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Einrichtung zum Abschalten einer mit hochgespanntem Gleichstrom arbeitenden
Kraftübertragungsanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine mit hochgespanntem Gleichstrom
arbeitende Kraftübertragungsanlage, bei welcher die Umformer an den Enden der Gleichstromübertragungsleitung
als Stromrichter ausgebildet sind. Um einen Wechselrichter abzuschalten, geht man
bekanntlich so vor, daß man ihm, bevor der Schalter auf seiner Wechsel Stromseite
geöffnet wird, die speisende Gleichspannung entzieht, da andernfalls wegen des Fortfalls
der Kommutierungsspannung die im Augenblick der wechselstromseitigen Abschaltung
gerade brennende Anode nicht mehr erlöschen könnte und der Strom eine kurzschlußartige
Stärke annehmen würde. Solange der Wechselrichter Strom führt, ist auch eine Sperrung
seiner Entladungsstrecken durch negative Gitterbeaufschlagung nicht möglich. Erst
im Zustand der Stromlosigkeit gewinnen die Gitter ihre Sperrfähigkeit wieder. Werden
dagegen die Gitter mit Sperrpotential beaufschlagt, solange der Wechselrichter noch
Strom führt, so tritt ebenfalls eine Durchzündung ein, d. h. die gerade brennende
Anode kann nicht mehr erlöschen und brennt unter kurzschlußartiger Stromzunahme
weiter. Beim Abschalten einer Gleichstromkraftübertragungsanlage könnte man demgemäß
so vorgehen, daß man den Gleichrichter sperrt oder abschaltet und den Wechselrichter
gleichzeitig oder besser noch mit einer kurzen zeitlichen Nacheilung abschaltet.
Dieses Abschaltverfahren kann jedoch nur bei kurzen Übertragungsleitungen zum Ziele
führen.
Bei Kraftübertragungsanlagen mit hochgespanntem Gleichstrom handelt es sich jedoch
im allgemeinen um sehr große Entfernungen zwischen Gleich- und Wechselrichter, wobei
die Gleichstromleitung außerdem noch meist als Kabel ausgeführt ist. Die Gleichstromleitung
besitzt infolgedessen eine verhältnismäßig große Kapazität. Bei einer solchen Anlage
bewirkt eben wegen der großen Kapazität der Gleichstromleitung ein Spannungslosmachen
bzw. Sperren. des Gleichrichters noch keineswegs ein augenblickliches Verschwinden
des Stromes im Wechselrichter. Würde man nach dem Abschalten oder Sperren des Gleichrichters
den Schalter auf der Wechselstromseite öffnen, so würde sich die ganze auf demKabel
aufgespeicherte Energie über die Entladungsstrecken des Wechselrichters kurzschlußartig
entladen. Der dabei auftretende Strom kann ein Mehrfaches des Nennr stromes betragen.
Man könnte dies an sich dadurch verhüten, daß man den Wechselrichter vor seiner
Abschaltung sperrt und den Zeitabstand zwischen der Sperrung des Gleichrichters
und der Sperrung bzw. weehselstromseitigen Abschaltung des Wechselrichters entsprechend
groß macht, d. h. mindestens so groß, daß sich inzwischen das Kabel bis auf eine
Spannung gleich der Gegen-EMK des Wechselrichters entladen hat. Das hat aber die
Schwierigkeit, daß die Zeit, welche vergeht, bis sich die Gleichstromleitung entladen
hat, keineswegs eindeutig festliegt, sondern je nach dem Betriebszustand der Anlage
in sehr weiten Grenzen schwankt. Einerseits kann die Leitungskapazität besonders
bei verzweigten Anlagen je nach dem Schaltzustand auf der Gleichstromseite verschiedene
Beträge annehmen und andererseits hängt die Entladungszeit auch von der wechselstromseitigen
Belastung des Wechselrichters und von dem Aussteuerungsgrad des Wechselrichters
ab, der in. Abhängigkeit von Spannungsschwankungen im gespeisten Drehstromnetz verschiedene
Werte annehmen kann. Man müßte also die größtmögliche Entladungszeit in Rechnung
stellen, was aber dann in den meisten Fällen eine unerträgliche Verzögerung des
Abschaltens bedeuten würde.
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Die Erfindung zeigt einen Weg, wie die erwähnte Schwierigkeit überwunden
werden kann. Die Erfindung ist sowohl bei willkürlicher Abschaltung als auch bei
einer Abschaltung infolge Ansprechens einer Schutzeinrichtung brauchbar. Die Erfindung
besteht im wesentlichen darin, daß ein Überwachungsorgan vorgesehen ist, welches
die Gitter des Wechselrichters an Sperrpotential legt und den Wechselrichter von
dem Wechselstromnetz abschaltet, sobald die Gitter nach einer durch das Abschaltkommando
ausgelösten Beseitigung des Überschusses der Gleichstromklemmenspannung über die
Gegen-EMK des Wechselrichters ihre Sperrfähigkeit wiedergewonnen haben. Als Überwachungsorgan
kann ein Minimalstromrelais dienen, welches anspricht, sobald der Wechselrichterstrom
zu Null geworden ist oder wenigstens einen gewissen Mindestwert unterschritten hat,
bei welchem keine nennenswerte Ionisierung der Entladungsstrecken mehr vorhanden
ist. Als Minimalstromrelais kann dabei eine steuerbare Entladungsstrecke benutzt
werden, deren Gitterspannung von der Größe des Wechselrichterstromes abhängt und
die bei der vorgeschriebenen Mindestgröße des Wechselrichterstromes zündet.
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Die Erfindung möge an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
noch näher erläutert werden. In Fig. i ist mit i das die An. Lage speisende Drehstromnetz
und mit 2 der Gleichrichtertransformator bezeichnet. Mit 3 und 3' sind in einpoliger
Darstellung die Entladungsgefäße des in Graetzschaltung angeordneten Gleichrichters
bezeichnet. 4 ist das einpolige Gleiehstromübertragungskabel, zu welchem die Erde
als Rückleitung dient. Entsprechend sind 5 und 5' die Entladungsstrecken und 6 der
Transformator des Wechselrichters, während j das von dem Wechselrichter gespeiste
Drehstromnetz sein möge.
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Für eine willkürliche Abschaltung von Hand dient der rechte Kontakt
eines Steuerschalters 8, der beispielsweise auf der Wechselrichterseite angeordnet
sein möge. Beim Umlegen des Steuerschalters 8 an die Ausschaltstellung, im vorliegenden
Fall also nach rechts, wird über ein nach der Gleichrichterseite hin führendes Hilfskabel
9 ein Steuerkommando auf das Relais io gegeben, welches den Steuersatz i i des Gleichrichters
so beeinflußt, daß die Gitter der Entladungsstrecken 3 und 3' mit Sperrpotential
beaufschlagt werden. An Stelle dessen oder zugleich mit der Sperrung des Gleichrichters
kann durch den Kommandoimpuls, wie in der Zeichnung ebenfalls schematisch angedeutet,
der drehstromseitige Schalter 12 vor dem. Gleichrichter geöffnet werden.
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Auf der Wechselrichterseite ist nun ein Minimalrelais in Form des
steuerbaren Entladungsrohres 14, vorzugsweise eines Gasentladungsrohres, vorhanden,
dessen Anodenkreis über den linken Hilfskontakt des Steuerschalters 8 geführt ist.
Das Relais 16 möge dabei zunächst noch außer acht gelassen werden. Das Entladungsrohr
14 ist also überhaupt nur zündbereit, wenn der Steuerschalter 8 in die Ausschaltstellung
gelegt ist. Der Gitterkreis dieses Entladungsrohres liegt an einem Meßwiderstand
15, der von dein Gleichstrom des Wechselrichters durchflossen wird. Die Verhältnisse
sind dabei so gewählt, daß das Entladungsrohr 14 nur dann zündet, wenn bei geschlossenem
Hilfskontakt des Steuerschalters 8 der Strom in dem Meßwiderstand 15, d. h. also
der Wechselrichterstrom, einen bestimmten Mindestwert unterschreitet bzw. auf Null
zurückgegangen ist. Sobald das Entladungsrohr 14 zündet, veranlaßt es die Steuereinrichtung
13 des Wechselrichters, die Gitter der Entladungsgefäße des Wechselrichters mit
Sperrpotential zu beaufschlagen. Kurz danach bewirkt eine an einem im Anodenkreis
des Rohres 14 liegenden Widerstand 18 abgenommene Spannung ein Öffnen des Schalters
i9 auf der Drehstromseite des Wechselrichters. Ein Abschalten von Hand geht also
so vor sich, daß beim Umlegen des Steuerschalters in die Ausschaltstellung
zunächst
der Gleichrichter spannungslos gemacht wird. Die auf dem Kabel aufgespeicherte Energie
entlädt sich sodann noch weiter über den noch arbeitenden Wechselrichter, wobei
aber der Strom durch den Wechselrichter allmählich abnimmt. Erst wenn dieser Strom
auf Null bzw. einen Wert abgeklungen ist, bei dem die Steuergitter ihre Sperrfähigkeit
wiedergewonnen haben, zündet das Entladungsgefäß 14 und veranlaßt die Beaufschlagung
(ler Steuergitter mit Sperrpotential und die wechselstromseitige Abschaltung, um
so den Abschaltvorgang zu beenden.
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Um die Anlage im Fall einer Störung außer Betrieb zu setzen, könnte
man grundsätzlich in der gleichen Weise verfahren, wie soeben bei der Abschaltung
von Hand beschrieben.. Dies ist jedoch nicht zweckmäßig, weil die hierbei erzielten
Abschaltzeiten verhältnismäßig lang sein werden. Die Abschaltzeiten setzen sich
zusammen aus der Laufzeit des Abschaltkommandos über das Hilfskabel 9 von der Wechselrichterseite
nach der Gleichrichterseite, aus der Relaiszeit für die Sperrung auf der Gleichrichterseite,
der Zeit für den Stromabfall in der Gleichrichterstation, der durch die gleichstromseitigen
Drosselspulen noch verlangsamt wird, der Laufzeit der Stromwellen Tiber das Hauptkabel
4 sowie aus der Zeit für das Ansprechen des Mindeststromrelais auf der Wechselrichterseite.
Aus diesem Grunde wird zweckmäßig für die Abschaltung der Anlage bei Störungen der
Überstrom auf der Gleic'hric!hterseite und auf der Wechselriohterseite je gesondert
erfaßt. Zu diesem Zweck ist auf der Gleichrichterseite ein LTberstromrelais 2o vorgesehen,
das, von dem Stromwandler 21 erregt, im Fall eines Überstromes die Steuereinrichtung
i i zu einer Sperrung der Gitter veranlaßt. Auf der Wechselrichterseite wird der
Überstrom ebenfalls durch ein Relais 16 erfaßt, welches über den Strom--,vandler
17 erregt wird, und dessen Kontakt bei Ansprechen den Anodenkreis des Entladungsrohres
14 schließt. Das Hilfskabel 9 wird also in diesem Fall überhaupt nicht benutzt.
Die durch das Schnellrelais auf der Gleichrichterseite erfolgende Gittersperrung
und die Herstellung der Einschaltbereitschaft für das Mindeststromrelais 14 auf
der Wechselrichterseite erfolgende Gittersperrung und die Herstellung der Einschaltbereitschaft
für das Mindeststromrelais 14 auf der Wechselrichterseite erfolgen hierbei also
nahezu gleichzeitig, da die Laufzeit über das Hauptkabel 4 infolge der großen Fortpflanzungsgeschwindigkeit
von 5o ooo bis ioo ooo km/sec auch bei langen Übertragungen innerhalb der Größenordnung
von wenigen Metersekunden bleibt. Es sei bemerkt, daß man die zum Störungsschutz
dienende Einrichtung auch zum Abschalten von Hand benutzen kann, indem man auf der
Wecllselrichterseite einen Gleichstrom erzeugt, der gerade so groß ist, daß die
Schutzrelais ansprechen. Ein besonderes Hilfskabel für die Übertragung des Sperrkommandos
auf die Gleichrichterseite ist dabei nicht erforderlich. Den Überstrom kann man
z. B. dadurch erzeugen, daß man durch plötzliche Änderung der Wechselrichtersteuerung
die Gleich-EDIK des Wechselrichters.'herabsetzt. Hierzu kann eine feste Steuerungsstufe
vorgesehen sein, auf die die Steuerung dann plötzlich eingestellt wird.
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Die Abschaltzeit läßt sich durch eine Zusatzeinrichtung noch verkürzen.
Die Zusatzeinrichtung hat die Aufgabe, die Spannung an den Gleichstromklemmen des
Wechselrichters kurzzeitig künstlich abzusenken un,d, dadurch dasA@bnehmen dies
Stromes im Wechselrichter zu beschleunigen. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel
hierfür dargestellt, und zwar besteht hier die Zusatzeinrichtung aus einem Parallelstromweg
zur Gleichstromseite des Wechselrichters, welcher im wesentlichen aus einen! steuerbaren
Entladungsgefäß 22, einem Ohmschen Widerstand 23 und einem Kondensator 24 zusammengesetzt
ist. Im Fall der Handabschaltung dient der mittlere Kontakt des Steuerschalters
28 und im Fall der Abschaltung bei einer Störung der untere Kontakt des Störschutzrelais
26 dazu, daß Entladungsgefäße 22 in dem Parallelstromweg zu zünden. Ist der Parallelstromweg,
wie in Fig.2 dargestellt, von der Gleichstromleitung aus gesehen hinter der wechselrichterseitig
vorgesehenen Glättungsdrossel 3o angeschlossen, so sinkt beim Zündren des Entladungsgefäßes
22 die Gleichspannung am Wechselrichter im ersten Augenblick auf einen Wert gleich
der Summe aus der Brennspannung des Entladungsgefäßes 22 und der Spannung, die durch
den Ladestrom des Kondensators 24 an dem Ohmschen Widerstand 23 erzeugt wird. Gegebenenfalls
kann der Kondensator 24 auch eine Vorladung mit umgekehrtem Vorzeichen erhalten.
Der aus. Widerstand 25 und Schalter 29 bestehende Parallelstromkreis zu dem Kondensator
24 dient zur Wiederentladung des letzteren. Im übrigen ist die Schaltung nach Fig.
2 genau so , ausgestaltet wie die nach Fig. i. Durch das Absenken der Spannung wird
der Strom nach. sehr kurzer Zeit den Mindestwert erreichen, welcher durch Zündung
des Entladungs@gefäßes 14 eine Sperrung bzw. Abschaltung des Wechselrichters zur
Folge hat. Ein sölcher Parallelstromweg zu der Gleichstromseite des Wechselrichters
kann unter Umständen auch allein zum Absenken der Gleichspannung und damit zum Stromlosmachen
des Wechselrichters benutzt werden. Auf eine Sperrung des Gleichrichters kann dann
verzichtet werden.
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An Stelle der vorbeschriebenen Mittel zur Spannungsabsenkung kann
auch ein Reihenwiderstand verwendet werden, der dem Wechselrichter vorgeschaltet
wird.
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Bisher wurde angenommen, daß der Wechselrichter den einzigen an die
Gleichstromleitung angeschlossenen Verbraucher darstellt. Handelt es sich jedoch
auf der Gleichstromseite um ein verzweigtes Kabelsystem, aus dem mehrere Wechselrichter
gespeist werden; so ist eine Sperrung des speisenden Gleichrichters bzw. der speisenden
Gleichrichter nicht möglich, da dadurch sämtliche parallel betriebenen ungestörten
Wechselrichteranlagen ebenfalls stromlos werden würden. In diesem Fall kann man
jedoch die Strom,losigkeit des Wechselrichters, die zu einem: stoßfreien Abschalten
erforderlich
ist, trotzdem erreichen, und zwar eben mit Hilfe des bereits betrachteten Parallelstromweges
zu dem Wechselrichter, wie er beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem
Fall muß allerdings der Parallelstromweg in der Lage sein, von sich aus die Gleichspannung
am Wechselrichter weit genug abzusenken, was eine entsprechend große Bemessung,
insbesondere des Kondensators, zur Voraussetzung hat. Man wird dem Kondensator auch
eine möglichst hohe Vorladung geben; die beispielsweise die gleiche Größe wie die
Übertragungsspannung haben kann, aber natürlich das entgegengesetzte Vorzeichen
besitzen muß.
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Der Kondensator in dem Parallelstromweg kann bei entprechender Bemessung
der ORimschenWi@derstände auch fortfallen. Bei einer verzweigten Gleichstromübertragung
ist ein solcher Parallelstromweg ohne Kondensator jedoch nicht ohne weiteres verwendbar,
weil dann eine Abschaltung des über die Widerstände fließenden Stromes erforderlich
wird. Dies ist möglich, wenn das als Schalter im Parallelstromkreis dienende Entladungsrohr
als. Hochvakuumrohr für eine entsprechend hohe, kurzzeitige Stoßbeanspruchung ausgebildet
wird.
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In jedem Fall ist darauf zu achten, daß, um den Entladestoß des Kabels
auf die Wechselrichtergefäße zu verhindern, eine Wiederfreigabe der Wechselrichtergitter
erst dann erfolgen: darf, wenn entweder die Spannung des Gleichstromkabels durch
Entladung über Widerstände entfernt wurde, oder wenn der drehstromseitige Schalter
am Wechselrichter wieder eingeschaltet und die Steuereinrichtung des Wechselrichters
auf einen derartigen Steuerwinkel eingestellt ist, daß bei Wiederfreigabe der Gitter
eine Gegenspannung ausgesteuert wird, die 'keine Entladung des Kabels zuläßt.