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Gleichstromkraftübertragungsanlage mit Stromrichtern an den Enden
der Ubertragungsleitung Die Erfindung bezieht .sich auf Kraftübertragungsanlagen,
bei denen die in Form von Drehstrom zur Verfügung stehend., Energie zunächst in
hochgespannten Gleichstrom umgeformt, durch eine Gleichstromhochspannungsleitung
übertragen und schließlich wieder in Drehstrom zurückverwandelt wird. Wegen der
hierfür in Betracht kommenden hohen Spannungen ist es in vielen Fällen erforderlich,
die zur Umformung dienenden Stromrichter an den Enden der Übertragungsleitung aus
mehreren Ventilgruppen bzw., wenn es sich um Kontaktstromrichter handelt, aus mehreren
Kontaktgruppen ,aufzubauen, die gleichstromseitig in Reihe geschaltet sind. Nun
haben Stromrichter bekanntlich die Eigenschaft, sowohl in dem Drehstromnetz als
auch in .dem Gleichstromkreis Oberwellen zu erzeugen, die im wesentlichen von der
Phasenzahl der Umformung abhängen. In dem Drehstromnetz treten dabei Oberwellen
auf, deren Ordnungszahlen sich durch denAusdruck n - p ± r ausdrücken lassen. Die
Oberwellen, die in der Gleichspannung enthalten sind, haben dagegen die Ordnungszahl
n - p, worin n eine ganze Zahl und p die Phasenzahl der Umformung bedeuten.
Die Amplitude der Oberwellen nimmt mit wachsender Ordnungszahl ab, und zwar proportional
mit dieser. Oberwellen sind sowohl im Gleichstromkreis als auch im Drehstromkreis
außerordentlich störend. Gleichstromseitig führen die Spannungsoberwellen zu kapazitivenAusgleichströmen.
und regen namentlich in den Kabelleitungen stehende Wellen mit starken örtlichen
Mehrbeanspruchungen der übertragungskabel
an. Auf der Drehstromseite
zeigt es sich meist, daß die der Drehstromnetze gerade in der Größenordnung der
Oberwellen niedriger Ordnungszahl, der fünften bis neunzehnten Oberwelle, liegen.
Die Oberwellen wirken infolgedessen leicht als Erreger von Resonanzschwingungen..
Darüber hinaus bewirken die Stromoberwellen im Drehstromnetz eine Erhöhung der Leistungsbelastung
und eine zusätzliche Erwärmung der Generatoren.
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Man ist infolgedessen bestrebt, die Phasenzahl der Stromrichter an
den. Übertragungsenden möglichst hoch zu wählen, um Oberwellen niedriger Ordnungszahl
und damit hohen Effektivwerts von vornherein zu unterbinden. Bei der Reihenschaltung
mehrerer Ventil- bzw. Kontaktgruppen ist es daher zweckmäßig, deren Spannungssysteme
in der Phase gegeneinander zu verdrehen, so daß sich die einzelnen Systeme zu einer
Gesamtanordnung höherer Phasenzahl ergänzen, als sie die einzelnen Systeme besitzen.
So kann man beispielsweise durch Hintereinanderschaltung von zwei sechsphasigen
Einzelsystemen, deren Spannungssterne um 30° gegeneinander verdreht sind, eine -zwölfphasige
Umformung erzielen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Graetz-Schaltungen,
bei denen sich ebenfalls für die Welligkeit die doppelte Phasenzahl ergibt, .als
sie der Transformator besitzt. So liefert bekanntlich eine dreiphasige Graetz-Schaltung
sechsphasige Welligkeit. Auch hei der Graetz-SchaItung sind zwei Ventil- bzw. Kontaktgruppen
gleichstromseitig in Reihe geschaltet. Allgemein gilt bei solchen Reihenschaltungen,
wenn sie die Anzahl der in Reihe geschalteten und in der Phase gegeneinander verdrehten
Einzelsysteme bedeutet, für die Ordnungszahl der Oberwellen im Gleichstromkreis
die Beziehung n - s # p.
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Mit Rücksicht auf die Isolationsverhältnisse der Umformungsanlagen
und der Gleichstromleitung ist es weiterhin erforderlich, den Nullpunkt der Gesamtstromrichteranlage
zu erden; so daß zwischen jeden Außenleiter und Erde die halbe Gesamtgleichspannung
liegt.
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Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, d.aß sich
.durch diese Erdung hinsichtlich der Oberwellenbeanspruchung der Gleichstromübertragungsleitung
eine wesentliche Verschlechterung ergibt.- Die oben angegebene Beziehung für den
Oberwellengehalt gilt nämlich nur für die Spannung zwischen den beiden Gleichstromleitern.
Zwischen Erde und je einem ,der Gleichstromleiter liegt aber nur eine Hälfte der
Stromrichteranlage, und .diese besitzt nur die halbe Gesamtphasenzahl. Die Ordnungszahlen
der Oberwellenspannungen eines Leiters gegenüber Erde sind daher durch die Beziehung
"Z « z P bestimmt. Das bedeutet aber, daß einerseits die gleichstromseitig
durch die Erdkapazität der Übertragungsleitungen fließenden Oberwellenströme wesentlich
größer sind, als es der Welligkeit der Spannung zwischen denAußenleitern entspricht.
Andererseits werden durch die Erdung die Gleich- und Wechselrichter an den übertragungsenden
in je zwei Hälften aufgeteilt, wobei je eine Gleichrichter- und eine Wechselrichterhälfte
halber Phasenzahl miteinander zusammenarbeiten. Dabei ergibt sich auch für die Schwebungsfrequenz,
,die dadurch zustande kommt, daß die Frequenzen der beiden Drehstromnetze f1 und
f2 nicht übereinstimmen, ein Wert, der halb so groß ist wie die Frequenz der dadurch
bedingten Spannungspulsation zwischen den Außenleitern. Diese Schwebungsfrequenz
wird durch den Ausdruck
wiedergegeben. Auf der Seite der Gleichstromübertragung wird also durch das Vorhandensein
der Erdung die Anlage nicht voll ausgenutzt; es tritt vielmehr gerade dort, wo die
Oberwellenschwierigkeiten am größten sind, nur die halbe Phasenzahl in Erscheinung.
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Gemäß der Erfindung werden die geschilderten Schwierigkeiten .dadurch
überwunden, daß durch in die Anlagehälfte beiderseits der Erdung eingeführte zusätzliche
Spannungsoberwellen die Oberwellenpotentiale der Gleichstromleiter in Symmetrie
in bezug auf das Erdpotential gehalten werden. Eine sehr einfache Möglichkeit, diese
zusätzlichen Spannungsoberwellen zu erzeugen, besteht darin, daß zwischen den Mittelpunkt
der Stromrichteranlage und die Erdung eine Erdungsdrossel eingeschaltet wird. Jede
Anlagehälfte erzeugt dann an dieser Erdungsdrossel einen Spannungsabfall entsprechend
den Oberwellen der halben Phasenzahl, so daß eine wirkungsvolle Begrenzung der Erdströme
erzielt wird.
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Eine Stromrichteranlage, bei der von dieser Maßnahme Gebrauch gemacht
ist, ist in Fig. i dargestellt. Dort bedeutet i das Drehstromnetz, während die Leiter
des Gleichstromnetzes mit 6 und 7 bezeichnet sind. Die beiden ,gleichstromseitig
in Reihe geschalteten Stromrichter q. und 5 sind je sechsphasig ausgebildet, jedoch
durch die Schaltung der zugehörigen Transformatoren z und. 3 in der Phase um 30°
gegeneinander verdreht. Es ergibt sich also irnsgesamt, bezogen auf die Außenleiter
6 und 7, ein. Zwölfphasensystem. In der Verbindung zwischen dem Mittelpunkt der
Stromrichteranlage und der Erde liegt die Erdungsdrossel B. Damit die Erdungsdrossel
möglichst wirksam ist, wird ihr induktiver Widerstand gegenüber dem kapazitiven
Widerstand, der zwischen den Außenleitern und der Erde liegt, möglichst groß gewählt.
Dadurch wird erreicht, daß nahezu die gesamte Oberwellenspannung an der Erdungsdrossel
liegt. Um diese Wirkung noch zu unterstützen, kann man zwischen die Außenleiter
und die Erde Spannungsresonanzkreise 9 und io einfügen, die auf. die Oberwellen
abgestimmt sind. Man kann die Wirkung der Drosselspule auch so auffassen, daß sich
die an ihr auftretende Oberwellenspannung den Spannungen der positiven und negativen
Stromrichterhälfte überlagert und eineGlättung derAußenleiterspannungen gegen Erde
bewirkt.
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Ein weiteres Mittel zur Verminderung der Erdwelligkeit besteht .darin,
daß ,die beiden Anlagehälften derart miteinander gekuppelt werden, daß
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beiden der gleiche Oberwellenstrom erzwungen wird. Hierzu kann, wie Fig. 2 zeigt,
eine Syinmetrierdrossel i i verwendet werden, d. 1i. eine Drossel, .deren beide
Hälften in Reihe miteinander in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Stromrichterhälften
geschaltet und: miteinander magnetisch verkettet sind. Der Mittelpunkt zwischen
den beiden Hälften der Symmetrierdrossel stellt dann den Erdungspunkt dar. Die beiden
magnetisch gekoppelten Drosselhälften erzwingen ein Gleichgewicht des Stroms in
der positiven und der negativen Stromrichterhälfte; von dem Mittelpunkt der Drossel
wird daher nur ein geringer Magnetisierungsstrom mit einer Grundfrequenz von
fließen, der nur einen Bruchteil des sonst auftretenden Erdstroms beträgt. Auch
hier können wiederum Schwingungskreise, die zwischen die Außenleiter und die Erde
geschaltet sind, unterstützend wirken. Für die Bemessung der für die Reihenschaltung
vorgesehenen Symmetrierdrossel gelten analoge Beziehungen wie für die bei der Parallelschaltung
von Stromrichtern häufig verwendete Saugdrossel gleicher Phasenzahl.
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An Stelle einer Symmetrierdrossel im Mittelpunkt der Stromrichteranlage
kann auch eine Symmetrierdrossel verwendet werden, die die beiden Außenleiter nach
Art eines Stromteilertransformators miteinander koppelt. Hierfür zeigt Fig. 3 ein
Beispiel. Die Stromrichteranlage besteht in Fig. 3 aus den vier Stromrichtergruppen
17 bis 2o mit den zugehörigen Transformatoren 12 bis 15. Da in diesem Fall unter
der Voraussetzung, daß die einzelnen Stromrichtergruppen sechsphasig sind, zwischen
ihren Spannungssternen eine Phasenverdrehung von je 15° erforderlich ist, ist noch
ein besonderer Schwenktransformator 16 vorgesehen, der den beiden Anlagehälften
Spannungen zuführt, die gegenüber der Spannung des Drehstromnetzes i um ± 15° verschoben
sind. Der Mittelpunkt 21 der Stromrichteranlage ist unmittelbar geerdet. In die
Außenleiter 6 und 7 sind die Wicklungen 23 und 24 der Symmetrierdrosse122 eingeschaltet,
so daß hinter diesen Wicklungen, in .den Außenleitern stets Gleichheit der Oberwellenströme
erzwungen wird. Die Wicklungen 23 und 24 der Symmetrierdrossel können natürlich
auch in die Verbindungsleitungen der Stromrichter 17 und 18 bzw. 1g und 2o eingefügt
werden. Parallel zu der Drossel werden zweckmäßig Überspannungsableiter geschaltet,
um eine Gefährdung der Anlage durch unzulässige Potentialverschiebungen zu vermeiden.
Solche gefährlichen Potentialverschiebungen können im übrigen nur bei einseitigem
Kabelerdschluß und auch in dem Fall nur dann auftreten, wenn die gestinde Stromrichterhälfte
gleichzeitig erlischt.
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Fig. d. zeigt die Verwendung der Erdungsdrossel in dem Fall, daß der
Stromrichter 2.6 als Graetz-Schaltung ausgebildet ist. Bei der dargestellten dreiphasigen
Schaltung des Transformators 25 ergibt sich dann zwischen den Außenleitern 6 und
7 eine sechsphasige Welligkeit. Würde man aber den Sternpunkt der Sekundärwicklung
des Transformators 215 unmittelbar erden, so würde jede Ventilgruppe der Graetz-Schaltung
gegenüber der Erde nur ein dreiphasiges Nullpunktsystem darstellen. Hier kann dadurch
Abhilfe geschaffen werden, daß die Erdung des Sternpunkts, wie in Fig. d. dargestellt,
über eine Erdungsdrossel 8 erfolgt. Diese verhindert das Auftreten von kapazitiven
Erdströmen dreiphasiger Welligkeit. Bei der Graetz-Schaltung kann man durch eine,
entsprechende Kopplung der Stromrichterhälften dafür sorgen, daß in beiden Außenleitern
der gleiche Oberwellenstrom erzeugt wird. Im einfachsten Fall kann dies gemäß Fig.
5 dadurch geschehen, daß der Stromrichtertransform.ator 2i in Stern-Stern geschaltet
wird. In diesem Fall verlangt nämlich das Gleichgewicht der Schenkeldurchflutungen
im Transformator, daß jeweils zwei Phasenströme gleicher Größe fließen. Da der eine
dieser beiden Phasenströme zu dem einen Außenleiter und der andere zti dem anderen
Außenleiter fließt, so ergibt sich eine Unterdrückung des aus dem Sternpunkt zur
Erde fließenden Oberwellenstroms.
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Man kann auch bei der Verwendung von Graetz-Schaltungen besondere
Symmetrierdrosseln verwenden. Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Fig. 6. Der
Stromrichter 32 sei wieder als dreiphasige Graetz-Schaltung ausgeführt. Der Transformator
3o besitzt drei getrennte Sekundärwicklungen, deren von den Anschlüssen an den Stromrichter
abgekehrte Enden an die Klemmen einer dreiphasigen Symmetrierdrosse131 angeschlossen
sind. Die drei in Stern geschalteten Wicklungen der Symmetrierdrosse131 sind magnetisch
miteinander verkettet, so daß aus Gründen des Durchflutungsgleichgewichts stets
in zwei Teilwicklungen der gleiche Strom fließen muß. Infolgedessen heben sich die
Oberwellenströme in bezug auf die Verbindung des Sternpunkts der Symmetrierdrossel
31 mit der Erde gegenseitig auf. Selbstverständlich kann auch bei Verwendung der
Graetz-Schaltunfür den Stromrichter eine Symmetrierdrossel mit getrennten Teilwicklungen
in den Außenleitern gemäß Fig. 3 Anwendung finden.
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In Fig.7 sind die Spannungsverhältnisse einer dreiphasigen Graetz-Schaltung
dargestellt, bei der von irgendeiner der oben angegebenen Maßnahmen zur Unterdrückung
des Erdstroms Gebrauch g°-macht ist. egl und e92 sind die Kurven des Potentialverlaufs,
der in den beiden äußeren Leitern durch den Stromrichter erzeugt wird. Diese Kurven
gelten gleichzeitig für den Potentialverlauf der Außenleiter gegenüber Erde bei
unmittelbarer Erdung des Sternpunkts. Durch die erwähnte -Maßnahme wird jedoch eine
zusätzliche Spannung E°,1 eingeführt, deren Verlauf sich als Mittelwert zwischen
denKurvenegl und egg ergibt. Durch Überlagerung dieser Spannung ed über die Kurven
ei bzw. egg ergeben sich die Potentialkurven egl' und e92', die die doppelte Welligkeit
aufweisen und bezüglich der Nullinie symmetrisch liegen.
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Die beschriebenen Methoden zur Mittelpunktserdung einer einzigen Gruppe
in Graetz-Schaltung können auch dann benutzt werden, wenn die Stromrichteranordnung
aus
einer ungeraden Anzahl in Reihe geschalteter einzelner Stromrichter besteht. Man
braucht dann nur die mittlere Gruppe als Graetz-Schaltung auszubilden und .in der
angegebenen Weise zu erden. Ungerade Gruppenzahlen können sich unter Umständen auch
dann ergeben, wenn .bei einer Anlage mit an sich gerader Gruppenzahl eine Gruppe,
beispielsweise zum Zweck der Instandsetzung, ausgeschaltet werden muß und die übrigen
Gruppen mit möglichst hoher Leistung weiter in Betrieb bleiben sollen. Wenn diese
Möglichkeit besteht, wird man zweckmäßig einen Teil der Stro-mrichtergruppen, und
zwar möglichst zwei von ihnen, mit sekundärer Sternschaltung und herausgeführtem
Sternpunkt oder mit offener Sekundärwicklung und dreiphasigerErdungsdrossel ausführen.
Durch Umschaltung der Erdungsdrossel läßt sich dann immer ein einwandfreier Betrieb
bezüglich der Oberwellen gegen Erde aufrechterhalten. Zweckmäßig werden die genannten
Stromrichtergruppen auch primärseitig noch in Stern geschaltet, um dadurch eine
Unterstützung der Symmetrierung zu erreichen.
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Ein Ausführungsbeispiel hierfür zeigt Fig. B. Die Stromrichterschaltung
als solche entspricht im normalen Zustand derjenigen, wie sie in Fig. 3 dargestellt
ist. Durch die Schalter 34 ist es möglich, einzelne Stromrichtersysteme kurzzuschließen
und damit außer Betrieb zu setzen. Die Transformatoren 13 und 14 der beiden mittleren
Gruppen sind in Stern-Stern geschaltet.-DieErdungsdrossel 8 ist an einen Umschalter
33 angeschlossen, der es ermöglicht, sie wahlweise an den Mittelpunkt der Gesamtanordnung
oder an den Sternpunkt einer der beiden Gruppen igbzw. i9 anzuschließen. An Stelle
der Erdungsdrossel kann selbstverständlich ebensogut eine Symmetrierdrossel zur
Anwendung kommen. Etwa vorhandene Schwingungskreise müssen bei der Erdung wegen
-der der Gruppenzahl entsprechend veränderten. Phasenzahl und der dadurch bedingten
Änderung der Oberwellenfrequenz gleichzeitig mit umgeschaltet werden.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen waren stets Stromrichtergruppen
in Graetz-Schaltung zugrunde gelegt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß sich
die angegebenen Maßnahmen zur Vermeidung des Erdstroms, soweit sie sich nicht ausdrücklich
auf Graetz-Schaltung beziehen, ebensogut auch anwendbar sind, wenn die einzelnen
Gruppen als Nullpunktschaltungen ausgebildet sind.