WO2012126714A1 - Schalter für eine übertragungsstrecke für hochspannungs-gleichstrom - Google Patents

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Sylvio Kosse
Reinhard Maier
Norbert Trapp
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the invention relates to a switch for a transmission link of the high voltage direct current transmission.
  • High-voltage DC transmission in particular for the construction of HVDC multi-terminal and HVDC power systems, requires circuit breakers. These circuit breakers must be able to safely switch off both the rated currents and short-circuit currents. Current rated voltages are 550 kV. In the future, the nominal voltages can reach 800 kV or even 1000 kV. The nominal currents are about 2 to 5 kA. The short-circuit currents to be disconnected can amount to a multiple of the rated current. A circuit breaker for high-voltage direct current electrical isolation must also ensure stel ⁇ len.
  • Existing HVDC systems are designed as point-to-point solutions. Shutdowns of these systems are made by a regulation of the respective converter stations.
  • the switch according to the invention for a transmission line for high-voltage direct current has a series circuit of a first and a second switching device, wherein the first switching device is configured for power interruption and the second switching device is designed forpalsisola ⁇ tion.
  • the switch includes a Device for establishing a countercurrent against the current in the transmission path to lower the current through the switching devices.
  • the first switching device preferably has a vacuum circuit breaker.
  • Switching device preferably has a gas-insulated, oil-insulated or low-oil circuit breaker.
  • the device for setting up a counter voltage preferably has a high-voltage capacitor and a switch. It is advantageous if the elements are connected in parallel to the vacuum Leis ⁇ tung switch. In normal operation, the high-voltage capacitor is charged, but electrically decoupled by the switch at least on one side. If a current ⁇ lowering to happen, the switch is closed.
  • Switch may be a semiconductor switch such as a thyristor may be used or a second gas-insulated circuit breaker.
  • a third switching device for example, a thyristor or another gas-insulated circuit breaker can be used.
  • the switch has a device for limiting the current increase in series connection to the first switching device.
  • This can, for example, an inductance in series with a parallel circuit of a non-linear In productivity and capacity.
  • cost- and energy-intensive superconducting solutions always need a fail-safe cryogenic omitted.
  • the switch expediently comprises a control device. This is preferably designed to determine the temporal change of the current and to determine therefrom the presence of a short ⁇ circuit, and output in the presence of a short circuit control signals so that the first switching device is opened.
  • the controller is further preferably configured to control the means for establishing a counter ⁇ stream in the presence of a short circuit to establish a counter flow and to control the vacuum circuit breaker, with the lowest possible amount of current insbeson ⁇ particular to switch off at a zero crossing of the current thereof.
  • control device adjusts the magnitude of the countervoltage on the basis of the measured change in the current. As a result, a fast and safe shutdown is achieved by the vacuum circuit breaker.
  • Figure 1 shows a schematic structure of a switch for a
  • Figure 2 shows a structure for a Strom Sungsbe dictionary and Figure 3 shows a structure for a device for generating a high-voltage DC transmission link
  • Figure 1 shows schematically the structure for an embodiment ⁇ example of a switch.
  • the switch is in one
  • High-voltage DC transmission line 1 is arranged and can be connected via terminals 2 with other lines.
  • the switch comprises a vacuum circuit breaker 3.
  • the vacuum circuit breaker 3 is realized in a known manner.
  • the switch comprises a device 4 for generating a countercurrent.
  • a sol ⁇ che device 4 for generating a countercurrent is shown in Figure 3.
  • the device 4 for generating a countercurrent comprises in series a Hochwoodskon ⁇ capacitor 21 and a thyristor 22.
  • the thyristor 22 can here also another semiconductor switch, such as an IGBT, are used.
  • the switch further comprises a current change limiter 6.
  • An exemplary structure for the current change limiter 6 is shown in FIG.
  • the Strom Sungsbeskyr 6 in this case comprises a parallel connection of a non-linear inductance 12 and a capacitor 13. This parallel circuit is in turn ⁇ connected in series to a further Indukti ⁇ tivity. 11
  • the switch comprises a gas-insulated circuit breaker 5, for example a SF ö switch.
  • the gas-insulated circuit breaker 5, the vacuum circuit breaker 3 and current change limiter 6 are connected in series. Parallel to the vacuum circuit breaker 3, the device 4 is arranged to generate a counterflow.
  • a control device 7 is connected to the aforementioned elements.
  • the control device 7 receives a measurement signal for the current change dl / dt.
  • Another STEU ⁇ ertagen exists between the controller 7 and the vacuum circuit breaker 3, and the control means 7 and the means 4 for generating a counter-current.
  • the control device 7 monitors the measured values for the temporal change of the current. In the case of a short circuit , the flowing current would rise sharply. The Strom Sungsbeskyr 6 prevents this strong increase for the time being.
  • the control device 7 detects the still increasing current, the presence of a short circuit. As a result, he ⁇ demonstrates the controller 7 switching commands for the other elements of the switch. These control commands consist in an opening of the vacuum circuit breaker 3, the gas-insulated circuit breaker 5 and in turning on the thyristor 22 in the device 4 for generating a counterflow. In this case, the control device 7 determines the chronological sequence of these commands. Appropriately, a countercurrent is generated quickly. In this case, the generation of the countercurrent is controlled so that ideally passes a current zero crossing. At the

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Abstract

Es wird ein Schalter für eine Hochspannungsgleichstromübertragungsstrecke angegeben, der einen Vakuumleistungsschalter (3) zur Auftrennung der Übertragungsstrecke und einen gasisolierten Leistungsschalter (5) zur Auftrennung der Übertragungsstrecke aufweist, wobei der gasisolierte Leistungsschalter (5) in Serie zum Vakuumleistungsschalter (3) angeordnet ist. Weiterhin ist eine Einrichtung (4) zum Aufbau eines Gegenstromes gegen den Strom in der Übertragungsstrecke zur Absenkung des Stroms über den Vakuumleistungsschalter (3) vorgesehen. Die Elemente des Schalters werden von einer Steuereinrichtung so angesteuert, dass ein Abschalten am oder nahe dem Nulldurchgang des Stroms erfolgt.

Description

Beschreibung
Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs- Gleichstrom
Die Erfindung betrifft einen Schalter für eine Übertragungs- strecke der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.
Für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC oder HGÜ) , insbesondere zum Aufbau von HVDC-Multi-Terminal- und HVDC-Netzsystemen, werden Leistungsschalter benötigt. Diese Leistungsschalter müssen sowohl die Nennströme als auch Kurzschlussströme sicher abschalten können. Aktuelle Nennspannungen liegen bei 550 kV. In der Zukunft können die Nennspannungen 800 kV oder sogar 1000 kV erreichen. Die Nennströme betragen etwa 2 bis 5 kA. Die abzuschaltenden Kurzschlussströme können ein Vielfaches des Nennstromes betragen. Ein Leistungsschalter für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung muss zusätzlich eine galvanische Trennung sicherstel¬ len. Bisherige HGÜ-Anlagen sind als Point-to-Point-Lösungen ausgeführt. Abschaltungen dieser Anlagen werden durch eine Regelung der jeweiligen Konverter-Stationen vorgenommen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom anzugeben, mit dem bei möglichst einfachem Aufbau eine sichere Abschaltung von Nenn- und Kurzschlussströmen erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Schalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Schalters.
Der erfindungsgemäße Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom weist eine Reihenschaltung aus einer ersten und einer zweiten Schalteinrichtung auf, wobei die erste Schalteinrichtung zur Stromunterbrechung ausgestaltet ist und die zweite Schalteinrichtung zur Spannungsisola¬ tion ausgestaltet ist. Schließlich umfasst der Schalter eine Einrichtung zum Aufbau eines Gegenstromes gegen den Strom in der Übertragungsstrecke zur Absenkung des Stroms durch die Schalteinrichtungen. Dabei weist die erste Schalteinrichtung bevorzugt einen Vakuumleistungsschalter auf. Die zweite
Schalteinrichtung weist bevorzugt einen gasisolierten, öliso- lierten oder ölarmen Leistungsschalter auf.
Für die Erfindung wurde erkannt, dass vorteilhaft eine Ver¬ besserung des Schaltvorgangs erreichbar ist, indem ein Gegenstrom erzeugt wird, der den durch den Vakuumleistungsschalter fließenden Strom absenkt. Insbesondere wird dabei ein Null¬ durchgang des Stroms erzeugt. Dies ist möglich, da die Pola¬ rität im Fall der HGÜ-Anlage von vornherein bekannt ist und nicht, wie bei Wechselstrom, ständig wechselt.
Bevorzugt weist die Einrichtung zum Aufbau einer Gegenspannung einen Hochspannungskondensator sowie einen Schalter auf. Es ist zweckmäßig, wenn die Elemente parallel zum Vakuumleis¬ tungsschalter geschaltet sind. Dabei ist im Normalbetrieb der Hochspannungskondensator aufgeladen, aber durch den Schalter wenigstens einseitig elektrisch abgekoppelt. Soll eine Strom¬ absenkung geschehen, wird der Schalter geschlossen. Als
Schalter kann ein Halbleiterschalter wie beispielsweise ein Thyristor verwendet werden oder auch ein zweiter gasisolierter Leistungsschalter.
Bevorzugt weist die Einrichtung zum Aufbau eines Gegenstromes einen Hochspannungskondensator sowie in Serie dazu einen dritte Schalteinrichtung auf und ist parallel zur ersten Schalteinrichtung geschaltet. Als dritte Schalteinrichtung kann beispielsweise ein Thyristor oder ein weiterer gasisolierter Leistungsschalter verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Schalter eine Einrichtung zur Begrenzung des Stromanstiegs in Reihenschaltung zur ersten Schalteinrichtung auf. Diese kann beispielsweise eine Induktivität in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer nichtlinearen In- duktivität und einer Kapazität umfassen. Bei dieser vorteil¬ haften Lösung entfallen die aus dem Stand der Technik bekannten kosten- und energieintensiven supraleitenden Lösungen, die auch immer eine ausfallsichere Kryotechnik benötigen.
Der Schalter umfasst zweckmäßig eine Steuerungseinrichtung. Diese ist bevorzugt ausgestaltet, die zeitliche Änderung des Stromes zu ermitteln und daraus das Vorliegen eines Kurz¬ schlusses zu ermitteln, und bei Vorliegen eines Kurzschlusses Steuersignale so auszugeben, dass die erste Schalteinrichtung geöffnet wird. Die Steuerungseinrichtung ist weiterhin bevorzugt ausgestaltet, die Einrichtung zum Aufbau eines Gegen¬ stromes bei Vorliegen eines Kurzschlusses anzusteuern, einen Gegenstrom aufzubauen und den Vakuumleistungsschalter anzusteuern, bei möglichst geringem Betrag des Stroms, insbeson¬ dere bei einem Nulldurchgang des Stroms, diesen abzuschalten.
Die Steuereinrichtung stellt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Höhe der Gegenspannung anhand der gemessenen Änderung des Stroms ein. Hierdurch wird eine schnelle und sichere Abschaltung durch den Vakuumleistungsschalter erreicht .
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbei¬ spiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale sche¬ matisiert dargestellt. Es zeigen
Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Schalters für eine
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke, Figur 2 einen Aufbau für einen Stromänderungsbegrenzer und Figur 3 einen Aufbau für eine Einrichtung zur Erzeugung eines
Gegenstroms .
Figur 1 zeigt schematisiert den Aufbau für ein Ausführungs¬ beispiel für einen Schalter. Der Schalter ist in einer
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke 1 angeordnet und ist über Anschlüsse 2 mit weiteren Leitungen verbindbar. Der Schalter umfasst einen Vakuumleistungsschalter 3. Der Vakuumleistungsschalter 3 ist in bekannter Weise realisiert.
Weiterhin umfasst der Schalter eine Einrichtung 4 zur Erzeu- gung eines Gegenstroms. Ein Ausführungsbeispiel für eine sol¬ che Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms ist in Figur 3 dargestellt. Die Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms umfasst in Serie geschaltet einen Hochspannungskon¬ densator 21 und einen Thyristor 22. Alternativ zum Thyristor 22 kann sich hier auch ein anderer Halbleiterschalter, wie beispielsweise ein IGBT, verwendet werden.
Der Schalter umfasst weiterhin einen Stromänderungsbegrenzer 6. Ein beispielhafter Aufbau für den Stromänderungsbegrenzer 6 ist in Figur 2 dargestellt. Der Stromänderungsbegrenzer 6 umfasst dabei eine Parallelschaltung aus einer nichtlinearen Induktivität 12 und einen Kondensator 13. Diese Parallel¬ schaltung ist ihrerseits in Serie zu einer weiteren Indukti¬ vität 11 geschaltet.
Des Weiteren umfasst der Schalter einen gasisolierten Leistungsschalter 5, beispielsweise einen SFö-Schalter . Der gasisolierte Leistungsschalter 5, der Vakuumleistungsschalter 3 und Stromänderungsbegrenzer 6 sind dabei in Serie geschaltet. Parallel zum Vakuumleistungsschalter 3 ist die Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms angeordnet.
Wo nötig, ist eine Steuereinrichtung 7 mit den vorgenannten Elementen verbunden. So besteht in diesem Ausführungsbeispiel eine Verbindung von der Steuereinrichtung 7 zum Stromänderungsbegrenzer 6, über die die Steuereinrichtung 7 ein Messsignal für die Stromänderung dl/dt erhält. Eine weitere Steu¬ erverbindung besteht zwischen der Steuereinrichtung 7 und dem Vakuumleistungsschalter 3, sowie der Steuereinrichtung 7 und der Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms. Schließlich besteht eine Verbindung zwischen der Steuereinrichtung 7 und dem gasisolierten Leistungsschalter 5. Die Steuereinrichtung 7 überwacht im Betrieb die Messwerte für die zeitliche Änderung des Stroms. Im Falle eines Kurz¬ schlusses würde der fließende Strom stark ansteigen. Der Stromänderungsbegrenzer 6 verhindert diesen starken Anstieg vorerst. Die Steuereinrichtung 7 erkennt am dennoch steigenden Strom das Vorliegen eines Kurzschlusses. In der Folge er¬ zeugt die Steuereinrichtung 7 Schaltbefehle für die weiteren Elemente des Schalters. Diese Steuerbefehle bestehen in einem Öffnen des Vakuumleistungsschalters 3, des gasisolierten Leistungsschalter 5 und in einem Einschalten des Thyristors 22 in der Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms. Dabei legt die Steuereinrichtung 7 die zeitliche Abfolge dieser Befehle fest. Zweckmäßig wird schnell ein Gegenstrom erzeugt. Dabei wird das Erzeugen des Gegenstroms derart gesteuert, dass idealerweise ein Stromnulldurchgang passiert. Beim
Stromnulldurchgang oder nahe am Stromnulldurchgang wird der Vakuumleistungsschalter 3 abgeschaltet. Ein zusätzliches Aus¬ schalten des gasisolierten Leistungsschalter 5 sorgt für die letztendlich hohe Spannungsfestigkeit und dafür, dass ein Wiederzünden im Vakuumleistungsschalter 3 ausbleibt.

Claims

Patentansprüche
1. Schalter für eine Hochspannungsgleichstrom-Übertragungs- strecke, aufweisend:
- eine Reihenschaltung aus einer ersten und einer zweiten
Schalteinrichtung (3, 5), wobei die erste Schalteinrichtung (3) zur Stromunterbrechung ausgestaltet ist und die zweite Schalteinrichtung (5) zur Spannungsisolation ausgestaltet ist,
- eine Einrichtung (4) zum Aufbau eines Gegenstromes gegen den Strom in der Übertragungsstrecke zur Absenkung des Stroms durch die Schalteinrichtungen (3, 5) .
2. Schalter gemäß Anspruch 1, wobei die erste Schalteinrich- tung (3) einen Vakuumleistungsschalter (3) aufweist.
3. Schalter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Schalt¬ einrichtung (5) einen gasisolierten, ölisolierten oder ölar- men Leistungsschalter (5) aufweist.
4. Schalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (4) zum Aufbau eines Gegenstromes einen Hochspannungskondensator (21) sowie in Serie dazu einen dritte Schalteinrichtung (22) umfasst und parallel zur ersten
Schalteinrichtung (3) geschaltet ist.
5. Schalter gemäß Anspruch 4, wobei die dritte Schalteinrichtung (22) ein Thyristor (22) ist.
6. Schalter gemäß Anspruch 4, wobei die dritte Schalteinrichtung (22) als gasisolierter Leistungsschalter ausgestaltet ist .
7. Schalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Einrichtung (6) zur Begrenzung des Stromanstiegs in Reihenschaltung zur ersten Schalteinrichtung (3) .
8. Schalter gemäß Anspruch 7, bei dem die Einrichtung (6) zur Begrenzung des Stromanstiegs eine Induktivität (11) in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer nichtlinearen Induktivität (12) und einer Kapazität (13) aufweist.
9. Schalter gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Steuerungseinrichtung (7), die ausgestaltet ist, die zeitli¬ che Änderung des Stromes zu ermitteln und daraus das Vorlie¬ gen eines Kurzschlusses zu ermitteln, und bei Vorliegen eines Kurzschlusses Steuersignale so auszugeben, dass die erste Schalteinrichtung (3) geöffnet wird.
10. Schalter gemäß Anspruch 9, wobei die Steuerungseinrichtung (7) ausgestaltet ist, die Einrichtung (4) zum Aufbau ei¬ nes Gegenstromes bei Vorliegen eines Kurzschlusses anzusteu¬ ern, einen Gegenstrom aufzubauen und die erste Schalteinrichtung (3) anzusteuern, bei möglichst geringem Betrag des
Stroms abzuschalten, insbesondere bei einem Nulldurchgang des Stroms .
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