern auch, weil auf diese Weise Schalt-
und sonstige Steuerbefehle unmittelbar und rasch an wichtige Stellen des Netzes
gegeben und mit Sicherheit vollzogen werden können.
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Die Erfindung bezieht sich auf das Problem der Fernsteuerung und Fernmeldung
in solchen Kraftübertragungsanlagen, die mit hochgespanntem Gleichstrom arbeiten
und bei denen die Erzeugung des Übertragungsgleichstromes bzw. seine Rückverwandlung
in Drehstrom durch Stromrichter erfolgt. Die Betriebsbedingungen einer solchen mit
hochgespanntem Gleichstrom arbeitenden Kraftübertragungsanlage stellen nun hinsichtlich
der Fernsteuerung ganz besondere Anforderungen, So hat -bekanntlich der Wechselrichter,
der den über die Übertragungsleitung ankommenden Gleichstrom in Wechselstrom zurückzuformen
hat, die unangenehme Eigenschaft, daß bei Überschrei tung eines bestimmten Zündwinkels
die Kom mutierung des Stromes zwischen den einzelnen einander ablösenden Anoden
nicht mehr gewährleistet ist, ein Vorgang, den man mit Kippen bezeichnet. Dieses
Kippen bedeutet eine kurzschlußartige Störung der Übertragung und des gespeisten
Drehstromnetzes. Der Zündwinkel hängt aber eng mit dem Verhältnis des Wertes der
Gleichspannung der Übertragungsleitung zu dem der Drehspannung des zu speisenden
Netzes zusammen. Je höher das Verhältnis Gleichspannung zu Drehspannung ist, desto
näher arbeitet der Wechselrichter an seiner Kippgrenze. Bei Überschreiten eines
wohldefinierten Wertes dieses Verhältnisses, des sogenannten Kippverhältnisses,
versagt der Wechselrichter augenblicklich -in der oben angegebenen Weise. Es ist
nun bereits vorgeschlagen worden, bei Annäherung des Wechselrichterbetriebes an
die Kippgrenze dem Gleichrichter am, anderen Übertragungsende mittels Fernsteuerung
den Befehl zur Spannungserniedrigung, z. B. durch Verminderung der Aus-
Steuerung,
zu erteilen. Dieser Befehl muß aber den Betriebseigenschaften des Wechselrichters
entsprechend außerordentlich rasch gegeben und auch verzögerungsfrei ausgeführt
werden.
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Solchen Anforderungen sind die bisher bekannten Fernsteuermethoden
nicht mehr gewachsen. Die sogenannte Eindrahtsteuerung, die für jedes zu übertragende
Kommando eine besondere Ader parallel zur Übertragungsleitung erfordert, kommt schon
wegen des erheblichen Aufwandes, den sie bei ausgedehnten Netzanlagen fordert, nicht
in Betracht. Sie ist auch heute bereits, und zwar nicht nur aus wirtschaftlichen,
sondern auch aus technischen Gründen, durch die Wählerfernsteuerung verdrängt, die
über zwei Adern durch verschiedenartig zusammengesetzte Impulsfolgen eine große
Vielzahl verschiedener Schaltbefehle zu übertragen gestattet. Bei Kraftübertragungsanlagen
der hier betrachteten Art wird jedoch auch die Wählerfernsteuerung den gestellten
Ansprüchen nicht gerecht, da nicht nur die Befehlsgabe durch Betätigung des Impulsgebers,
sondern auch die Befehlsausführung an dem Empfänger eine viel zu große Zeit in Anspruch
nimmt.
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Es kommt hinzu, daß die Leitungslängen bei der Kraftübertragung mit
hochgespanntem Gleichstrom gegenüber dem bisher Gewohnten unverhältnismäßig groß
sind, so daß die Anforderungen an die Fernsteuerleitung beispielsweise hinsichtlich
der Dämpfung und der Pupinisierung sowie an die Fernsteuerapparatur hinsichtlich
der Leistung und der Spannung ungleich höher sind als bisher.
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Die Übertragung der Steuerbefehle durch leitungsgerichtete Hochfrequenzimpulse
kommt für den vorliegenden Anwendungszweck ebenfalls nicht in Betracht, da die Gleichstromkraftübertragung
fast ausschließlich mit Kabeln arbeiten wird.
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Bei der Verwendung von Stromrichtern als Umformer an den Übertragungsenden
der Gleichstromleitung könnte man auch daran denken, Steuerimpulse mit Hilfe der
Gittersteuerung in der Weise zu erzeugen, daß z. B. durch plötzliche Aussteuerungsänderungen
Schwankungen des übertragenen Stromes hervorgerufen werden. Bei mehrstufigen Stromrichtern
mit geerdeter Spannungsmitte könnte man auch durch ungleiche Aussteuerung der beiden
Stromrichterhälften Stromimpulse über den geerdeten Mittelpunkt nach Erde geben
und diese zur Befehlsübermittlung benutzen. Solche Steuerverfahren würden jedoch
besondere Vorsichtsmaßnahmen an verschiedenen Anlageteilen sowie bezüglich der Zusammenarbeit
von Gleich- und Wechselrichter erforderlich machen, wenn Störungen vermieden werden
sollen.
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Die Erfindung überwindet die geschilderten Schwierigkeiten dadurch,
daß zur Übertragung der Steuerbefehle bzw. \ieldeimpulse die von den Stromrichtern
bei normalem Arbeiten erzeugten Oberwellen benutzt werden. Die Fernsteuermethode
nach der Erfindung kann in Verbindung mit den obenerwähnten Übertragungsarten oder
auch als alleiniges Übertragungsmittel verwendet werden, so daß ein besonderes,
dem Kraftübertragungskabel parallel liegende: Steuerkabel erspart werden kann.
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Die von einem Stromrichter erzeugte Gleichspannung enthält ein Spektrum
von Oberwellen, das eindeutig durch die Speisefrequenz f und die Phasenzahl P, mit
der der Stromrichter arbeitet, definiert ist. Die Ordnungszahlen der Oberwellen
genügen der Gleichung K = iz # p # f, worin iz eine beliebige ganze Zahl ist. Wie
schon erwähnt, wird man die Stromrichter in Gleichstromkraftübertragungsanlagen
wegen der hohen Spannungen meist mehrstufig ausbilden, d. h. s Stromrichtereinheiten
in Reihe schalten, deren Spannungssterne um
elektrisch gegeneinander versetzt sind.
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Dadurch kommt eine Gesamtphasenzahl von s # P zustande. Es sei bemerkt,
daß auch schon die einfache Graetzschaltung als eine Reihenschaltung von zwei Stromrichtereinheiten
aufgefaßt werden kann, was beispielsweise darin zum Ausdruck kommt, daß die dreiphasige
Graetzschaltung eine sechsphasige Welligkeit liefert. Bei geerdetem Mittelpunkt
ist die wirksamePhasenzahleinerAnlagehälfte
Durch Verwendung einer sogenannten Symmetrierdrossel, die in die Erdverbindung des
Spannungsmittelpunktes des Stromrichters geschaltet ist, kann- jedoch erreicht werden,
daß das Oberwellenpotential jedes Außenleiters gegen Erde der gesamten Phasenzahl
s # P entspricht, wodurch auch die Oberwellenpotentiale der Außenleiter gegenüber
Erde symmetrisch gemacht werden. An der Symmetrierdrossel liegen dann Oberwellenspannungen,
deren Frequenz. der Gleichung
genügen, wenn n eine ungerade ganze Zahl ist.
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Es ergeben sich also unter Verwendung einer Symmetrierdrossel bei
f = 5o Hz und p = 6 für die Außenleiter untereinander sowie für die Außenleiter
gegen Erde Oberwellenfrequenzen von 6oo, i2oo, 18oo Hz usw. Die Frequenzen der an
der Symmetrierdrossel auftretenden Wechselspannungen gliedern sich dagegen nach
dem Spektrum 300, 90o, 15oo Hz usw.
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In der Regel werden nun im Zuge der Außenleiter Glättungsdrosseln
und zwischen den Außenleitern bzw. bei geerdeter Mitte zwischen Außenleiter und
Erde Reihenschwingungskreise zur Unterdrückung der tiefsten Oberwellen angeordnet,
da diese Oberwellen unter Umständen die Übertragungskabel thermisch ungünstig beanspruchen
können. Diese Frequenzen, die bei
Anwendung der oben verwendeten
Glättungsmittel nicht in die Übertragungsleitung gelangen, können zur Fernsteuerung
benutzt werden. Durch entsprechende Vermehrung der Glättungsmittel kann man natürlich
die Zahl der für die Fernsteuerung zur Verfügung stehenden Oberwellenfrequenzen
noch beträchtlich erhöhen. Man braucht zu diesem Zweck die Glättungsmittel nur mit
Schalteinrichtungen zu versehen, die es ermöglichen, die Glättungsmittel wahlweise
wirksam, und unwirksam zu machen. Im einfachsten Fall genügt ein mit dem Reihenresonanzkreis
in Reihe liegender Schalter. Statt mechanischer Schalter kann man auch gesteuerte
Stromrichterventile verwenden, die ein rasches Schließen und Öffnen ermöglichen.
Dabei müssen natürlich je zwei Stromrichterventile_ gegensinnig parallel geschaltet
werden.
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Ist der Mittelpunkt über eine Symmetrierdrossel geerdet, so werden
die Saugkreise im allgemeinen zwischen je einem Außenleiter und Erde angeordnet
sein. In diesem Fall braucht man, um die Oberwellen zur Wirkung zu bringen, nur
die Saugkreise in der einen Anlagehälfte mit Schaltern zu ihrer.-Unterbrechung auszurüsten.
Auch die sonst von der Symmetrierdrossel unwirksam gemachten Oberwellen kann man
zur Übertragung von Steuerbefehlen ausnutzen, indem man eine Seite der Symmetrierdrossel
durch entsprechend abgestimmte Reihenresonanzkreise überbrückt und die Symmetrierdrossel
somit für diese Oberwellenspannung unwirksam macht.
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In Fig. i der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. An dem oberen Ende der GleichstromÜbertragungsleitung 3, q. liegt ein
zweistufiger Wechselrichter 1, 2, der aus zwei dreiphasigen, in der Phase um
30' gegeneinander versetzt arbeitenden Graetzschaltungen besteht. Diese beiden
Graetzschaltungen sind in Reihe geschaltet und ihr Mittelpunkt durch die mitten
angezapfte Symmetrierdrossel 7 mit der Erde verbunden. Am anderen Ende liegt der
zweistufige Gleichrichter. bestehend aus den Stromrichtereinheiten 5 und 6, deren
Mittelpunkt ebenfalls über eine Symmetrierdrossel 8 an Erde gelegt ist. In den Gleichstromleitungen
liegen unmittelbar hinter dem Wechselrichter die Glättungsdrosseln 9 und io. Hinter
den Glättungsdrosseln sind zwischen die Außenleiter und Erde . Reihenresonanzkreise
13 bzw. 13' angeordnet, von denen jeweils der eine für eine Frequenz von 6ooHz,
der andere für eine solche von 12oo Hz abgestimmt sein möge. In Reihe mit den der
linken Anlagehälfte zugehörigen Resonanzkreisen 13 liegen Schalter 1q., durch deren
Öffnen der betreffende Resonanzkreis unwirksam gemacht werden kann. Parallel zu
der Symmetrierdrossel liegen in der linken Anlagehälfte ebenfalls Reihenresonanzkreise
15, die auf eine Frequenz von 3oo Hz bzw. goo Hz abgestimmt sein mögen. In Reihe
mit diesen Resonanzkreisen liegen die Schalter 16. Durch Schließen eines der Schalter
:14 oder eines der Schalter 16 hat man somit die Möglichkeit, vier verschiedene
Frequenzen in der Gleichstromleitung zur Wirkung zu bringen, kann also auf diese
einfache Weise bereits vier verschiedene Steuerbefehle übertragen.
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Auf der Empfängerseite, das ist in diesem Fall die Gleichrichterseite,
sind die Relais Z8, die von den Steuerimpulsen betätigt werden sollen, in Reihe
mit Reihenresonanzkreisen 17 in die Erdleitung geschaltet, und zwar von der Senderseite
aus. gesehen vor den Anschlußpunkten der dort vorhandenen Glättungsmittel, die ihrerseits
wiederum als Sendeeinrichtungen zum Übertragen von Steuerbefehlen von der Gleichrichterseite
nach der Wechselrichterseite hin benutzt werden können. Die vier Reihenresonanzkreise
17 sind auf je eine der auf der Wechselrichterseite verfügbaren Frequenzen von 3oo,
6oo, goo und 1200 Hz abgestimmt.
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Die Befehlszeichen können als Dauerton über kürzere oder längere Zeit,
in Form von Morsezeichen oder schließlich auch in Form von Impulsfolgen mit verschiedener
Anzahl gleichartiger Impulse gegeben werden. Für die einzelnen Befehle können entsprechend
verschiedene Frequenzen gewählt werden, so daß eine Fehlmeldung ausgeschlossen ist.
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Um auch von einer außer Betrieb befindlichen Stromrichteranlage mit
Hilfe von Oberwellen Befehle oder Meldungen aussenden zu können, werden zweckmäßig
Hilfsspannungserzeuger zur Erzeugung der Oberwellen vorgesehen. Hierzu sind insbesondere
- Hilfsgleichrichter entsprechender Phasenzahl geeignet, die gleichstromseitig über
eine Glättungsdrossel kurzgeschlossen sein können, da sie ja keine Gleichstromleistung
zu liefern brauchen. Eine in dieser Weise ergänzte Anlage zeigt Fig.2. Der Hilfsgleichrichter
ist hier mit 2o bezeichnet. Er wird über den Transformator 1g gespeist und ist gleichstromseitig
nur mit der Glättungsdrossel 21 belastet. An dieser Glättungsdrossel werden dann
die Oberwellenspannungen, die zur Befehlsübermittlung dienen, abgenommen. Zu diesem
Zweck ist der eine Pol der Glättungsdrossel an Erde gelegt, während ihr anderer
Pol den Nullpunkt für den Anschluß der Resonanzkreise 13, 13' und 15 bildet. Da
an der Symmetrierdrossel, wenn der Hauptstromrichter 1, 2 nicht in Betrieb ist,
keine Oberwellenspannungen auftreten, muß der Hilfsstromrichter 2o eine solche Phasenzahl
erhalten, daß in der Glättungsdrossel21 auch die sonst an der Symmetrierdrossel
zur Verfügung stehenden Oberwellenspannungen abgenommen werden können. Es müßte
infolgedessen im vorliegenden Fall, wo die Hauptstromrichter i und 2 beide sechsphasig
ausgebildet sind, dreiphasig sein müssen. Die Befehlsübermittlung erfolgt dadurch,
daß jeweils
der dem Reihenresonanzkreis für die betreffende Frequenz
zugeordnete Schalter geschlossen wird. Damit auch die Reihenresonanzkreise 15 ausgenutzt
werden können, ist ein Umschalter 22 vorgesehen, der sie unmittelbar auf die linke
Gleichstromleitung zu schalten gestattet. Das ist nötig, weil ja der Stromrichter
i, wenn er außer Betrieb ist, nicht stromdurchlässig ist. Während in Bild 2 nur
die eine Anlagehälfte zur Übermittlung der Befehlsimpulse ausgenutzt wurde, kann
man auch beide Anlagehälften hierzu heranziehen. Dann können die Empfängerresonanzkreise
allerdings nicht mehr in die Erdleitung gelegt werden, sondern es müssen beiden
Anlagehälften besondere Resonanzkreise zugeordnet werden. Dies ist bei Fig. 2 vorausgesetzt,
weswegen auch die beiden Resonanzkreise i3' der rechten Anlagehälfte mit Schaltern
14 in Reihe geschaltet sind. Die Zahl der übertragbaren Befehle wird dadurch, daß
man ein und derselben Frequenz in beiden Anlagehälften verschiedene Relais zuordnet,
entsprechend erhöht.
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'\Vesentlichen Einfluß auf die Güte der Übertragung der Oberwellen
hat die Armierung des Kabels. Magnetische Armierung durch Eisendraht ergibt hohe
Verluste und damit eine starke Dämpfung der Oberwellen. Man wird daher Übertragungskabel
für den vorgesehenen Zweck mit unmagnetischer Armierung, beispielsweise aus Aluminium,
und möglichst geringem Dämp-f ungsgrad wählen.