DEP0053241DA - Anordnung zur Stromversorgung elektrischer Fernbahnen aus einem Drehstromnetz - Google Patents

Description

Bisher verwendete man zur Stromversorgung elektrischer Fernbahnen die mit 16 2/3 Hz vertrieben werden, aus wirtschaftlichen Erwägungen eine möglichst geringe Zahl längs der durchgeschalteten Fahrleitung angeordneten Unterwerke. Daher waren in den einzelnen Unterwerken verhältnismässig hohe Leistungen zusammengeballt. Die Unterwerke besassen verschiedene Ausbaugrössen mit 2, 3, 4 und mehr Transformatoren.

Um für die Energieversorgung der elektrischen Bahnen auch das Drehstromlandesnetz mit 50 Hz benutzen zu können, ist der Vorschlag gemacht worden, Umrichter zur Umwandlung der Frequenz 50 Hz in 50/3 Hz (= 16 2/3 Hz) in den vorerwähnten Unterwerken einzubauen. Da hierbei die Fahrleitung in ihrer gesamten Ausdehnung durchgeschaltet ist, arbeiten die Umrichter über die Fahrleitung mit den 16 2/3 Hz-Bahnkraftwerken parallel. Es handelt sich bei diesem Vorschlag also um einen Verbundbetrieb zwischen den Bahnkraftwerken und den Landeskraftwerken. Im Zusammenhang damit war darauf hingewiesen worden, dass auch in einem solchen Verbundsystem starre Umrichter verwendet werden können, wenn die Umrichterleistung in einem angemessenen Verhältnis zur Leistung der Bahnkraftwerke steht.

Von anderer Seite wurde vorgeschlagen, auch zu erwägen, ob man die Fahrleitungen zwischen diesen Grossunterwerken bzw. Umrichterwerken auftrennen könne, um so die Möglichkeit zu schaffen, auf der Fahrleitungsseite die 16 2/3 Hz-Spannungen jeweils dreier aufeinanderfolgender Umrichterwerke um 120 elektrische Grade gegeneinander zu versetzen. Dadurch liesse sich die einphasige Gesamtlast auf das Landesnetz etwa asymetrisch verteilen.

Diesen Gedankengängen stehen aber in ihrer derzeitigen Form erhebliche Schwierigkeiten entgegen, so dass ihre Verwirklichung bisher nicht in Betracht kommen konnte:

Werden nämlich die starken Landesnetze, an die die Umrichterwerke angeschlossen sind, beispielsweise infolge von Netzstörungen gegeneinander asynchron, so sind diese Netze bei durchgeschalteter Fahrleitung über die Umrichter miteinander verbunden. Damit diese nicht durch Ausgleichsströme beschädigt werden, müssen sie schnellstens den Leistungsfluss durch Gitterspannung unterbrechen, da eine Unterbrechung in den entsprechenden Fahrleitungskuppelstellen durch die dort vorhandenen Schaltgeräte kaum rechtzeitig möglich wäre. Infolgedessen werden u.U. sehr weite Bereiche der Fahrleitung totgelegt, was für den Fahrbetrieb nicht tragbar erscheint. Hier setzt nun die Erfindung zugrunde liegende Überlegungen ein:

Als Folgerung aus den zuletzt angeführten Erwägungen zur Gewährleistung eines ungestörten Fahrbetriebes erscheint es zunächst einmal wichtig, dass die Fahrleitungen zwischen den einzelnen Umrichterwerken von vornherein aufgetrennt sind. Allerdings darf man bei der heutigen Anordnung der Unterwerke die Fahrleitungen im Normalbetrieb nicht auftrennen, da sonst die Spannungsabfälle auf der Fahrleitung unzulässig grosse Werte annehmen. Eine solche Massnahme könnte daher bei den bisherigen Anlagen nur für einen vorübergehenden Notbetrieb getroffen werden.

Daran scheitert bei den bisherigen Fahrbahnanlagen auch die Umwandlung der Einphasenbelastung in eine für das speisende Drehstromnetz symmetrische Belastung durch jeweilige Versetzung der Speisespannung um 120 elektrische Grade. Einer solchen Symmetrierung der Belastung des Drehstromnetzes kommt aber eine überragende Bedeutung für die Möglichkeit des Einsatzes von Umrichtern in einer Grossversorgung zu, da die über die Umrichter in das Drehstromnetz übergehende 16 2/3 Hz-Unterwelle mit etwa 60% Leistungsanteil die Gefahr einer Überlastung der Drehstromgeneratoren mit sich bringen kann, vor allem wenn diese, wie es in der Regel der Fall ist, nicht mit Dämpferwicklungen ausgerüstet sind. Ausserdem könnten die Spannungsabfälle der 16 2/3 Hz-Ströme im Drehstromlandesnetz ein Lichtflimmern, wo- möglich in ausgedehnten Gebieten, hervorrufen. Es gäbe kaum Mittel, um eine solche Verseuchung des Netzes nachträglich zu beheben.

Selbst wenn aber eine Auftrennung der Fahrleitungen zwischen den Umrichterunterwerken der bisherigen Anlagen im stationären Betrieb möglich wäre, so wäre damit noch immer keine ausreichende Symmetrierung geschaffen. Denn um eine solche wenigstens in erster Annäherung zu erzielen, müssten im Idealfall genau gleich grosse, gegeneinander um 120 elektrische Grade verschobene Leistungsanteile in jeweils drei Fahrleitungsabschnitten zusammengefügt werden können. Da aber die Grossunterwerke aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sehr weit (in der Regel 70 bis 100 km) auseinanderliegend angeordnet werden, stammen die Leistungen aufeinanderfolgender Bahnenergiestützpunkte in der Regel aus Fahrleitungsbereichen mit verschiedenem Verkehrsvolumen; die Leistungen sind also verschieden gross. Diese Verschiedenheit findet bereits darin ihren Ausdruck, dass die Unterwerke bei dem heutigen System für verschiedene Ausbauleistungen bemessen sind.

Aber selbst bei gleichen Leistungen jeweils dreier Stützpunkte im Netz liesse die grosse Stützpunktentfernung keine symmetrische Drehstromleistung, in der also der 16 2/3 Hz-Unterwellenanteil nicht mehr feststellbar wäre, zustande kommen, da die netzfrequenzfremde Unterwellenströme sich nicht nach der durch die Kraftmaschinenregler in den Kraftwerken eingestellten Verteilung der 50-Hz-Grundwellenleistung richten, sondern sich vielmehr als quasi vagabundierende Ströme allein gemäss den Reaktanzen des Netzes, der Kraftwerke und der Verbraucher verteilen. Die den Unterwerken zufliessenden Unterwellenströme finden daher im Drehstromverteilungsnetz verschiedene Schliessungswege und können somit nicht zum Zwecke der Symmetrierung zur Deckung gebracht werden. Auch in den Generatoren können sie einzeln auftreten und diese unsymmetrisch belasten. Ein Ausgleich der Unsymmetrien ist also bei solchen Anlagen nur in unvollkommener Weise möglich; er wird insbesondere bei ungünstigen Vorbedingungen, die in der Vorausplanung nicht zu klären sind, nicht zur sicheren Verhinderung von Überbeanspruchungen der Generatoren und des höchst unerwünschten Lichtflimmerns ausreichen.

Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Vielzahl von Bahnenergiestützpunkten gleicher Ausbaugrösse mit Umrichtern und bzw. oder Transformatoren zur freitragenden Speisung der einzelnen Fahrleitungsabschnitte anzuordnen. Die Nenndauerleistung der einzelnen Energiestützpunkte ist nach der Erfindung möglichst klein zu halten, und zwar im unteren Grenzfall so klein, dass die grösste Bahneinzellast unter den ungünstigsten Streckenbetriebsverhältnissen (insbes. Steigung, Fahrlast), die der Planung zugrunde gelegt werden müssen, gerade noch mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit über den zugeordneten Fahrleitungsabschnitt fahren kann, im oberen Grenzfall doppelt so gross. Dabei ergibt sich die Länge der einzelnen freitragend gespeisten Fahrleitungsabschnitte im allgemeinen verschieden, entsprechend der jeweiligen spezifischen Streckenbelastung; auf jeden Fahrleitungsabschnitt bzw. den ihn speisenden Energiestützpunkt entfällt also die gleiche Nennlast.

Durch die freitragende Speisung der in voneinander getrennte Abschnitte unterteilten Fahrleitung wird dafür gesorgt, dass die Fahrleitungsspeisung von einem Asynchronwerden der Landesnetze gegeneinander und gegen das Bahnnetz unbeeinflusst bleibt.

Dadurch, dass in den einzelnen Unterwerken dem Landesnetz von vornherein gleiche und vor allem auch möglichst kleine Leistungsbeträge entnommen werden, lässt sich eine weitgehende Symmetrierung der Belastung des speisenden Netzes erzielen. Die Kleinheit der entnommenen Leistungsbeträge ermöglicht es, die räumlichen Abstände der Energiestützpunkte verhältnismässig klein zu halten und damit günstige Voraussetzungen für die anzustrebende Gleichheit der Leistungsentnahme in benachbarten Abschnitten zu schaffen. Durch die Kleinheit der Leistungsentnahme in den einzelnen Unterwerken lässt sich weiterhin erreichen, dass auch grössere Abweichungen der Leistungsbeträge voneinander verhältnismässig kleine Absolutwerte der Leistungsdifferenzen entstehen lassen, wodurch die Symmetrierung - also das Ergebnis der Durchmischung der durch die kleinen Leistungen bedingten grossen Zahl von Mischungselementen - wesentlich verbessert wird.

Bei den als Folge der Anwendung der Erfindung sich ergebenden geringen Entfernungen zwischen den Unterwerken gehen die Spannungsabfälle auf der Fahrleitung auf einen Bruchteil der Werte des heutigen Systems zurück, so dass Bedenken hinsichtlich des Entstehens zu grosser Spannungsabfälle einer dauernden betriebsmässigen Auftrennung der Fahrleitung zwischen den einzelnen Unterwerken nicht mehr entgegenzustehen brauchen. Dieser Vorteil gilt auch für Anlagen mit solchen Unterwerken, die nur Transformatoren, aber keine Umrichter enthalten.

Um zu verhindern, dass die den einzelnen Umrichterstationen zufliessenden Unterwellenströme im Netz verschiedene Schliessungswege finden, wodurch eine Symmetrierung, wie erläutert, unmöglich würde, sind, wenn nötig, nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Energiestützpunkte in Gruppen zu jeweils durch 3 teilbaren Anzahlen von Einheiten zusammengefasst, und diese Gruppen sind je für sich aus dem Drehstromnetz freitragend so angeordnet, dass jeweils drei zusammengefasste kleine Unterwerke (oder <Nicht lesbar> davon) in ihrer 16 2/3 Hz-Spannung auf der Fahrleitungsseite um 120 elektrische Grade gegeneinander versetzt bzw. sechs Werke (oder <Nicht lesbar> davon) in ihrer Spannung um jeweils 60 elektrische Grade versetzt sind.

Dadurch ist dafür gesorgt, dass die den einzelnen Unterwerken aus dem Drehstromnetz zufliessenden Leistungsbeträge auf vom übrigen Netz getrennten Sammelschienen <Nicht lesbar> geführt werden, dass also ein bestimmter Weg der Leistungen erzwungen wird. Die eine Symmetrierungsgruppe angehörenden Umrichter sind als oberspannungsseitig durch eine Sammelschiene zusammengefasst und erst von dieser Zusammenfassung aus mit dem Landesnetz über eine Fernleitung verbunden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

1 ist das Drehstromnetz der Landesstromversorgung mit 50 Hz, das von den Kraftwerken 2, 3 und 4 gespeist wird. 5 sind voneinander getrennte Fahrleitungsabschnitte. Sie sind aus Unterwerken 6 freitragend mit 16 2/3 Hz gespeist. Die Unterwerke, die Umrichter und gegebenenfalls auch nur Transformatoren enthalten, besitzen unter sich gleiche Nennleistung. Die Fahrleitungsabschnitte sind dagegen verschieden lang je nach der örtlich verschiedenen spezifischen Streckenbelastung. Die Unterwerke 6 sind in jeweils durch 3 teilbaren Anzahl zu Gruppen zusammengefasst und diese durch eine Sam- melschiene 7 bzw. 8 untereinander verbunden, die ihrerseits über eine Fernleitung 9 an das Drehstromnetz 1 der Landesstromversorgung freitragend angeschlossen ist. Die Pfeile 10 veranschaulichen die Angriffspunkte der Bahnleistung, die Pfeile 11 geben die jeweilige Lage der in benachbarten Fahrleitungsabschnitten gegeneinander phasenverschobenen Spannungsvektoren der Lastanteile an. Im Bereich der an der Sammelschiene 7 hängenden Unterwerksgruppe (6 Unterwerke) sind die Spannungsvektoren der Lastanteile um je 60 elektrische Grade und im Bereich der Sammelschiene 8 (3 Unterwerke) um je 120 elektrische Grade gegeneinander versetzt.

Claims (2)

1. Anordnung zur Stromversorgung elektrischer Fernbahnen aus einem Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Bahnenergiestützpunkten (Unterwerken, Umrichterwerken) gleicher Ausbaugrösse mit Umrichtern und bzw. oder Transformatoren zur freitragenden Speisung der einzelnen Fahrleitungsabschnitte vorgesehen ist, deren Nenndauerleistung im unteren Grenzfall so klein ist, dass die grösste Bahneinzellast unter den ungünstigsten Streckenbetriebsverhältnissen gerade noch mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit über den zugeordneten Fahrleitungsabschnitt fahren kann, im oberen Grenzfall doppelt so gross.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestützpunkte in Gruppen zu jeweils durch 3 teilbaren Anzahlen von Stützpunkten zusammengefasst und diese Gruppen je für sich aus dem Drehstromnetz freitragend so gespeist sind, dass jeweils drei zusammengefasste kleine Unterwerke in ihrer Unterspannung auf der Fahrleitungsseite um je 120 bzw. jeweils sechs Unterwerke in ihrer Unterspannung um je 60 elektrische Grade gegeneinander versetzt sind.