EP4327349A1 - Gleichstrom-schalteinrichtung - Google Patents

Gleichstrom-schalteinrichtung

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Publication number
EP4327349A1
EP4327349A1 EP21728443.9A EP21728443A EP4327349A1 EP 4327349 A1 EP4327349 A1 EP 4327349A1 EP 21728443 A EP21728443 A EP 21728443A EP 4327349 A1 EP4327349 A1 EP 4327349A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching device
current
sub
switches
interrupter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21728443.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg DORN
Dominik ERGIN
Hans-Peter KRÄMER
Christian Schacherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4327349A1 publication Critical patent/EP4327349A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/60—Switches wherein the means for extinguishing or preventing the arc do not include separate means for obtaining or increasing flow of arc-extinguishing fluid
    • H01H33/66—Vacuum switches
    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6661—Combination with other type of switch, e.g. for load break switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/10—Adaptation for built-in fuses
    • H01H9/106—Adaptation for built-in fuses fuse and switch being connected in parallel

Definitions

  • DC circuit breakers are generally intended for switching load and fault currents. The ability to switch off DC residual currents quickly several times and then switch them back on again is often required, for example in the case of a so-called auto closure. Such DC circuit breakers are generally complex and expensive.
  • a short-circuit current limiter which is provided for alternating currents is known from the international patent application WO 2020/064558 A1.
  • the invention is based on the object of specifying a direct current switching device for high-voltage applications and a method for switching off a direct current in a high-voltage direct current network, which can be implemented at low cost.
  • each sub-switch has an interrupter unit (arranged in a rated current path) and (in a parallel current path) a current-limiting unit connected in parallel to the interrupter unit, the current-limiting unit having a fuse element.
  • the sub-switches have a comparatively simple structure. By connecting in series The dielectric strength of the DC switching device can be easily scaled with several sub-switches. A very high dielectric strength can be achieved with a corresponding number of sub-switches electrically connected in series.
  • the fuse element is in particular a current-limiting fuse element. In the following, high voltage is understood to mean voltages greater than 20 kV.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the fuse element is a (disposable) fusible element.
  • a fuse element is very inexpensive.
  • a direct current switching device realized in this way can only be used once to switch off a direct current at high-voltage potential; after that the safety fuse element has to be replaced. In many applications, however, such a one-off switch-off is sufficient.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • a surge arrester is connected in parallel with the interrupter unit.
  • the surge arrester can be designed in particular as a non-linear ohmic resistor or as a metal oxide varistor.
  • the overvoltage arrester can advantageously protect the respective sub-switch against overvoltage, can absorb energy or influence the voltage distribution to the individual sub-switches, for example bring about an even voltage distribution. Furthermore, the switch-off processes of the individual sub-switches can be decoupled from one another by the surge arrester.
  • the DC switching device can also be designed in such a way that
  • the current-limiting unit has a component with a non-linear conductivity (non-linear component), which is in series with the fuse element (in the parallel current path). is switched.
  • the component can be, for example, a diode, an IGBT, a thyristor, a GTO, a bipolar transistor or a MOSFET.
  • a current-flow-related unidirectional component (such as a diode) can be used, or a bidirectional component (or two unidirectional components connected anti-parallel).
  • the component will slightly increase the forward voltage in the current path of the fuse element. This means that in normal operation almost all of the (load) current flows through the interrupter unit.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the current limiting unit is assigned a switch which electrically connects the fuse element to the interrupter unit in a closed state and separates the fuse element from the interrupter unit in a ge opened state.
  • the switch can be designed in such a way that in the closed state it electrically connects a connection of the fuse element to the interrupter unit and in the open state disconnects the connection of the fuse element from the interrupter unit.
  • the switch can be connected in series with the fuse element. The switch is particularly advantageous if (for example due to a low current to be switched off) the fuse element does not trip completely and the fuse element is therefore still conductive with an undefined conductivity at the end of the switch-off process. In the sem case, an isolation in the switch by means of current path of the interrupter unit (parallel current path) can be reached. The switch then forms an additional isolation path in this current path.
  • the switch can also be designed as a load switch in order to be able to interrupt a possible residual current.
  • a vacuum switch with a vacuum switching gap can also be advantageous here due to its very good insulating properties.
  • Gas switches or switches with a liquid insulating medium such as esters or oils are also possible.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • a circuit is arranged parallel to the interrupter unit of the sub-switches, each circuit having at least one electrical component and the circuits of the individual sub-switches affecting the voltages occurring across the sub-switches in the manner of a voltage divider.
  • the voltage divider can in particular be a resistive voltage divider or an ohmic-capacitive voltage divider (with R-C elements); it is also possible, for example, to use a resistive voltage divider and a resistive-capacitive voltage divider which are connected in parallel. As a result, the voltage distribution between the sub-switches of the series circuit can advantageously be influenced.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the circuits are selected in such a way that essentially the same voltages occur across the sub-switches. be achieved.
  • a voltage symmetrization can therefore be achieved with advantage.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the interrupter unit has two switching paths (connected in series).
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • a first switching path of the interrupter unit is formed by a vacuum interrupter chamber.
  • a second interrupter of the interrupter unit may be formed by a second vacuum interrupter chamber (or by an interrupter comprising a different insulating medium, for example a gas, an ester or an oil).
  • the second interrupter can be a gas interrupter, an esther interrupter, or an oil interrupter.
  • the commutation of the current in the current-limiting unit can be improved by the second switching path. This is particularly advantageous when the arc voltage that occurs when a single switching gap of a vacuum interrupter chamber is opened is too low for rapid commutation.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • Each partial switch is assigned its own control circuit and its own drive (which are designed to open the interrupter unit).
  • each sub-switch can switch independently of the other sub-switches, which reduces the risk of failure of the entire DC switching device.
  • the drive for moving switching contacts of the interrupter unit (in particular for moving switching contacts of the vacuum interrupter chamber) can be an electromagnetic, mechanical or chemical drive, for example.
  • a chemical drive for example, has the advantage of a very low intrinsic time and a high arc voltage when opening (especially blasting open) the switching contacts. The energy supply to the drive can be isolated if the drive is at a high-voltage potential.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • the drive circuit is connected to a central controller, with the central controller synchronizing the drive circuits of the individual sub-switches. As a result, the sub-switches can be opened essentially simultaneously.
  • the DC switching device can be designed in such a way that
  • a disconnector is arranged in series with the sub-switches.
  • the circuit breaker can also be suitable for switching off any residual currents.
  • Such residual currents can be less than 20 A, for example, preferably less than 1 A.
  • a high-voltage direct current network is also disclosed, which has high-voltage cables and a direct current switching device according to one of the variants described above.
  • Each sub-switch has an interrupter unit (arranged in a rated current path) and (in a parallel current path) a current-limiting unit connected in parallel to the interrupter unit, the current-limiting unit having a fuse element, with the method - in normal operation, the current flows (essentially) through the interrupter units of the sub-switches,
  • the interrupter units of the sub-switches are opened, whereupon the current in the current-limiting units of the sub-switches is commutated, and
  • the procedure can be carried out in such a way that
  • the total voltage applied to the direct-current switching device is distributed substantially evenly to the sub-switches. This can be achieved, for example, with the surge arrester or the Be circuit.
  • the DC switching device and the method have similar properties and/or advantages.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a direct-current switching device arranged in a high-voltage direct-current network, in
  • Figure 2 shows an embodiment of a direct current
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a partial switch with nonlinear components connected in parallel, in
  • Figure 4 shows an embodiment of a partial switch with a an additional switch in the current limiting unit, in
  • Figure 5 shows another embodiment of a partial switch with an additional switch
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a partial switch with a circuit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a DC switching device 1 for high-voltage applications.
  • This direct-current switching device 1 has a series circuit made up of similar sub-switches TI to Tn.
  • the first sub-switch TI has an interrupter unit SW1 arranged in a rated current path 4 of the DC switching device 1 .
  • the interrupter unit SW1 can, for example, be designed as a mechanical switch, for example as a vacuum interrupter chamber.
  • a current limiting unit 10 is arranged in parallel with the interrupter unit SW1 (in a parallel current path 7).
  • the current-limiting unit 10 has a (in particular current-limiting) fuse element Fl.
  • the fuse element Fl is designed as a single-use fuse element Fl.
  • the interrupter unit SW1 and the current limiting unit 10 are electrically connected in parallel.
  • Each sub-switch Tn is assigned its own drive circuit ASn and its own drive ATn.
  • the control circuit ASn and the drive ATn are designed to open the interrupter unit electrically when required.
  • a first drive ATI and a first control circuit AS1 are assigned to the first sub-switch TI.
  • the control circuits AS1 to ASn are connected to a central controller 15 .
  • "Central" means here that the controller 15 several or all sub-switches of the DC switching assigned to direction 1.
  • the central controller 15 can be, for example, a central controller 15 of the direct-current switching device or a central controller 15 of the high-voltage direct-current system.
  • the central controller 15 sends opening signals (opening commands, opening commands) to the individual control circuits AS1 to ASn.
  • the central controller 15 sends the opening signals in a synchronized manner, in particular simultaneously, to the drive circuits, so that the drive circuits ideally open the interrupter units SW1 to SWn simultaneously by means of the respective drives.
  • the first drive circuit AS1 communicates with the central controller 15. If the central controller 15 sends an opening signal to the drive circuit AS1, then this opening signal is implemented. For this purpose, the drive ATI is controlled accordingly, so that this drive ATI opens the interrupter unit SW1.
  • the control circuit AS1 can also monitor the status of the security element Fl and/or the status of the drive ATI. The status of these components can be reported back to the central controller 15.
  • the other sub-switches T2 to TN are designed in the same way.
  • An isolating switch 18 is optionally arranged in series with the sub-switches TI to TN. This isolating switch 18 enables galvanic isolation of the rated current path 4.
  • a (discrete) inductance 19 (in the form of an inductance component) can optionally also be connected in series with the sub-switches TI to TN, whereby in the event of a fault the maximum current rise di/dt is limited.
  • the DC switching device 1 is (via the optional circuit breaker 18 and the optional inductance 19) connected to high-voltage cables 21 of a high-voltage direct-current network N, not shown in detail.
  • the interrupter unit SW1 can be formed by a vacuum interrupter chamber, for example.
  • the company breaker unit also have two series-connected switching paths.
  • a first switching path of the interrupter unit can be formed, for example, by a first vacuum interrupter chamber and a second switching path can be formed by a second vacuum interrupter chamber.
  • the first interrupter can be formed by a vacuum interrupter chamber and the second interrupter can be formed by a different interrupter, for example a gas interrupter, an ester interrupter or an oil interrupter.
  • a vacuum interrupter chamber can therefore advantageously be used as the interrupter unit SW1, but other interrupter chambers such as a gas-insulated interrupter chamber can also be used.
  • a high arc voltage is advantageous for commutation of the current in the parallel current path.
  • the arc voltage can advantageously be increased by various measures:
  • the arc can be mechanically stretched or constricted, resulting in a higher arc voltage.
  • Cooling plates can be used, which cool the arc and divide it into several individual arcs, which also increases the resulting arc voltage.
  • the arc can be cooled using an insulating medium.
  • an insulating medium can be gaseous (e.g. SF6).
  • Such an insulating medium can also be a solid insulating medium (for example polytetrafluoroethylene PTFE, which is also known colloquially as Teflon), which vaporizes when it comes into contact with the arc.
  • the fuse element Fl is designed as a one-time switching element.
  • the fuse element Fl triggers (opens) when the current flowing through the fuse element exceeds a predetermined current-time area (JI 2 dt value). tet.
  • JI 2 dt value a predetermined current-time area
  • fuse elements with different JI 2 dt values can be used.
  • the fuse elements do not have to be designed for the maximum rated current of the DC switching device, which means that smaller operational currents and not just high fault currents (such as short-circuit currents) can also be switched off.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the DC switching device 1, in which an overvoltage arrester MOV is connected in parallel with the interrupter unit SW (and thus also in parallel with the current limiting unit 10).
  • This surge arrester MOV can be configured in particular as a non-linear ohmic resistor or as a metal oxide varistor.
  • These overvoltage arresters MOV1 to MOVn decouple the switching operations of the individual sub-switches TI to Tn from one another.
  • These surge arresters MOV1 to MOVn can also absorb energy that is released, for example, when switching off due to inductances in the circuit.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a partial switch, for example an exemplary embodiment of the partial switch TI.
  • Two components D1, D2 with a non-linear conductivity are connected in series with the security element F1.
  • this involves a first diode D1 and a second diode D2.
  • the first diode D1 and the second diode D2 are connected in anti-parallel.
  • the back-to-back connection of the two diodes makes it possible to use the direct-current switching device for direct currents flowing in both directions.
  • the DC switching device is only suitable for one direction of current.
  • another component can also be used as a component with a non-linear conductivity, for example an IGBT. a thyristor, a GTO, a bipolar transistor or a MOSFET.
  • the forward voltage in the current path with the current limiting unit 10 is increased by the component or components with non-linear conductivity D1, D2.
  • the current flowing through the DC switching device 1 flows almost entirely through the interrupter unit SW1 (and not through the fuse element F1). This avoids premature aging of the fuse Fl.
  • FIG 4 shows an exemplary embodiment of a partial switch in which an additional switch S1 is arranged in the current path 7 of the current limiting unit 10, which electrically connects the fuse element Fl to the interrupter unit SW1 in its closed state and disconnects the fuse element Fl from the interrupter unit SW1 in its open state Interrupter unit SW1 separates.
  • This switch S1 is therefore assigned to the current-limiting unit 10 .
  • the switch S1 (in the parallel current path 7) is connected in series with the fuse element Fl.
  • the switch S1 is particularly advantageous in cases where the fuse element Fl does not fully trip, i. H.
  • the safety fuse element Fl does not completely burn out all the time. This can happen, for example, if a relatively low direct current is to be switched off by means of the direct current switching device 1 .
  • the fuse element F1 can still be conductive at the end of the switch-off process, with the conductivity being undefined, i.e. it cannot be estimated in advance.
  • the switch S1 provides an additional isolation gap for isolation in the parallel branch/parallel current path 7 .
  • the switch S1 can preferably be opened at the point in time at which the safety element F1 opens.
  • the surge arrester MOV and / or the diodes Dl and D2 in the embodiment shown in Figure 4 are op- national; In other exemplary embodiments, the surge arrester MOV and/or the diodes D1 and D2 can also be left out.
  • a further switching circuit can also be arranged parallel to the interrupter unit SW1, as is described, for example, in connection with FIG.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a partial switch in which the additional switch S1 is arranged in the parallel current path 7 in such a way that it separates not only the fuse element F1 but also the surge arrester MOV from the rated current path 4.
  • the partial switch in FIG. 5 can be used to particular advantage when a high-impedance circuit is connected in parallel with the surge arrester MOV.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a partial switch T in which a circuit 603 is arranged in parallel with the interrupter unit SW1 (and thus in parallel with the current-limiting unit 10).
  • This additional wiring 603 ensures a defined, essentially uniform voltage distribution to the individual sub-switches T of the series connection of the DC switching device 1.
  • the wiring 603 is shown in FIG. 6 merely as a schematic block.
  • This wiring 603 can contain various electrical elements, for example a (particularly high-impedance) ohmic resistor for the purpose of static voltage distribution to the individual sub-switches.
  • the wiring 603 can also be a series circuit made up of a resistor R and a capacitor C, so that an ohmic-capacitive voltage divider is formed across the individual partial switches Tn.
  • the wiring contains a capacitor, then the wiring is preferably used for dynamic voltage distribution to the individual sub-switches.
  • static and dynamic stress distribution can tion/voltage balancing are used, ie in the wiring, for example, an ohmic resistor and an RC element can be connected in parallel.
  • the direct current switching device described and the method described can be used to advantage in particular in a high-voltage direct current network which has high-voltage cables.
  • the direct current switching device and the method can be used in high-voltage direct current transmission systems for point-to-point transmissions as well as for multi-terminal transmissions/applications.
  • faults occur less frequently (compared to overhead line networks) and are usually permanent, i. H. constantly. Therefore, in such high-voltage direct-current cable networks, the direct-current switching device described, with its one-off disconnection capability, is often sufficient.
  • the direct-current switching device and the method are much more cost-effective than a direct-current circuit breaker with a high possible switching frequency and rapid reconnection capability, resulting in a very cost-effective disconnection solution, particularly for pure high-voltage cable systems.
  • the direct current switching device described can therefore preferably be used in high-voltage direct current systems whose line systems (in particular exclusively) are realized by high-voltage cables.
  • so-called XLPE cables plastic-insulated cables
  • XLPE cables plastic-insulated cables
  • the direct current switching device described and the method described are based on the use of fuse elements and make it possible to provide a switch-off option for direct current fault currents with very few and cost-effective components.
  • the reduced performance of the switching device described and the method described in relation to other conceivable solutions the switching frequency and the ability to switch back on is not a problem, especially for high-voltage direct current projects with pure cable systems; this partially reduced performance is offset by a considerable price advantage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Schalteinrichtung (1) für Hochspannungsanwendung, bei der mehrere gleichartige Teilschalter (T1 - Tn) in einer Reihenschaltung geschaltet sind. Jeder Teilschalter (T1 - Tn) weist eine Unterbrechereinheit (SW1 - SWn) und eine zu der Unterbrechereinheit parallel geschaltete Strombegrenzungseinheit (10) auf, wobei die Strombegrenzungseinheit (10) ein Sicherungselement (F1 - Fn) aufweist.

Description

Beschreibung
Gleichstrom-Schalteinrichtung
Gleichstrom-Leistungsschalter sind in der Regel für das Schalten von Last- und Fehlerströmen vorgesehen. Dabei wird oft die Fähigkeit zum mehrmaligen schnellen Abschalten von DC-Fehlerströmen mit anschließender Wiederzuschaltung gefor dert, zum Beispiel bei einem sogenannten Auto Reclosure. Sol che Gleichstrom-Leistungsschalter sind in der Regel komplex aufgebaut und teuer.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2020/064558 Al ist ein Kurzschlussstrombegrenzer bekannt, der für Wechselströme vorgesehen ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrom- Schalteinrichtung für Hochspannungsanwendung und ein Verfah ren zum Abschalten eines Gleichstroms in einem Hochspannungs gleichstromnetz anzugeben, die kostengünstig realisiert wer den können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gleich strom-Schalteinrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhän gigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Gleichstrom-Schalteinrichtung und des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Offenbart wird eine Gleichstrom-Schalteinrichtung für Hoch spannungsanwendung, bei der
- mehrere gleichartige Teilschalter in einer Reihenschaltung geschaltet sind,
- jeder Teilschalter eine (in einem Nennstrompfad angeordne te) Unterbrechereinheit und (in einem Parallelstrompfad) eine zu der Unterbrechereinheit parallel geschaltete Strombegren zungseinheit aufweist, wobei die Strombegrenzungseinheit ein Sicherungselement aufweist. Die Teilschalter sind dabei ver gleichsweise einfach aufgebaut. Durch die Reihenschaltung von mehreren Teilschaltern kann die Spannungsfestigkeit der Gleichstrom-Schalteinrichtung einfach skaliert werden. Bei einer entsprechenden Anzahl von elektrisch in Reihe geschal teten Teilschaltern kann eine sehr hohe Spannungsfestigkeit erreicht werden. Das Sicherungselement ist insbesondere ein strombegrenzendes Sicherungselement. Unter Hochspannung wer den im Folgenden Spannungen größer als 20 kV verstanden.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- das Sicherungselement ein (einmal verwendbares) Schmelzsi cherungselement ist. Ein solches Schmelzsicherungselement ist sehr kostengünstig. Eine so realisierte Gleichstrom- Schalteinrichtung kann zwar nur einmal zum Abschalten eines Gleichstroms auf Hochspannungspotential verwendet werden; da nach muss das Schmelzsicherungselement ersetzt werden. Bei vielen Anwendungen ist aber ein solches einmaliges Abschalten ausreichend.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- parallel zu der Unterbrechereinheit ein Überspannungsablei ter geschaltet ist. Dabei kann der Überspannungsableiter ins besondere als ein nichtlinearer ohmscher Widerstand oder als ein Metalloxidvaristor ausgestaltet sein. Der Überspannungs ableiter kann vorteilhafterweise den jeweiligen Teilschalter vor Überspannung schützen, kann Energie aufnehmen oder die Spannungsverteilung auf die einzelnen Teilschalter beeinflus sen, zum Beispiel eine gleichmäßige Spannungsverteilung her beiführen. Weiterhin können durch den Überspannungsableiter die Abschaltvorgänge der einzelnen Teilschalter voneinander entkoppelt werden.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann auch so ausgestaltet sein, dass
- die Strombegrenzungseinheit ein Bauelement mit einer nicht linearen Leitfähigkeit (nichtlineares Bauelement) aufweist, das mit dem Sicherungselement (im Parallelstrompfad) in Reihe geschaltet ist. Das Bauelement kann beispielsweise eine Dio de, ein IGBT, ein Thyristor, ein GTO, ein Bipolartransistor oder ein MOS-FET sein. Es kann ein stromflussbezogen unidi- rektionales Bauelement (wie beispielsweise eine Diode) einge setzt werden oder ein bidirektionales Bauelement (beziehungs weise zwei antiparallel geschaltete unidirektionale Bauele mente). Durch das Bauelement wird vorteilhafterweise die Durchlassspannung in dem Strompfad des Sicherungselements ge ringfügig erhöhen. Dadurch kann erreicht werden, dass im Nor malbetrieb nahezu der gesamte (Last-)Strom über die Unterbre chereinheit fließt. Dadurch wird vermieden, dass ein nennens werter Teil des Stroms dauerhaft über die Strombegrenzungs einheit fließt. So wird eine vorzeitige Alterung der Strombe grenzungseinheit vermieden, die zu einer Erhöhung des Durch lasswiderstandes der Strombegrenzungseinheit und zu einer Verschlechterung der Kommutierung des Stroms von der Unter brechereinheit zu der Strombegrenzungseinheit während des Ab- schaltvorgangs führen könnte.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- der Strombegrenzungseinheit ein Schalter zugeordnet ist, der in einem geschlossenen Zustand das Sicherungselement mit der Unterbrechereinheit elektrisch verbindet und in einem ge öffneten Zustand das Sicherungselement von der Unterbrecher einheit trennt.
Insbesondere kann der Schalter so ausgestaltet sein, dass er in dem geschlossenen Zustand einen Anschluss des Sicherungs elements mit der Unterbrechereinheit elektrisch verbindet und in dem geöffneten Zustand den Anschluss des Sicherungsele ments von der Unterbrechereinheit trennt. Der Schalter kann insbesondere in Reihe mit dem Sicherungselement geschaltet sein. Der Schalter ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn (zum Beispiel aufgrund eines geringen abzuschaltenden Stroms) das Sicherungselement nicht vollständig auslöst und dadurch das Sicherungselement am Ende des Abschaltvorgangs immer noch leitfähig ist mit einer Undefinierten Leitfähigkeit. In die sem Fall kann mittels des Schalters eine Isolation in dem Strompfad der Unterbrechereinheit (Parallelstrompfad) er reicht werden. Der Schalter bildet dann eine zusätzliche Iso lationsstrecke in diesem Strompfad.
Der Schalter kann auch als ein Lastschalter ausgestaltet sein, um einen möglichen Reststrom unterbrechen zu können.
Von Vorteil kann hier auch ein Vakuumschalter mit einer Vaku- umschaltstrecke aufgrund deren sehr guten Isolationseigen schaften sein. Möglich sind auch Gasschalter oder Schalter mit einem flüssigen Isolationsmedium wie Ester oder Öle.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann dabei so ausgestaltet sein, dass
- der Schalter (in dem Parallelstrompfad) in Reihe mit dem Sicherungselement geschaltet ist.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- parallel zu der Unterbrechereinheit der Teilschalter je weils eine Beschaltung angeordnet ist, wobei jede Beschaltung mindestens ein elektrisches Bauelement aufweist und durch die Beschaltungen der einzelnen Teilschalter die über den Teil schaltern auftretenden Spannungen nach Art eines Spannungs teilers beeinflusst werden. Dabei kann der Spannungsteiler insbesondere ein resistiver Spannungsteiler oder ein ohmsch kapazitiver Spannungsteiler (mit R-C-Gliedern) sein; es kön nen auch zum Beispiel ein resistiver Spannungsteiler und ein ohmsch-kapazitiver Spannungsteiler verwendet werden, welche parallelgeschaltet sind. Dadurch kann vorteilhafterweise die Spannungsaufteilung zwischen den Teilschaltern der Reihen schaltung beeinflusst werden.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- die Beschaltungen so gewählt sind, dass über den Teilschal tern jeweils im Wesentlichen gleich große Spannungen auftre ten. Dadurch kann vorteilhafterweise eine gleichmäßige Span nungsaufteilung zwischen den Teilschaltern der Reihenschal- tung erreicht werden. Es kann also mit Vorteil eine Span nungssymmetrierung erreicht werden.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- die Unterbrechereinheit zwei (in Reihe geschaltete) Schalt strecken aufweist.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- eine erste Schaltstrecke der Unterbrechereinheit durch eine Vakuumschaltkammer gebildet ist.
Eine zweite Schaltstrecke der Unterbrechereinheit kann durch eine zweite Vakuumschaltkammer gebildet sein (oder durch eine Schaltstrecke, die ein anderes Isolationsmedium aufweist, zum Beispiel ein Gas, ein Esther oder ein Öl). Entsprechend kann die zweite Schaltstrecke eine Gas-Schaltstrecke, eine Esther- Schaltstrecke oder eine Öl-Schaltstrecke sein.
Durch die zweite Schaltstrecke kann die Kommutierung des Stroms in die Strombegrenzungseinheit verbessert werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die beim Öffnen einer einzigen Schaltstrecke einer Vakuumschaltkammer entstehende Lichtbogenspannung für eine schnelle Kommutierung zu gering ist.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- jedem Teilschalter eine eigene Ansteuerschaltung und ein eigener Antrieb zugeordnet ist (welche ausgebildet sind, die Unterbrechereinheit zu öffnen).
Dadurch kann jeder Teilschalter unabhängig von den anderen Teilschaltern schalten, was das Ausfallrisiko der gesamten Gleichstrom-Schalteinrichtung verringert. Der Antrieb zur Be wegung von Schaltkontakten der Unterbrechereinheit (insbeson dere zur Bewegung von Schaltkontakten der Vakuumschaltkammer) kann beispielsweise ein elektromagnetischer, mechanischer oder chemischer Antrieb sein. Ein chemischer Antrieb besitzt zum Beispiel den Vorteil einer sehr geringen Eigenzeit und einer hohen Lichtbogenspannung beim Öffnen (insbesondere Auf sprengen) der Schaltkontakte. Die Energieversorgung des An triebs kann dabei potentialgetrennt erfolgen, wenn sich der Antrieb auf einem Hochspannungspotential befindet.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- die Ansteuerschaltung mit einer zentralen Steuerung verbun den ist, wobei die zentrale Steuerung die Ansteuerschaltungen der einzelnen Teilschalter synchronisiert. Dadurch kann ein im Wesentlichen gleichzeitiges Öffnen der Teilschalter er reicht werden.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass
- in Reihe zu den Teilschaltern ein Trennschalter angeordnet ist.
Der Trennschalter ermöglicht vorteilhafterweise eine galvani sche Trennung des Strompfads der Gleichstrom-
Schalteinrichtung. Der Trennschalter kann auch geeignet sein, etwaige Restströme abzuschalten. Solche Restströme können beispielsweise kleiner als 20 A sein, vorzugsweise kleiner als 1 A.
Offenbart wird auch ein Hochspannungsgleichstromnetz, welches Hochspannungskabel und eine Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten aufweist.
Offenbart wird weiterhin ein Verfahren zum Abschalten eines Gleichstroms in einem Hochspannungsgleichstromnetz mittels einer Gleichstrom-Schalteinrichtung, bei der
- mehrere gleichartige Teilschalter in einer Reihenschaltung geschaltet sind,
- jeder Teilschalter eine (in einem Nennstrompfad angeordne te) Unterbrechereinheit und (in einem Parallelstrompfad) eine zu der Unterbrechereinheit parallel geschaltete Strombegren zungseinheit aufweist, wobei die Strombegrenzungseinheit ein Sicherungselement aufweist, wobei bei dem Verfahren - im Normalbetrieb der Strom (im Wesentlichen) durch die Un terbrechereinheiten der Teilschalter fließt,
- auf ein Abschaltsignal hin die Unterbrechereinheiten der Teilschalter geöffnet werden, woraufhin der Strom in die Strombegrenzungseinheiten der Teilschalter kommutiert, und
- daraufhin der Strom von den Sicherungselementen der Strom begrenzungseinheiten abgeschaltet wird.
Das Verfahren kann so ablaufen, dass
- während des Abschaltens die an der Gleichstrom- Schalteinrichtung anliegende Gesamtspannung im Wesentlichen gleichmäßig auf die Teilschalter aufgeteilt wird. Dies kann zum Beispiel durch die Überspannungsableiter oder die Be schaltung erreicht werden.
Dabei kann
- die Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Varianten ausgestaltet sein.
Die Gleichstrom-Schalteinrichtung und das Verfahren weisen gleichartige Eigenschaften und/oder Vorteile auf.
Im Folgenden wird die Gleichstrom-Schalteinrichtung und das Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu ist in
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer in einem Hochspan nungsgleichstromnetz angeordneten Gleichstrom- Schalteinrichtung, in
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Gleichstrom-
Schalteinrichtung mit Überspannungsableitern, in
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters mit an tiparallel geschalteten nichtlinearen Bauelementen, in
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters mit ei- nem zusätzlichen Schalter in der Strombegrenzungs einheit, in
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teilschal ters mit einem zusätzlichen Schalter, und in
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters mit ei ner Beschaltung dargestellt .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Gleichstrom- Schalteinrichtung 1 für Hochspannungsanwendung dargestellt. Diese Gleichstrom-Schalteinrichtung 1 weist eine Reihenschal tung aus gleichartigen Teilschaltern TI bis Tn auf. Dabei weist der erste Teilschalter TI eine in einem Nennstrompfad 4 der Gleichstrom-Schalteinrichtung 1 angeordnete Unterbrecher einheit SW1 auf. Die Unterbrechereinheit SW1 kann beispiels weise als ein mechanischer Schalter, zum Beispiel als eine Vakuum-Schaltkämmer ausgestaltet sein. Parallel zu der Unter brechereinheit SW1 ist (in einem Parallelstrompfad 7) eine Strombegrenzungseinheit 10 angeordnet. Die Strombegrenzungs einheit 10 weist im Ausführungsbeispiel ein (insbesondere strombegrenzendes) Sicherungselement Fl auf. Das Sicherungs element Fl ist im Ausführungsbeispiel als ein einmal verwend bares Schmelzsicherungselement Fl ausgebildet. Die Unterbre chereinheit SW1 und die Strombegrenzungseinheit 10 sind also elektrisch parallelgeschaltet.
Jedem Teilschalter Tn ist eine eigene Ansteuerschaltung ASn und ein eigener Antrieb ATn zugeordnet. Die Ansteuerschaltung ASn und der Antrieb ATn sind dazu ausgebildet, die Unterbre chereinheit bei Bedarf elektrisch zu öffnen. So ist bei spielsweise dem ersten Teilschalter TI ein erster Antrieb ATI und eine erste Ansteuerschaltung AS1 zugeordnet. Die Ansteu erschaltungen AS1 bis ASn sind mit einer zentralen Steuerung 15 verbunden. „Zentral" bedeutet hier, dass die Steuerung 15 mehreren oder allen Teilschaltern der Gleichstrom-Schaltein- richtung 1 zugeordnet ist. Die zentrale Steuerung 15 kann al so beispielsweise eine zentrale Steuerung 15 der Gleichstrom- Schalteinrichtung oder eine zentrale Steuerung 15 des Hoch spannungsgleichstromsystems sein. Die zentrale Steuerung 15 sendet Öffnungssignale (Öffnungskommandos, Öffnungsbefehle) an die einzelnen Ansteuerschaltungen AS1 bis ASn. Die zentra le Steuerung 15 sendet die Öffnungssignale synchronisiert, insbesondere gleichzeitig, an die Ansteuerschaltungen, so dass die Ansteuerschaltungen im Idealfall mittels der jewei ligen Antriebe die Unterbrechereinheiten SW1 bis SWn gleich zeitig öffnen.
Beispielsweise kommuniziert die erste Ansteuerschaltung AS1 mit der zentralen Steuerung 15. Wenn von der zentralen Steue rung 15 ein Öffnungssignal zu der Ansteuerschaltung AS1 ge sendet wird, dann wird dieses Öffnungssignal umgesetzt. Dazu wird der Antrieb ATI entsprechend angesteuert, sodass dieser Antrieb ATI die Unterbrechereinheit SW1 öffnet. Optional kann die Ansteuerschaltung AS1 zusätzlich den Status des Siche rungselements Fl und/oder den Status des Antriebs ATI überwa chen. Der Status dieser Bauteile kann an die zentrale Steue rung 15 rückgemeldet werden.
Die anderen Teilschalter T2 bis TN sind gleichartig ausge staltet. In Reihe zu den Teilschaltern TI bis TN ist optional ein Trennschalter 18 angeordnet. Dieser Trennschalter 18 er möglicht eine galvanische Trennung des Nennstrompfades 4. In Reihe zu den Teilschaltern TI bis TN kann optional auch eine (diskrete) Induktivität 19 (in Form eines Induktivitäts- Bauelements) geschaltet sein, wodurch im Fehlerfall der maxi male Stromanstieg di/dt begrenzt wird. Die Gleichstrom- Schalteinrichtung 1 ist (über den optionalen Trennschalter 18 und die optionale Induktivität 19) mit Hochspannungskabeln 21 eines nicht näher dargestellten Hochspannungsgleichstromnet zes N verbunden.
Die Unterbrechereinheit SW1 kann beispielsweise durch eine Vakuumschaltkammer gebildet sein. Alternativ kann die Unter- brechereinheit auch zwei in Reihe geschaltete Schaltstrecken aufweisen. Dabei kann eine erste Schaltstrecke der Unterbre chereinheit beispielsweise durch eine erste Vakuumschaltkam- mer gebildet sein und eine zweite Schaltstrecke durch eine zweite Vakuumschaltkammer gebildet sein. In einem anderen Beispiel kann die erste Schaltstrecke durch eine Vakuum schaltkammer gebildet sein und die zweite Schaltstrecke durch eine andersartige Schaltstrecke gebildet sein, beispielsweise eine Gas-Schaltstrecke, eine Ester-Schaltstrecke oder eine Öl-Schaltstrecke . Als Unterbrechereinheit SW1 kann also vor teilhafterweise eine Vakuumschaltkammer eingesetzt werden, aber auch andere Schaltkammern wie beispielsweise eine gas isolierte Schaltkammer.
Für die Kommutierung des Stroms in den Parallelstrompfad ist eine hohe Lichtbogenspannung vorteilhaft. Die Lichtbogenspan nung kann vorteilhafterweise erhöht werden durch verschiedene Maßnahmen:
Es können mehrere lichtbogenbehaftete Schaltstrecken elektrisch in Serie geschaltet werden.
Der Lichtbogen kann mechanisch in die Länge gezogen oder ein geschnürt werden, so dass eine höhere Lichtbogenspannung ent steht.
Es können Kühlbleche verwendet werden, die den Lichtbogen kühlen und in mehrere Einzellichtbögen aufteilen, wodurch ebenfalls die resultierende Lichtbogenspannung vergrößert wird.
Der Lichtbogen kann mittels eines Isoliermediums gekühlt wer den. Ein solches Isoliermedium kann gasförmig sein (zum Bei spiel SF6). Ein solches Isoliermedium kann auch ein festes Isoliermedium sein (zum Beispiel Polytetrafluorethylen PTFE, das umgangssprachlich auch als Teflon bezeichnet wird), das beim Berühren mit dem Lichtbogen verdampft.
Das Sicherungselement Fl ist im Beispiel als ein Einmal- Schaltelement ausgebildet. Das Sicherungselement Fl löst aus (öffnet), wenn der das Sicherungselement durchfließende Strom eine vorbestimmte Strom-Zeit-Fläche (JI2 dt-Wert) überschrei- tet. Je nach Anwendungsfall können also Sicherungselemente mit unterschiedlich großen JI2 dt-Werten verwendet werden. Vorteilhafterweise brauchen die Sicherungselemente nicht für den maximalen Nennstrom der Gleichstrom-Schalteinrichtung ausgelegt zu werden, daher können auch kleinere betriebliche Ströme und nicht nur hohe Fehlerströme (wie beispielsweise Kurzschlussströme) abgeschaltet werden.
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Gleichstrom- Schalteinrichtung 1 dargestellt, bei der parallel zu der Un terbrechereinheit SW (und damit auch parallel zu der Strombe grenzungseinheit 10) ein Überspannungsableiter MOV geschaltet ist. Dieser Überspannungsableiter MOV kann dabei insbesondere als ein nichtlinearer ohmscher Widerstand oder als ein Me talloxidvaristor ausgestaltet sein. Diese Überspannungsablei ter MOV1 bis MOVn entkoppeln die Schaltvorgänge der einzelnen Teilschalter TI bis Tn voneinander. Diese Überspannungsablei ter MOV1 bis MOVn können auch Energie aufnehmen, welche bei spielsweise beim Abschalten aufgrund von im Stromkreis be findlichen Induktivitäten frei wird.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters dargestellt, beispielsweise ein Ausführungsbeispiel des Teil schalters TI. In Reihe zu dem Sicherungselement Fl sind zwei Bauelemente Dl, D2 mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit ge schaltet. Dabei handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ei ne erste Diode Dl und eine zweite Diode D2. Die erste Diode Dl und die zweite Diode D2 sind antiparallel geschaltet. Die Antiparallelschaltung der beiden Dioden ermöglicht es, die Gleichstrom-Schalteinrichtung wahlweise für in beide Richtun gen fließende Gleichströme einzusetzen. In einem anderen Aus führungsbeispiel kann aber auch jeweils nur die erste Diode Dl als erstes nichtlineares Bauelement oder die zweite Diode D2 als zweites nichtlineares Bauelement vorhanden sein; dann ist die Gleichstrom-Schalteinrichtung jeweils nur für eine Stromrichtung geeignet. Als Bauelement mit einer nichtlinea ren Leitfähigkeit kann anstelle einer Diode aber auch ein an deres Bauelement eingesetzt werden, beispielsweise ein IGBT, ein Thyristor, ein GTO, ein Bipolartransistor oder ein MOS- FET. Durch das oder die Bauelemente mit nichtlinearer Leitfä higkeit Dl, D2 wird die Durchlassspannung in dem Strompfad mit der Strombegrenzungseinheit 10 (also in den Parallels trompfad 7) erhöht. Dadurch fließt im Normalbetrieb der durch die Gleichstrom-Schalteinrichtung 1 fließende Strom nahezu vollständig durch die Unterbrechereinheit SW1 (und nicht durch das Sicherungselement Fl). Dadurch wird eine vorzeitige Alterung der Sicherung Fl vermieden.
In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters dargestellt, bei dem im Strompfad 7 der Strombegrenzungsein heit 10 ein zusätzlicher Schalter S1 angeordnet ist, der in seinem geschlossenen Zustand das Sicherungselement Fl mit der Unterbrechereinheit SW1 elektrisch verbindet und in seinem geöffneten Zustand das Sicherungselement Fl von der Unterbre chereinheit SW1 trennt. Dieser Schalter S1 ist also der Strombegrenzungseinheit 10 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist der Schalter S1 (in dem Parallelstrompfad 7) in Reihe mit dem Sicherungselement Fl geschaltet.
Der Schalter S1 ist insbesondere in Fällen vorteilhaft, in denen das Sicherungselement Fl nicht vollständig auslöst, d. h. beispielsweise das Schmelzsicherungselement Fl nicht voll ständig durchbrennt. Dies kann beispielsweise passieren, wenn mittels der Gleichstrom-Schalteinrichtung 1 ein verhältnismä ßig geringer Gleichstrom abgeschaltet werden soll. Dadurch kann das Sicherungselement Fl am Ende des Abschaltvorgangs noch leitfähig sein, wobei die Leitfähigkeit Undefiniert ist, d.h. im Vorhinein nicht abzuschätzen ist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, dass der Schalter S1 zur Isolation in dem Parallelzweig/Parallelstrompfad 7 eine zusätzliche Isolationsstrecke bereitstellt. Vorzugsweise kann dabei der Schalter S1 zu dem Zeitpunkt geöffnet werden, in dem das Si cherungselement Fl öffnet.
Der Überspannungsableiter MOV und/oder die Dioden Dl und D2 in dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind op- tional; in anderen Ausführungsbeispielen kann der Überspan nungsableiter MOV und/oder die Dioden Dl und D2 auch wegge lassen werden. Parallel zu der Unterbrechereinheit SW1 kann im Ausführungsbeispiel der Figur 4 auch noch eine weitere Be schaltung angeordnet sein, wie sie beispielsweise im Zusam menhang mit Figur 6 beschrieben ist.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teil schalters, bei dem der zusätzliche Schalter S1 so in dem Pa rallelstrompfad 7 angeordnet ist, dass er nicht nur das Si cherungselement Fl, sondern auch den Überspannungsableiter MOV vom Nennstrompfad 4 trennt.
Der Teilschalter der Figur 5 kann insbesondere mit Vorteil dann eingesetzt werden, wenn eine hochohmige Beschaltung pa rallel zu dem Überspannungsableiter MOV geschaltet ist.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Teilschalters T dargestellt, bei dem parallel zu der Unterbrechereinheit SW1 (und damit parallel zu der Strombegrenzungseinheit 10) eine Beschaltung 603 angeordnet ist. Diese weitere Beschaltung 603 sorgt für eine definierte, im Wesentlichen gleichmäßige, Spannungsaufteilung auf die einzelnen Teilschalter T der Rei henschaltung der Gleichstrom-Schalteinrichtung 1. Die Be schaltung 603 ist in der Figur 6 lediglich als ein schemati scher Block dargestellt. Diese Beschaltung 603 kann verschie dene elektrische Elemente enthalten, zum Beispiel einen (ins besondere hochohmigen) ohmschen Widerstand zum Zwecke einer statischen Spannungsaufteilung auf die einzelnen Teilschal ter. Bei der Beschaltung 603 kann es sich jedoch auch um eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Kondensator C handeln, so dass über den einzelnen Teilschaltern Tn ein ohmsch-kapazitiver Spannungsteiler gebildet ist. Auch eine rein kapazitive Beschaltung, also nur ein Kondensator C, ist denkbar. Wenn in der Beschaltung ein Kondensator enthalten ist, dann dient die Beschaltung vorzugsweise der dynamischen Spannungsaufteilung auf die einzelnen Teilschalter. Dabei können gleichzeitig statische und dynamische Spannungsauftei- lung/Spannungssymmetrierung zum Einsatz kommen, d. h. in der Beschaltung können beispielsweise ein ohmscher Widerstand und ein RC-Glied parallelgeschaltet sein.
Die beschriebene Gleichstrom-Schalteinrichtung und das be schriebene Verfahren können mit Vorteil insbesondere in einem Hochspannungsgleichstromnetz eingesetzt werden, welches Hoch spannungskabel aufweist. Dabei kann die Gleichstrom-Schalt einrichtung und das Verfahren in Hochspannungsgleichstrom- Übertragungssystemen sowohl bei Punkt-zu-Punkt-Übertragungen als auch bei Multi-Terminal-Übertragungen/Anwendungen einge setzt werden. Bei Hochspannungskabelnetzen treten nämlich Fehlerfälle (im Vergleich zu Freileitungsnetzen) seltener auf und sind im Normalfall permanent, d. h. andauernd. Daher ist bei solchen Kabel-Hochspannungsgleichstromnetzen oftmals die beschriebene Gleichstrom-Schalteinrichtung mit ihrer einmali gen Abschaltfähigkeit ausreichend. Die Gleichstrom-Schaltein richtung und das Verfahren sind im Vergleich zu einem Gleich stromleistungsschalter mit einer hohen möglichen Schalthäu figkeit und einer schnellen Wiederzuschaltfähigkeit wesent lich kostengünstiger, so dass sich insbesondere für reine Hochspannungskabel-Systeme eine sehr kostengünstige Abschalt lösung ergibt.
Die beschriebene Gleichstrom-Schalteinrichtung kann also vor zugsweise in Hochspannungsgleichstromsystemen eingesetzt wer den, deren Leitungssysteme (insbesondere ausschließlich) durch Hochspannungskabel realisiert sind. Als solche Hoch spannungskabel können insbesondere sogenannte XLPE-Kabel (kunststoffisolierte Kabel) zum Einsatz kommen.
Die beschriebene Gleichstrom-Schalteinrichtung und das be schriebene Verfahren basieren auf dem Einsatz von Sicherungs elementen und erlauben es, mit sehr wenigen und kostengünsti gen Bauelementen eine Abschaltmöglichkeit für Gleichstrom- Fehlerströme bereitzustellen. Die gegenüber anderen denkbaren Lösungen verringerte Leistungsfähigkeit der beschriebenen Schalteinrichtung und des beschriebenen Verfahrens in Bezug auf Schalthäufigkeit und Wiederzuschaltfähigkeit ist insbe sondere für Hochspannungsgleichstromprojekte mit reinen Ka belsystemen unproblematisch; dieser partiell verringerten Leistungsfähigkeit steht ein erheblicher Preisvorteil gegen- über.
BezugsZeichen
1 Gleichstrom-Schalteinrichtung
4 Nennstrompfad
7 Parallelstrompfad
10 Strombegrenzungseinheit
15 zentrale Steuerung
18 Trennschalter
19 Induktivität
21 Hochspannungskabel
603 Beschaltung
AS, AS1 - ASn AnsteuerSchaltung
AT, ATI - ATn Antrieb Dl, D2 Bauelement mit nichtlinearer
Leitfähigkeit, beispielsweise Diode
F, Fl - Fn Sicherungselernent
MOV, MOV1 - MOVn Überspannungsableiter
N Hochspannungsgleichstromnetz
R Widerstand
S1 Schalter
SW1 - SWn Unterbrechereinheit T, TI - Tn Teilschalter

Claims

Patentansprüche
1. Gleichstrom-Schalteinrichtung (1) für Hochspannungsanwen dung, bei der
- mehrere gleichartige Teilschalter (TI - Tn) in einer Rei henschaltung geschaltet sind,
- jeder Teilschalter (TI - Tn) eine Unterbrechereinheit
(SW1 - SWn) und eine zu der Unterbrechereinheit parallel ge schaltete Strombegrenzungseinheit (10) aufweist, wobei die Strombegrenzungseinheit (10) ein Sicherungselement (Fl - Fn) aufweist.
2. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Sicherungselement (Fl - Fn) ein Schmelzsicherungsele ment ist.
3. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- parallel zu der Unterbrechereinheit (SW1 - SWn) ein Über spannungsableiter (MOV1 - MOVn) geschaltet ist.
4. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Strombegrenzungseinheit (10) ein Bauelement mit einer nichtlinearen Leitfähigkeit (Dl, D2) aufweist, das mit dem Sicherungselement (Fl) in Reihe geschaltet ist.
5. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Strombegrenzungseinheit (10) ein Schalter (Sl) zugeord net ist, der in einem geschlossenen Zustand das Sicherungs element (Fl) mit der Unterbrechereinheit (SW1) elektrisch verbindet und in einem geöffneten Zustand das Sicherungsele ment (Fl) von der Unterbrechereinheit (SW1) trennt.
6. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Schalter (Sl) in Reihe mit dem Sicherungselement (Fl) geschaltet ist.
7. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- parallel zu der Unterbrechereinheit (SW1) der Teilschalter (TI) jeweils eine Beschaltung (603) angeordnet ist, wobei je de Beschaltung (603) mindestens ein elektrisches Bauelement aufweist und durch die Beschaltungen (603) der einzelnen Teilschalter die über den Teilschaltern (TI - Tn) auftreten den Spannungen nach Art eines Spannungsteilers beeinflusst werden.
8. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Beschaltungen (603) so gewählt sind, dass über den Teilschaltern (TI - Tn) jeweils im Wesentlichen gleich große Spannungen auftreten.
9. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Unterbrechereinheit (SW1 - SWn) zwei Schaltstrecken aufweist.
10. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine erste Schaltstrecke der Unterbrechereinheit (SW1 - SWn) durch eine Vakuumschaltkammer gebildet ist.
11. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - jedem Teilschalter (TI - Tn) eine eigene Ansteuerschaltung (AS1 - ASn) und ein eigener Antrieb (ATI - ATn) zugeordnet ist.
12. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Ansteuerschaltung (AS1 - ASn) mit einer zentralen Steu erung (15) verbunden ist, wobei die zentrale Steuerung (15) die Ansteuerschaltungen (AS1 - ASn) der einzelnen Teilschal ter (TI - Tn) synchronisiert.
13. Gleichstrom-Schalteinrichtung nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- in Reihe zu den Teilschaltern (TI - Tn) ein Trennschalter (18) angeordnet ist.
14. Hochspannungsgleichstromnetz (N), welches Hochspannungs kabel (21) und eine Gleichstrom-Schalteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
15. Verfahren zum Abschalten eines Gleichstroms in einem Hochspannungsgleichstromnetz (N) mittels einer Gleichstrom- Schalteinrichtung (1), bei der
- mehrere gleichartige Teilschalter (TI - Tn) in einer Rei henschaltung geschaltet sind,
- jeder Teilschalter (TI - Tn) eine Unterbrechereinheit
(SW1 - SWn) und eine zu der Unterbrechereinheit parallel ge schaltete Strombegrenzungseinheit (10) aufweist, wobei die Strombegrenzungseinheit (10) ein Sicherungselement (Fl - Fn) aufweist, wobei bei dem Verfahren
- im Normalbetrieb der Strom im Wesentlichen durch die Unter brechereinheiten (SW1 - SWn) der Teilschalter (TI - Tn) fließt,
- auf ein Öffnungssignal hin die Unterbrechereinheiten (SW1 - SWn) der Teilschalter (TI - Tn) geöffnet werden, woraufhin der Strom in die Strombegrenzungseinheiten (10) der Teil schalter (TI - Tn) kommutiert, und - daraufhin der Strom von den Sicherungselementen (Fl - Fn) der Strombegrenzungseinheiten (SW1 - SWn) abgeschaltet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
- während des Abschaltens die an der Gleichstrom- Schalteinrichtung (1) anliegende Gesamtspannung im Wesentli chen gleichmäßig auf die Teilschalter (TI - Tn) aufgeteilt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Gleichstrom-Schalteinrichtung (1) nach einem der An sprüche 1 bis 13 ausgestaltet ist.
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