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Einrichtung zum Abschalten der Gleichstromleitungen von mit hochgespanntem
Gleichstrom arbeitenden Kraftübertragungsanlagen Die Erfindung behandelt das Problem
der Abschaltung von Gleichstromleitungen, die zur Energieübertragung mit Höchstspannung
dienen. Dieses Problem ist besonders in verzweigten oder vermaschten Gleichstromhöchstspannungsnetzen
von Wichtigkeit, da man hier ohne Schalter, die die Gleichstromleitungen unterbrechen
können, nicht auskommt, während man sich bei Einstrangübertragungen in. unvermaschten
Netzen durch drehstromseitige Abschaltung des speisenden Gleichrichters helfen kann.
Es ist bekannt, daß man zur Abschaltung der Gleichstromleitungen sogenannte Kondensatorschalter
verwenden kann, die im wesentlichen aus einer in der Gleichstromleitung liegenden
Gasentladungsstrecke bestehen, deren Strom zum Zwecke der Abschaltung auf eine parallel
dazu liegende, vorgeladene Kondensator'batterie kommutiert wird. Die Kondensatorbatterien,
die für solche Kondensatorschalter in Übertragüngsanlagen für große Leistungen erforderlich
sind, müssen beträchtliche Abmessungen erhalten, was einen schwerwiegenden Nachteil
darstellt. Ein anderer bekannter Vorschlag geht dahin, als Schalter in den Gleichstromiibertragungsleitungen
Hochvakuum-Gl'ühkathodenrohre zu verwenden, die zum ?wecke der Unterbrechung gesperrt
werden. Die Glühkathoden solcher Hochvakuumrohre haben jedoch nur eine beschränkte
Lebensdauer, was sich
mit Rücksicht auf den hohen Preis solcher
Rohre nachteilig bemerkbar macht, wenn das Entladungs@ roter im Betrieb ständig
Gleichstrom führen muß.
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Die Erfindung schlägt deswegen zunächst vor, das Entladungsrohr betriebsmäßig
durch einen mechanischen Schalter zu überbrücken, welcher erst bei Einleitung des
Abschaltvorganges geöffnet wird. Das Entladungsrohr ist dann im normalen Betrieb
stromlos und führt nur wähnend des eigentlichen Abschaltvorgange@s Strom. Man wird
trotz der Stromlosigkeit des Entladungsrohres während- des normalen Betriebes die
@Glühkathod@enheizung nicht ganz abschalten, um bei einer beabsichtigten oder notwendig
werdenden Abschaltung das Rohr rasch einsatzbereit machen zu können. Eine Herabsetzung
der Glühkathodenheizleistung um einen geringen Betrag bringt aber bereits eine erhebliche-
Steigerung .der Lebensdauer. Der Gedanke, das Entladungsrohr durch einen mechanischen
Schalter zu überbrücken, der erst geöffnet wird, wenn der Abschaltvorgang beginnt,
ist aber nicht ohne weiteres durchführbar. Der Strom über das Entladungsrohr kann.
nämlich nicht größer werden als der Sättigungsstrom. Aus wirtschaftlichen Gründen
wird man den Sättigungsstrom, der von. den Abmessungen und der Beschaffenheit der
Glühkathodienoberfläche bzw. von der Anzahl parallel geschalteter Röhren abhängt,
nicht wesentlich größer wählen können als den normalen Betriebsstrom. Nun steigt
aber im Störungsfall, beispielsweise bei einem Kurzschluß, der Strom in der Gleichstromleitung
äußerst rasch auf Werte an, die beträchtlich über dem .Tormalstrom liegen und in
dem betrachteten Fall auch wesentlich größer sein würden als der Sättigungsstrom
des Entladungsrohres. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes kann dabei so groß
sein, daß es nicht gelingt, den mechanischen Überbrückungsschalter zu öffnen, bevor
der Strom über den Sättigungsstrom des Entladungsrohres angestiegen ist. Dann ist
es aber auch nicht mehr möglich, den Strom von dem überbrückungs@schalter auf das
parallel dazu liegende Entladungsrohr zu kommutieren, und der Überbrückungsschalter
müßte selbst eine beträchtliche Leistung schalten. Um trotzdem den überbrückungsschalter
in .der angegebenen Weise anwenden zu können, schlägt die Erfindung deshalb weiterhin
vor, Mittel vorzusehen, die ein Ansteigen des Stromes über den Sättigungsstrom des
Entladungsrohres bis zum Öffnungszeitpunkt des .Yberbrückungsschalters verhindern.
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Der einfachste Weg, dies praktisch durchzuführen, wäre eine Vergrößerung
der Zeitkonstante des Gleichstromkreises auf ein solches Maß, daß der Strom nur
noch langsam ansteigt und .den Sättigungswert des Rohres erst erreicht, wenn der
Überbrückungssc'halter schon geöffnet ist. Dieser Weg dürfte aber sehr häufig aus
wirtschaftlichen Gründen nicht gangbar sein: Handelt es sich um eine Einstrangübertragung
ohne Verzweigungen, so kann das angestrebte Ziel zwar auf einfache Weise dadurch
erreicht werden, d@aß der die Anlage speisende Gleichrichter mit einer rasch wirkenden
Regelung auf konstanten Strom ausgerüstet wird. Die Sohalteirnrichtung nach der
Erfindung wird nun aber gerade für solche Anlagen von besonderer Bedeutung sein,
bei denen die Gleichstromleitung verzweigt bzw. vermascht ist, da man ja bei solchen
Anlagen, wie schon oben erwähnt, ohne Schalter in den Gloichstromleditungen nicht
auskomme@n kann. Hier würde eine selbsttätige Regelung des speisenden Gleichrichters
bzw. der speisenden Gleichrichter auf konstanten Strom bzw. Summenstrom allein nichts
nutzen, da im Fall eines Kurzschlusses in einem Abzweig der Strom in diesem auf
Kosten der Ströme in den gesunden Abzweigen trotz Konstantbleibens des Summenstromes
steigen kann. In einem solchen Fall kamt das; angestrebte Ziel aber ebenfalls erreicht
werden, und zwar durch Anwendung einer Regelmethode, die im wesentlichen darin besteht,
daß bei Regelung des speisenden Gleichrichters auf konstanten Strom die Wechselrichter
mit einer stromabhängigen Regeleinrichtung ausgerüstet sind, welche den Cosinus
des Steuerwinkels des Wechselrichters nach einer Kennlinie beeinfiu:Bt, die in der
Nähe .des Nennstromes, vorzugsweise bei einem etwas kleineren Wert, einen Höchstwert
besitzt und sowohl nach kleineren als auch nach größeren Strömen hin abfällt. Eine
solche Regelkennlinie ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Die Steilheit des
Kennlinienastes unterhalb des Nennstromes wird, Wie aus Fig. a ersichtlich, zweckmäßig
wesentlich steiler gewählt als die Kennliniennegung oberhalb des Umkehrpunktes.
Eine Regelung nach einer solchen Kennlinie, hat zur Folge, daß ein nennenswertes
Absinken des Stromes in den gesunden Wechselrichtern infolge der Verkleinerung von
cos. ß verhindert wird. Infolgedessen kann wegen der Regelung des Gleichrichters
auf konstanten Strom der Strom in dem gestörten Abzweig nicht oder jedenfalls nicht
nennenswert wachsen. Der höchstmögliche Strom, der im Störungsfall auftreten kann,
liegt somit fest und kann auf einen Wert unterhalb des Sättigungsstromes des Entladungsrohres
der Abschalteinrichtung bemessen werden. Dadurch wird die Kommutierung des Stromes
von dem mechanischen Überbrückungsschalter auf das parallel dazu liegende Entladungsrohr
möglich.
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Liegt das Entladungsrohr unmittelbar parallel zu dem Überbrückungsschalter,
so geht die Stromführung erst während des Öffnens des letzteren auf das Entladungsrohr
über. Der Überbrückungsschialter muß dann eine gewisse Leistung schalten, die für
ihn eine besondere Konstruktion erforderlich macht, damit der Lichtbogen an ihm
nicht zu lange stehenbleiben kann. Diese Schwierigkeit kann man dadurch vermeiden,
daß man in .den Stromzweig, der das Entladungsrohr enthält, noch eine zusätzliche
Gleichspannung einführt, welche bereits vor der Öffnung .des Überbrückungsschalters
den Strom auf das Schaltrohr kommutiert. Als Spannungsquelle für diese zusätzliche
Gleichspannung kann ein Kondensator oder eine beliebige andersartige Spannungsquelle
verwendet werden. Besonders zweckmäßig dürfte die Erzeugung der Zusatzspannung durch
einen in Reihe mit dem Schaltrohr
liegenden Queeksilberdampfgleich,richter
sein. Dieser braucht ebenso wie das Schaltrohr nur für kurzzeitige Belastung bemessen
zu sein. Er braucht nur während des Abschaltvorganges den vollen Strom zu führen
und muß dann eine Spannung abgeben, die etwas über der Brennspannung des Schaltrohres
liegt, damit der parallel liegend Trennschalter vom Hauptstrom entlastet wird. Beim
Einschalten der Leitungen wird die Zusatzspannung zweckmäßig ebenfalls eingeschaltet,
damit der Überbrückungsschalter nicht den verhältnismäßig hohen Spannungsabfall
an dem Schaltrohr zu schalten hat. Zweckmäßigwerdenals Schaltrohre solche mit thorierten
Kathoden verwendet. Diese dürfen in der Emissionsspitze zwar nur mit einem geringeren
Prozentsatz des Sättigungsstromes belastet werden als reine Wolframkathoden. Da
aber ihr Sättigungsstrom wesentlich höher liegt als der von Wolframkathoden, so
ergibt sieh für sie trotzdem eine beträchtlich höhere zulässige Spitzenbelastung.
Auch ist die Heizleistung thorierter Kathoden nur etwa halb so groß wie die von
Wolframkathod'en.
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In Fig. i -der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Mit i ist ein als Schaltrohr dienendes gittergesteuertes Hochvakuumrohr
bezeichnet, welches zwischen dem einen Gleichstrompol des Wechselrichtern 27 und
dem Gleichstromkabe128 liegt. In Reihe mit dem Schaltrohr i liegt der Hilfsgleichrichter
i9, welcher die Zusatzgleichspannung erzeugt. Der aus Schaltrohr i und Hilfsgleichrichter
i9 bestehende Stromweg kann durch dien mechanischen Schält-er überbrückt werden.
Mit 3 ist die Steuerapparatur für das Schaltrohr i bezeichnet, welche über den Isolierwandler.4.
gespeist wird. Die Steuer- und Erregerleistung für den Hilfsgleichrichter i9 wird
über einen Isolierwandler 5 geliefert. Die Isolierwandler .4 und 5 müssen für die
volle Übertragungsgleichspannung gegen Erde isoliert sein. Die Gittersperrung des
Schaltrohres i wird durch Verdrehen eines Drehtransformators 13 vorgenommen, zu
dessen Antrieb der Verstellmotor 1.4 mit dem zugehörigen Schaltwerk 15 dient. Anstatt
mit dem Drehregler 13 kann natürlich die Gitterspannung des Schaltrohres i auch
auf andere Weise beeinflußt werden. Man kann hierzu beispielsweise einen Regelwiderstand
benutzen oder auch eine feste Spannungsstufe zu-bzw. abschalten.
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Das Relais 6 dient zur Überwachung der Steuerleistung für das Schaltrohr
i. Entsprechend überwacht das Relais 7 die Steuer- und Erregerleistung für den Hilfsgleichrichter
i9. Die Kathodenheizung des Schaltrohres i liegt mit an der Sekundärseite des 'Isolierwandlers
5. 17 ist ein Zeitrelais, welches so eingestellt ist, daß es nach Einschalten der
I-eizleistung für dlas Schaltrohr i seinen Kontakt schließt, sobald die Kathode
voll aufgeheizt ist. Der Hilfsschalter 23 schaltet die Steuerleistung für das Schaltrohr
i und der Hilfsschalter 9 über den Hilfsumspanner 8 die Leistung für die übrigen
Hilfsbetriebe ein. Die Leistung wird dem HilfsdrehstroMnetz 24 entnommen. Die Anodenwechselspannung
für dien Hilfsgleichrichter i9 wird über das Schütz 22 und den Isolierwandler 18
geführt. Das Hilfsrelais io dient als Ausschaltrelais und das Hilfsrelais i i als
Einschaltrelais. Beide werden von dem Steuerschalter 12 betätigt.
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Das Einschalten der Leitung geht folgendermaßen vor sich: Zunächst
werden .die Schalter23 und 9 eingelegt und damit die Hilfseinrichtungen für das
Schaltrohr i und den Hilfsgleichrichter i9 an Spannung gelegt. Die Relais 6 und
7 sprechen an, und das Zeitrelais 17 beginnt zu laufen. Jetzt wird mittels des Steuerschalters
i 2 das Einschaltrelais i i angezogen. Es hält sich in angezogener Stellung selbst
über einen Hilfskontakt 25, der mit dem geerdeten Teil des Überbrückungsschalters
2 gekuppelt ist und geschlossen bleibt, solange der Schalter 2 geöffnet ist. Sobald
dass Zeitrelais 17 seinen Kontakt geschlossen hat, kommt über die Hilfskontakte
der Schalter 9 und 23 und einen Kontakt dkes Einschaltrelais. i i ein Erregerstrom
für das Schütz 22 zustande. Dieses schließt sich und schaltet .die Anodenspannung
für den Hilfsgleichrichter i9 ein. Durch einen weiteren Kontakt des Steuerschalters
i i wird, wenn das Schütz 22 angezogen und seinen Hilfskontakt geschlossen hat,
die Schalteinrichtung 15 für den Verstellmotor 14 an Spannung gelegt, so d'aß sie
den Motor 14 in Richtung Entsperren in Bewegung setzt. Wenn der Drehtransformator
die Stellung, in der das Schaltrohr i völlig freigegeben ist, erreicht bat, schließt
er seinen linken Hilfskontakt und gibt dadurch über das Relais 6 und einen Kontakt
des Einschaltrelais i i den Einschaltbefehl an den Antrieb u6 für den Überbrückungsschalter
2. Dieser schließt -sich und öffnet dabei seinen Hilfskontakt 25, so daß die Selbsthaltung
des Einschaltrelais i i unterbrochen ist und dieses abfällt. Damit wird auch der
Erregerstrom für das Schütz 22 unterbrochen und die Anodenspannung für den Hilfsgleichrichter
i9 wieder abgeschaltet. Der Ruhestromkontakt des Einschaltrelais i i dient ebenso
wie der Kontakt a, des Ausschaltrelais io zur gegensenbiigen Verriegelung der beiden
Relais.
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Das Abschalten der Leitung geht wie folgt vor sich: Wird der Steuerschalter
12 auf Abschalten gelegt, so zieht das Ausschaltrelais io an und hält sich über
einen Hilfskontakt des Drehzahlreglers 13 selbst. Über einen Kontakt des Auissch@altrelais
io erhält nun, wenn die Relais 7 und 17 geschlossen sind, wiederum die Erregerspule
des Schützes 22 Spannung, so d'aß die Zusatzgleichspannung, die von dem Hilfsgleichrichter
i9 geliefert wird, eingeschaltet wird. Damit erfolgt die Kommu.tierung des Stromes
von dem Überbrückungsschalter 2 auf das Schaltrohr i. Ein Kontakt des Ausschaltrelais
io gibt, nachdem das Schütz 22 geschlossen ist, über ein Relais 21 das Ausschaltkommando
an dien Antrieb 16 des Ü berbrüdkungsschalters 2. Dieses Relais 21 wird von einem
Gleichstromwandler 20 gespeist, der in Reihe mit dem Überbrückungsschalter 2 liegt.
Es spricht an und läßt folglich die Öffnung des Überbrückungsschalters nur dann
zu, wenn dessen Hauptkontakt stromlos geworden ist
oder der Strom
sogar negative Werte angenommen hat. Nachdem sich der Schalter 2 geöffnet hat, schließt
er seinen Hilfskontakt 26, und dadurch bekommt das Schaltwerk 15 für den
Verstelltnotor 14 über einen Kontakt des Relais io das Kommando zum Sperren. Ist
der Drehregler 13 in die der Sperrung entsprechende Endlage gelaufen, so
unterbricht er seinen rechten Hilfskontakt und schaltet damit Tiber- einen Kontakt
des ;.,lusschlaltrelais io dessen Selbsthaltung ah. Das Schütz 22 fällt ebenfalls
wieder, und damit ist der Abschaltv organg vollzogen.
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Aus Sicherheitsgründen wird man zwei oder mehrere Schaltrohre parallel
schalten, die gemeinsam gesteuert werden. Eine Beanspruchung des, in Öffnung befindlichen
Trennschalters :2 mit einer unzulässigen Leistung wird dabei sicher vermieden. Erfolgt
die Auslösung des Schalters nicht von Hand, sondern durch Schutzeinrichtungen, so
wird man zweckmäßig die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes als Auslösekriterium
benutzen, da man damit kürzere Abschaltzeiten erzielt.
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Bisher wurde angenommen, däß als Schaltrohr ein Hochvakuumrohr mit
Steuergitter verwendet wird. Statt dessen kann man auch Schaltrohre ohne Steuergitter
verwenden, bei denen dann d!as Abschalten des Stromes durch Unterbrechen der Kathodenheizung
erfolgt. Die Anheizzeit der Kathode könnte man dabei durch kurzzeitiges Erhöhen
der Heizleistung über den normalen Wert hinaus verkürzen. Außerdem wird man zweckmäßig
die Kathodenheizung auch in diesem Fall nicht vollständig - abschalten, sondern
nur auf solche Werte vermindern, bei dellen der Emissionsstrom gegenüber dem Betriebsstrom
vernachlässigbar 'klein ist. Daß die Kathode bei Unterbrechung des Heizstromes sich
nur allmählich abkühlt, ist kein Nachteil, sondern eher ein Vorteil, da es mit Rüc'ksic'ht
auf die in der Leitung aufgespeicherte Energie wünschenswert ist, den Abschaltvorgang
langsam vorzunehmen. Ebenso ist es auch zweckmäßig, die Einschaltung nicht schlagartig
vorzunehmen, sondern durch langsame Freigabe des Schaltrohres den Überbrückungsschalter
von dem Ladestrom der Leitung zu entlasten. Bei Verwendung gittergesteuerter Schaltrohre
kann das allmähliche Sperren und Ent!sperren durch entsprechend langsame Verstellung
der Steuerorgane erfolgen.
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Bei Verwendung gitterloser Schaltrohre muß man vermeiden, daß das
Schaltrohr längere Zeit spannungslos steht, da sonst die Potentialverteilung und
die Wandladungen unbestimmt werden und dadurch die Sperrspannungsfestigkeit leiden
würde. Es ist deshalb günstig, das Rohr in gesperrtem Zustand, d. h. bei nicht oder
nur schwach geheizter Kathode, von Zeit zu Zeit oder dauernd an die volle Betriebsspannung
zu legen. Hierzu kann man eine Schaltung verwenden, wie sie grundisätzlich in Fig.
3 dargestellt ist. Mit 30 ist ein Regelwiderstand in dem Heizstromkreis der
Kathode des Schaltrohres i bezeichnet, der von dem Verstel!1-motor 31 angetrieben
wird. In der Kathodenzuleitung liegt ein Hochspannungsumschalter 32, durch den in
der Stellung a das Schaltrohr i in die Gleichstromleitung 23 eingeschaltet wird,
während in der Stellung b seine Kathode an Erde gelegt wird. In ausgeschaltetem
Zustand ist der Überbrückungss:chalter 2 in der Stellung b und der Umschalter 32
in der Stellung a. Das Einschalten verläuft wie folgt: Die Kathodenheizung wird
mit dem Widerstand 3o hochgefahren und darauf der Trennei 2 in :die Lage a gebracht.
Sodann wird die Heizung abgeschaltet oder herabgesetzt. Sobald das Schaltrohr z
seine volle Sperrfestigkeit erreicht hat, also seine Glühkathode hinreichend kalt
geworden ist, wird der Umschalter 32 in dlie Stellung b gebracht.
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Für das Abschalten ergibt sich folgende Reihenfolge: Der Umschalter
32 wird in die Stellung a gebracht. Die Kathode des Schaltrohres i wird durch Stoßheizung
angeheizt, worauf der Trennei 2 sofort in die Stellung a gebracht wird, sofern nicht
vorher noch durch Einführen einer Kommutierungsspannung der Strom auf das Schaltrohr
i übergeführt wird. Sodann wird diel Kathodenheizung des Schaltrohres i unterbrochen
und damit die Abschaltung beendet.