DEP0053241DA

DEP0053241DA - Arrangement for the power supply of electric long-distance railways from a three-phase network

Info

Publication number: DEP0053241DA
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Tennenlohe bei Erlangen Rambold
Original assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Current assignee: Siemens Schuckertwerke AG
Publication date: 1951-04-12

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.So far, for the power supply of electric long-distance railways that are sold at 16 2/3 Hz, for economic reasons, the smallest possible number of substations arranged along the connected overhead line. Therefore, relatively high outputs were concentrated in the individual substations. The substations had different sizes with 2, 3, 4 and more transformers.

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.In order to be able to use the three-phase grid with 50 Hz for the energy supply of the electric railways, the proposal has been made to install converters to convert the frequency 50 Hz into 50/3 Hz (= 16 2/3 Hz) in the above-mentioned substations. Since the catenary is switched through in its entire extent, the converters work in parallel with the 16 2/3 Hz railway power plants via the catenary. This proposal is therefore a network operation between the railway power plants and the state power plants. In connection with this, it was pointed out that rigid converters can also be used in such a network system if the converter output is in an appropriate relationship to the output of the railway power plants.

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.Others suggested that it should also be considered whether the contact lines between these large substations or converter stations could be separated in order to create the possibility of the 16 2/3 Hz voltages of three successive converter stations against each other by 120 electrical degrees on the contact line side to move. This would allow the single-phase total load to be distributed roughly asymmetrically across the national grid.

Diesen Gedankengängen stehen aber in ihrer derzeitigen Form erhebliche Schwierigkeiten entgegen, so dass ihre Verwirklichung bisher nicht in Betracht kommen konnte:In their current form, however, these lines of thought stand in the way of considerable difficulties, so that their implementation has not yet been considered:

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:If the strong national networks to which the converter stations are connected become asynchronous from one another, for example as a result of network disturbances, then these networks are connected to one another via the converter when the contact line is switched through. So that these are not damaged by equalizing currents, they have to interrupt the power flow as quickly as possible by means of grid voltage, since an interruption in the corresponding contact line coupling points would hardly be possible in time due to the switching devices there. As a result, very large areas of the contact line may be dead, which does not appear to be acceptable for driving operations. This is where the invention comes into play on the underlying considerations:

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.As a consequence of the last-mentioned considerations to ensure undisturbed driving, it initially appears important that the contact lines between the individual converter stations are disconnected from the outset. However, with the current arrangement of the substations, the contact lines must not be disconnected during normal operation, as otherwise the voltage drops on the contact line assume inadmissibly high values. Such a measure could therefore only be taken for a temporary emergency operation in the previous systems.

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.Because of this, the conversion of the single-phase load into a load that is symmetrical for the three-phase system by shifting the supply voltage by 120 electrical degrees fails with the previous track systems. Such a balancing of the load on the three-phase network is of paramount importance for the possibility of using converters in a large-scale supply, since the 16 2/3 Hz sub-wave with about 60% of the power that is transferred via the converters into the three-phase network increases the risk of overloading the Three-phase generators can bring with them, especially if these, as is usually the case, are not equipped with damper windings. In addition, the voltage drops of the 16 2/3 Hz currents in the three-phase power grid could cause light to flicker, where- possible in large areas. There would hardly be any means of subsequently eliminating such a contamination of the network.

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.Even if it were possible to separate the contact lines between the converter substations of the previous systems in stationary operation, this would still not provide sufficient symmetry. Because in order to achieve this, at least as a first approximation, it would ideally have to be possible to combine power components of exactly the same size and shifted by 120 electrical degrees in each case in three contact line sections. However, since the large substations are arranged very far apart (usually 70 to 100 km) for reasons of economy, the services of successive rail energy support points usually come from contact line areas with different traffic volumes; the services are therefore of different sizes. This difference is already expressed in the fact that the substations in the current system are dimensioned for different expansion capacities.

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.But even with the same power of three support points in the network, the large support point distance would not allow a symmetrical three-phase power, in which the 16 2/3 Hz sub-wave component could no longer be determined, since the sub-wave currents that are not related to the network frequency do not enter the power unit controller Power stations set distribution of the 50 Hz fundamental wave power, but rather are distributed as quasi-stray currents solely according to the reactances of the network, the power stations and the consumers. The sub-wave currents flowing to the substations therefore find various closing paths in the three-phase power distribution network and can therefore not be brought into congruence for the purpose of balancing. They can also occur individually in the generators and load them asymmetrically. A compensation of the asymmetries is therefore only imperfectly possible in such systems; In the case of unfavorable preconditions, which cannot be clarified in the advance planning, it will not be sufficient to reliably prevent overloading of the generators and the highly undesirable flickering of light.

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.According to the invention, it is proposed to arrange a large number of rail energy support points of the same size with converters and / or transformers for the self-supporting supply of the individual contact line sections. According to the invention, the nominal continuous output of the individual energy support points is to be kept as small as possible, and in the lower limit case so small that the greatest single rail load under the most unfavorable line operating conditions (especially incline, road load) on which the planning must be based, barely with the prescribed speed can travel over the assigned contact line section, twice as high in the upper limit case. The length of the individual cantilever line sections fed in a cantilevered manner is generally different, according to the respective specific line load; the same nominal load applies to each contact line section or to the energy support point that feeds it.

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.The cantilever feed of the overhead contact line, which is divided into separate sections, ensures that the contact line feed remains unaffected by the state networks becoming asynchronous with respect to one another and with the rail network.

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.The fact that the same and, above all, the smallest possible amounts of power are drawn from the state network from the outset in the individual substations means that the load on the feeding network can be largely balanced. The smallness of the withdrawn power amounts makes it possible to keep the spatial distances between the energy support points relatively small and thus to create favorable conditions for the aspired equality of power consumption in adjacent sections. Due to the small size of the power extraction in the individual substations, it can also be achieved that even larger deviations of the power amounts from one another give rise to relatively small absolute values of the power differences, whereby the symmetrization - i.e. the result of the mixing of the large number of mixing elements caused by the small powers - is essential is improved.

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.The voltage drops go over the short distances between the substations resulting from the application of the invention on the overhead contact line to a fraction of the values of the current system, so that concerns about the occurrence of excessive voltage drops no longer need to be opposed to a permanent operational separation of the overhead line between the individual substations. This advantage also applies to systems with substations that only contain transformers but no converters.

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.In order to prevent the sub-wave currents flowing to the individual converter stations from finding different closing paths in the network, which would make balancing, as explained, impossible, according to a further proposal of the invention, the energy support points are, if necessary, in groups of numbers of units divisible by 3 combined, and these groups are each cantilevered from the three-phase network so that three small substations (or <illegible> of them) are each offset by 120 electrical degrees in their 16 2/3 Hz voltage on the catenary side. six works (or <illegible> of them) are offset in their tension by 60 electrical degrees each.

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.This ensures that the amounts of power flowing into the individual substations from the three-phase network are conducted on busbars <illegible> that are separate from the rest of the network, so that a certain path of the services is enforced. The converters belonging to a balancing group are combined on the high-voltage side by a busbar and only from this combination are connected to the national network via a long-distance line.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is explained below using an exemplary embodiment.

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.1 is the three-phase network of the national power supply with 50 Hz, which is fed by power plants 2, 3 and 4. 5 are separate contact line sections. They are fed from substations 6 in a self-supporting manner at 16 2/3 Hz. The substations, which contain converters and possibly also only transformers, have the same nominal power. The catenary sections, on the other hand, are of different lengths depending on the locally different specific route loads. The substations 6 are combined into groups in numbers divisible by 3 and these are Melschiene 7 and 8 connected to each other, which in turn is cantilevered via a trunk line 9 to the three-phase network 1 of the national power supply. The arrows 10 illustrate the points of application of the railway power, the arrows 11 indicate the respective position of the voltage vectors of the load components which are phase-shifted from one another in adjacent contact line sections. In the area of the substation group (6 substations) hanging on the busbar 7, the voltage vectors of the load components are offset by 60 electrical degrees each and in the area of the busbar 8 (3 substations) by 120 electrical degrees.

Claims

1. Arrangement for the power supply of electric long-distance railways from a three-phase network, characterized in that a large number of rail energy support points (substations, converter stations) of the same size with converters and / or transformers for the self-supporting supply of the individual contact line sections is provided, the rated continuous power of which is so small in the lower limit case that the largest single rail load under the most unfavorable line operating conditions can still travel at the prescribed speed over the assigned catenary section, in the upper limit case twice as high.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the energy support points are summarized in groups of numbers of support points divisible by 3 and these groups are each independently fed from the three-phase network so that three small substations are combined in their undervoltage on the catenary side are offset from one another in their undervoltage by 60 electrical degrees each by 120 or six substations each.