DE202013102112U1

DE202013102112U1 - Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen

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Publication number: DE202013102112U1
Application number: DE201320102112
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-06-18
Anticipated expiration: 2023-05-16

Abstract

Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen mit einem Zweipol, der einen Sternpunkt eines Netzspeisetransformators mit Erde (3) verbindet und einen nacheilenden Strom erzeugt, um einen voreilenden Kapazitätsstrom eines einphasigen Erdschlusses auszugleichen, sowie mit einem Sternstromgeber (4), einem Netztransformator (2), einem Testsignalgenerator (38) zur Netzkapazitätsmessung und einer Recheneinheit (48) zur Ermittlung einer benötigten Admittanz des erwähnten Zweipols, dadurch gekennzeichnet, dass als Erdungszweipol ein pulsweitenmodulierter Folge-Spannungsumsetzer (PWM-Folge-Umsetzer (1)) verwendet ist, der neben einem üblichen Satz Funktionseinheiten mit einem Strom-Sollwerteinsteller (8) versehen ist, dessen Eingänge die Sternpunktspannung und die benötigte Admittanz sind, und dessen Ausgang die Stromvorgabe ist, welche am Eingang des Stromreglers (7) des erwähnten Folge-PWM-Umsetzers (1) auftritt, und dass die Übertragungsfunktion des Strom-Sollwerteinstellers (8) eine nacheilende Phasenverschiebung um ca. 90 Grad auf die Netzfrequenz (f) sicherstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist in der Elektrotechnik einsetzbar. Sie ist vorwiegend für Erdschluss stromlöschung und Lichtbogenlöschung in Drehstromnetzen mit einem ungeerdeten Nullpunkt verwendbar.
Bei Drehstromnetzen mit einem ungeerdeten Nullpunkt ist ein Betrieb der Anlagen bei einem einpoligen Erdschluss zulässig dabei fallen bis zu 90% der Gesamtzahl der Ausfälle auf einpolige Erdschlüsse). Jedoch wird der Kurzschlussstrom dabei überwacht. Aufgrund der Betriebserfahrung sind Erdschlussströme von max. 5...20 A (je nach Netzspannung) zulässig und bedürfen keiner sofortigen Stromabschaltung.
Bei einem Erdkurzschluss von einer der Phasen des Stromnetzes (Mittelspannungsnetze von 6 kV, 10 kV, 20 kV oder ein Hochspannungsnetz: über 20 kV) fließt ein Kapazitätsstrom über die Kurzschlussstelle. Dieser Kapazitätsstrom kann beachtlich sein und ein Brennen eines Kurzschlussbogens aufrechterhalten. Dieses Phänomen wurde von Petersen [1] erforscht. Er hat auch ein Mittel vorgeschlagen, um den Kurzschlussbogenstrom zu vermindern, indem ein Speisetransformatorsternpunkt über eine Induktivitätsspule (Petersenspule) an die Erde angeschlossen wird. Die Spuleninduktvität (bzw. Leitwert der Spule, d. h. ihre Admittanz) ist gemäß der Resonanzbedingung so gewählt, dass ein nacheilender Induktivitätsstrom von dem voreilenden Kapazitätsstrom ausgeglichen wird. Beim Feinabgleich sollte ein stationärer Strom an der Kurzschlussstelle gleich Null sein. Seitdem wird eine Petersenspule in Mittel- und Hochspannungsnetzen angewendet. In einfachen Fällen kann eine ungeregelte Spule verwendet werden. Bei verzweigten Netzen kann die Erdkapazität variabel sein. Deswegen werden hier mittels Schütze umschaltbare Anzapfspulen [2, 3] oder eine Tauchkerndrossel verwendet, deren Induktivität mittels Bewegungen eines magnetischen Nebenschlusses regelbar ist [4, 5, 6, 7]. Die Leistung Q_N der Löscheinrichtung hängt von der Netzspannung und der Kompensationsstromstärke ab.
Der Mangel der Anzapfdrosseln ist eine komplizierte Einstellung des Kompensationsbetriebs, welche auf eine diskrete Induktivitätsvariation zurückzuführen ist.
Die Tauchkerndrosseln haben durch ihre großen Gewichte und Abmessungen sowie durch das Vorhandensein von rotierenden und beweglichen Bauteilen grolle Mängel. Dies wirkt sich negativ auf die Betriebssicherheit und die Lebensdauer der Drosselspule aus. Darüber hinaus begrenzt die niedrige Bewegungsgeschwindigkeit der beweglichen Partie der Tauchkerndrosselspulen ihre Ansprechschnelligkeit.
Aus dem Stand der Technik sind auch Sättigungsdrosselspulen ohne bewegliche Teile bekannt [8, 9, 10]. Sie sind mittels einer Vormagnetisierung geregelt. Es sind auch Einrichtungen entwickelt worden, welche eine automatische Einstellung der regelbaren Drosseln ohne einen Bedienereingriff ermöglichen [5, 7, 9, 10]. In diesem Fall ist ein Hilfsumformer/-erzeuger für ein Testsignal eingesetzt, welches über eine Zusatzwicklung einer Drossel ins Netz einleitbar ist. Die Erdnetzkapazität ist je nach Antwort auf dieses Testsignal bestimmt, und nachher wird ein entsprechender Wert für die Drosselinduktivität eingestellt.
Jedoch erhöht die Anwendung eines solchen Hilfsumformers wesentlich den Preis der gesamten Löscheinrichtung.
Bei der Einschätzung einer Löscheinrichtung ist grundsätzlich davon auszugehen, dass diese Einrichtungen in zwei verschiedenen „Klassen” (Kategorien) von Situationen wirken sollen. Die Petersenspule wirkt erfolgreich in Situationen der 1. Klasse, wenn ein Erdkurzschluss stabil ist (metallischer Kurzschluss). Bei solchen Situationen mit einem stationären Kurzschluss stellt sich ein sinusförmiger nacheilender Spulenstrom ein. Er gleicht den voreilenden Kapazitätsstrom völlig oder mit einem gewissen Fehler aus und vermindert den Strom sowie die Wärmeabgabe in der Kurzschlussstrecke. Die Spannungen der „intakten” Phasen in Bezug auf Erde sind um das √3-fache überhöht. Jedoch bleibt das Netz noch eine Weile funktionsfähig. Es gelingt, eine prompte Stromausfaltunterbrechung der Verbraucher zu vermeiden. Ein günstigeres Szenario ist auch möglich, wenn infolge der Stromabnahme in der Kurzschlussstrecke ihre elektrische Festigkeit wieder verfestigt wird. Dadurch wird auch der normale Netzbetrieb wiederhergestellt.
Jedoch sind die Situationen der 2. Klasse mit wiederkehrenden Isolierstreckendurchschlägen mehr typisch, wenn eine teilweise Wiederherstellung der Durchschlagfestigkeit der Isolierstrecke zuerst durch einen Spannungsanstieg darin und dann wieder durch einen Durchschlag usw. abgewechselt wird. Solche Situationen der 2. Klasse wurden von Peters und Slepian [11], Dzhuvarly Tch. M. [12], Belyaev N. M. [13] erforscht. Bei Situationen mit wiederkehrenden Durchschlägen ergibt der Einsatz einer Petersenspule keinen beständigen positiven Effekt. Dies ist auch logischerweise zu erwarten, denn diese Spule ist für einen stationären Betriebszustand ausgelegt.
Um die Betriebsabläufe bei wiederkehrenden Durchschlägen zu verbessern, wurde eine Kombi-Einrichtung vorgeschlagen. In dieser Einrichtung ist die Petersenspule durch einen Widerstand ergänzt. Die von M. Il'yinykh und Mitverfassern durchgeführte Forschung [14] hat eine nutzvolle Dämpfwirkung des Widerstands bei wiederkehrenden Durchschlägen gezeigt. Zugleich hängt jedoch die Widerstandsdämpfung mit einer gewissen Kenngrößenverschlechterung der Ausgleichsvorgänge zusammen. Somit entsteht ein Widerspruch. Der Widerstandsstrom wird auf keine Weise ausgeglichen und kommt zu dem in der Kurzschlussstrecke fließenden Strom hinzu. Die Möglichkeiten zur Leitfähigkeitszunahme des Nebenwiderstands zwecks Dynamikverbesserung sind begrenzt.
Der nächstkommende Stand der Technik zur Erfindung ist die technische Lösung aus [10]. Hier ist eine mittels Vormagnetisierung gesteuerte elektrische Drossel mit einem automatischen Steuerungssystem eingesetzt. Die mittels Vormagnetisierung gesteuerte elektrische Drossel hat keine beweglichen Teile und weist eine relativ hohe Ansprechschnelligkeit auf. Die Mängel dieser technischen Lösung sind ein erhöhter Aufwand an elektrotechnischen Werkstoffen (Kupfer, elektrotechnischer Stahl), große Gewichte und Abmessungen sowie die Notwendigkeit, eine spezielle Einrichtung zur Erzeugung von Testspannungen am Transformatorsternpunkt zu benutzen. Darüber hinaus stellt die mittels Vormagnetisierung gesteuerte elektrische Drossel keine Dämpfung von HF-Schwingungen sicher, welche zum Zeitpunkt des Erdschlusses bei wiederkehrenden Durchschlägen entstehen und zum Anreißen des Lichtbogens beitragen. Das automatische Steuerungssystem für die mittels Vormagnetisierung gesteuerte elektrische Drossel ist nicht imstande, den Abbruchzeitpunkt des einphasigen Erdschlusses zu erkennen, um einen Kompensationsbetrieb zu verlassen. Dadurch ist eine Möglichkeit zur Entstehung von Resonanzüberspannungen während der Schaltungen sowie bei sonstigen Störungen erhalten, der Sicherheitsgrad des Netzes lässt jedoch nach.
Es ist Aufgabe der Erfindung, dass die Löschausrüstung neben ihren Hauptleistungsmerkmalen um zusätzliche nutzvolle Funktionalitäten ergänzt ist, wie eine identifizierbarkeit des Netzes (Möglichkeit für eine Netzidentifikation), ohne jegliche Hilfsausrüstung zu verwenden. Zudem sollen eine schnelle Unterdrückung von Strom-Transientkomponenten, darunter bei wiederkehrenden Durchschlägen, und eine beschleunigte Bogenstromabnahme erreicht werden, wobei gleichzeitig die oben genannten Mängel einer mittels Vormagnetisierung gesteuerten elektrischen Drosseln [10] behoben sind.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Lösung der gestellten Aufgabe ist folgender technische Effekt erreicht: Verminderung des Materialaufwands der Löscheinrichtung, Benutzerfreundlichkeit und Steigerung der Netzstabilität gegen Erdschlüsse.
Das Wesen der Erfindung ist die Anwendung von einem aktiven Bauelement als Löscheinrichtung (anstelle von einer Drossel, die auf eine oder andere Weise geregelt wird, oder einer Kombination von einer Drossel mit einem Nebenwiderstand). Als aktives Element dient dabei ein pulsweitenmodulierter (pulse-width modulation, PWM) transistorisierter Folge-Spannungsumsetzer, nachfolgend als PWM-Folge-Umsetzer bezeichnet. Der moderne Stand der Technik erlaubt heutzutage, solche Umsetzer mit den für eine Bogenlöschung benötigten Kenngrößen zu realisieren. Ist eine ordnungsgemäße Steuerung gewährleistet, so können solche Umsetzer die regelbare Induktivität nachbilden. Der Einsatz von einem Folge-PWM-Umsetzer steht im Einklang mit den modernen technischen Trends und ergibt bereits von sich allein gewisse Vorteile, wenn sogar die gleichen Funktionalitäten unter Anwendung eines neuen Verfahrens realisiert werden. Jedoch kann die Anwendung von dem genannten aktiven Bauelement – dem Folge-PWM-Umsetzer – mehr leisten und zwar: Er kann den Widerspruch zwischen dem Bedarf an guter Kompensationsgenauigkeit bei den Dauerkurzschlüssen und dem Bedarf an guter Dämpfung bei intermittierenden Durchschlägen herabsetzen.
Der Folge-PWM-Umsetzer hat eine weitere nutzvolle Eigenschaft. Vorher wurde er als eine Einrichtung zur Erzeugung von nacheilendem Strom, das heißt, als Vergleichsmaßnahme für die regelbare Induktivität betrachtet. Jedoch können solche Umsetzer gleichermaßen den voreilenden Strom erzeugen, so dass sie nicht als Entsprechung für die Induktivität oder die Kapazität sondern als ein steuerbares Mehrzweck-Reaktanzglied betrachtet werden müssen. Die Reaktionsumschaltung eines solchen Glieds von induktiv auf kapazitiv entspricht einem Vorzeichenwechsel bei der Leitwertzahl Yn des Umsetzers als Zweipol. Beim Yn-Nulldurchgang zum negativen Yn-Wertebereich wird der PWM-Folge-Umsetzer den voreilenden Strom ausgeben, d. h. als Entsprechung von Kapazität wirken. Beim Netzbetrieb kann eine solche Situation vorliegen, wenn der Leitwert der Drossel am Anschluss eines anderen Transformators höher als nötig ist. Dabei wird der PWM-Folge-Umsetzer den Überschuss automatisch ausgleichen, indem er den Betrieb mit einer negativen Leitwertzahl Yn und dem voreilenden Strom wechselt. Es sind keine Umschaltungen oder Neueinstellungen nötig, um vom Induktiv- auf Kapazitivbetrieb zu wechseln. Die Fähigkeit dieses Umsetzers zur zweiseitigen Regelung ist beim Aufbau von Löscheinrichtungen aufgrund von Kosten- oder anderen Gründen ausnutzbar.
Neben der Ausgestaltung der Löscheinrichtung auf der Basis des erwähnten Umsetzers sind auch weitere Ausgestaltungen möglich, deren Auswahl durch technischwirtschaftliche Gründe bedingt ist.
Eine gute Ausgestaltung ist, wenn die Löscheinrichtung durch eine unregelbare für eine Halbleistung Q_N/2 ausgelegte Spule und einen für eine Halbleistung Q_N/2 ausgelegten PWM-Folge-Umsetzer ergänzt ist. Bei einer Regelung des Umsetzers innerhalb des Vollbereichs von ±Q_N/2 ist die Gesamtadmittanz im vollen Bereich von Null bis zum Nennwert geregelt.
Ähnlich kann aus Kosten- oder anderen Gründen (z. B. bei Auslegung des Umsetzers für eine Unterspannung) die Anwendung von einem Anpassungstransformator nutzvoll sein.
Es kann auch zweckmäßig sein, diesen Transformator als Transformator-Drossel auszuführen, wobei die Leerlaufleistung der Hälfte der benötigten Nennleistung der Löscheinrichtung gleich ist. Die benötigte installierte Leistung des Folge-PWM-Umsetzers beträgt dabei die Hälfte der Nennleistung.
Der vorgeschlagene PWM-Folge-Umsetzer ist seinem Aufbau nach einem STATCOM (Statcom – static reactive power compensation) oder Stromrichter im Pulsbetrieb ähnlich. Die Haupteigenschaft von STATCOM ist die Fähigkeit, einen beliebigen Phasenstrom in Bezug auf Netzspannung zu generieren. Der vorgeschlagene PWM-Folge-Umsetzer kann:

– als Zweipol mit einer steuerbaren Impedanz (Admittanz) arbeiten. Dadurch können eine Ladestromkompensation und eine Lichtbogenlöschung erreicht werden. Dabei ermöglichen ein Schnellregler des Steuerungssystems in Kombination mit praktisch trägheitsfreien Halbleiter-Kraftschaltern, eine wirksame Oberwellenunterdrückung sowie einen günstigen Übergangsprozessablauf sowohl beim Dauererdkurzschluss als auch bei intermittierenden Durchschlägen zu erreichen;
– im Transformatorsternpunkt Testsignale mit der erforderlichen Leistung und einem beliebigen Oberschwingungsgehalt generieren, welcher für eine präzise Identifikation der Drehstromnetzkenngrößen erforderlich ist. Dabei ist keine zusätzliche Ausrüstung bis auf einen Softwarebereich eines Mikrorechners im Steuerungssystem nötig. Unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der modernen leistungsfähigen Mikrorechner setzt dies keinen zusätzlichen Materialaufwand voraus;
– als Zweipol mit Wirklasteigenschaft, d. h. Widerstand arbeiten (ohne dass dabei eine Energieverzehrung und -zerstreuung vorliegt, bis auf kleine Verluste in Schaltelementen). Das ermöglicht, überspannungsfördernde HF-Schwingungen zu dämpfen;
– beliebige der oben genannten Betriebszustände während des Betriebs vereinigen. So können z. B. die Ladestromkompensation und der Dämpfungsbetrieb für Störschwingungen und Überspannungen kombiniert werden, was beim Einsatz einer beliebigen Drossel als passives Bauelement nicht möglich ist.

Die genannte technische Aufgabe wird gemäß der Erfindung wie folgt gelöst. Die bekannte Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen weist einen Zweipol, einen Sternstromgeber, einen Netztransformator, einen Testsignalgenerator zur Netzkapazitätsmessung und eine Recheneinheit zur Ermittlung der benötigten Admittanz des erwähnten Zweipols auf. Der Zweipol verbindet dabei den Sternpunkt des Netzspeisetransformators mit Erde und erzeugt den nacheilenden Strom, um den voreilenden Kapazitätsstrom des einphasigen Erdschlusses auszugleichen. Gemäß der Erfindung ist ein pulsweitenmodulierter Folge-Spannungsumsetzer (PWM-Folge-Umsetzer) als Erdungszweipol verwendet. Neben dem üblichen Satz von Funktionseinheiten ist er mit einem Strom-Sollwerteinsteller versehen, dessen Eingänge die Sternpunktspannung und die benötigte Admittanz sind. Der Ausgang ist die Stromvorgabe, welche am Eingang des Stromreglers des erwähnten Folge-PWM-Umsetzers auftritt. Die Übertragungsfunktion des Strom-Sollwerteinstellers stellt eine nacheilende Phasenverschiebung um ca. 90 Grad auf die Netzfrequenz sicher.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers neben der (ersten) Blindkomponente eine Dämpfungskomponente aufweist, die dem Eingangssignal proportional ist. Die Dämpfungskomponente drückt sich beim Umsetzerbetrieb als Nebenwiderstand (virtueller Widerstand) aus.
Zudem ist vorgesehen, dass die Gleichspannungskondensatoren des Folge-PWM-Umsetzers (Speicherkondensatoren) „aufgehängt” ausgebildet sind (sie sind weder an eine Spannungsquelle noch an eine Spannungssenke mit vergleichbarer Leistung angeschlossen). Die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers ist durch eine zusätzliche Komponente (Gleichgewichtskomponente) ergänzt. Sie ist je nach der Spannungsverstimmung der Speicherkondensatoren des Folge-PWM-Umsetzers erzeugt und gewährleistet die Aufrechterhaltung ihrer Spannungen ungefähr um die Nennhöhe.
Der Erdungszweipol weist zusätzlich eine unregelbare Spule auf, die für die Hälfte der benötigten Blindleistung (Q_N/2) des Erdungszweipols ausgelegt ist. Sie ist dem Folge-WM-Umsetzer parallel geschaltet, der dabei für die gleiche Halbleistung (Q_N/2) ausge-legt ist. Die Regelung des Folge-PWM-Umsetzers in Vollbereich von –Q_N/2 bis +Q_N/2 (von den um 90 Grad voreilenden bis zu um 90 Grad nacheilenden Strömen) gewährleistet auch eine Regelung der Gesamtadmittanz im vollen Leistungsumfang von Null bis zum Nennwert Q_N.
Der PWM-Folge-Umsetzer kann über einen Anpassungstransformator angeschlossen sein.
Der PWM-Folge-Umsetzer kann auch über einen Anpassungstransformator (Transformator-Drossel) mit einer Leerlaufleistung Q_N/2 angeschlossen sein.
Der PWM-Folge-Umsetzer kann neben der Hauptfunktion (kapazitive Stromkompensation) auch einen Teststrom oder eine Testspannung im Netzsternpunkt einleiten (einspeisen). Die benötigte Admittanz kann im Steuerungssystem anhand der Antwort der Testfrequenz in der Sternpunktspannung berechnet werden.
Die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers weist neben der Blindkomponente (Kompensationskomponente), Dämpfungskomponente und Gleichgewichtskomponente eine zusätzliche Komponente auf und zwar ein Testsignal, dessen Frequenz (ωtest) der Netzfrequenz (ωs) ungleich ist (z. B. ωtest = 0,5 ωs). Dieses Testsignal ist im Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers generiert.
Das Testsignal stellt eine Summe von zwei oder mehr harmonischen Komponenten mit jeweils verschiedener Frequenz ungleich der Netzfrequenz dar.
Das Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers ist auf der Basis von einem leistungsstarken Signalprozessor ausgebildet, und die Ausführung von den für die Erdschlussstromlöschungseinrichtungen in den Drehstromnetzen spezifischen Funkionen (wie etwa: Testsignalgeneration, Bearbeitung von Antworten auf Testsignale und Berechnung von erforderlichen Kennwerten) sind mit unspezifischen (üblichen) Steuerungsfunktionen des Folge-PWM-Umsetzers vereinigt. Somit entfällt die Anwendung von zusätzlichen Geräten.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 die Ersatzschaltung ( aus [3]) eines Drehstromnetzes mit ungeerdetem Nullpunkt mit einer Löschdrossel im Sternpunkt,
2a die bekannte einphasige Brückenschaltung eines Spannungsumsetzers mit drei Wechselspannungsebenen,
2b die bekannte einphasige Fünfebenenschaltung des Spannungsumsetzers,
3a, 3b bekannte Ausgestaltungen des Spannungsumsetzers, welche nach einer Mehrebenen-Modulschaltung ausgebildet sind,
4 die Schaltung einer aktiven Löscheinrichtung, die auf Basis von einem einphasigen Folge-PWM-Umsetzer ausgebildet ist,
5 das Strukturbild eines Dreikomponenten-Strom-Sollwerteinstellers DCB (D – Dämpfung, C – Kompensation, B – Gleichgewicht), dessen Funktionseinheiten auf Basis von einem leistungsstarken Signalprozessor realisiert sind,
6 eine mögliche Ausgestaltung der Gleichgewichtsreglereinheit, die ein Bestandteil des Strom-Sollwerteinstellers ist.
7a ein Netz mit zwei Speisetransformatoren mit einer Bogen-Löschungsspule auf dem ersten Trafo und mit einem Folge-PWM-Umsetzer auf dem zweiten Trafo,
7b die Ersatzschaltung nach dem Netzsternpunkt für das Netz aus 7a,
8 die Ausgestaltung der Löscheinrichtung mit Parallelbetrieb der unregelbaren Drossel und des Folge-PWM-Umsetzers,
9 die Ausgestaltung der Löscheinrichtung mit einem Anschluss des Folge-PWM-Umsetzers über einen Anpassungstransformator oder eine Transformator-Drossel,
10 die Schaltung der sich automatisch anpassenden Löscheinrichtung mit dem Folge-PWM-Umsetzer,
11a das Funktionsschaltbild zur Ermittlung der Widerstandskomponente Gn und der Kapazitätskomponente Yn des Netzleitwerts sowie der benötigten Kompensationsleitwertzahl Yz,
11b die Ersatzschaltung des Netzes mit einer Testfrequenz f', die ungleich der Netzfrequenz f ist,
12 das Funktionsschaltbild zur Ermittlung der Widerstandskomponente Gn und der Kapazitätskomponente Yn des Netzleitwerts sowie der benötigten Kompensationsleitwertzahl Yz für den Fall, bei dem der Folge-PWM-Umsetzer parallel mit einer unregelbaren Löschdrossel in einer Schaltung nach 7a oder in Schaltungen nach den 8 und 9 arbeitet,
13 das Spannungsschaltbild der Ersatzschaltung nach 1 und
14–23 die Prozessdiagramme, die beim Ausgleich des Kapazitätsstromes und der Netzidentifikation mittels mathematischer Modellierung im Softwarepaket MathCad ermittelt wurden.
Die Ersatzschaltung des Netzes mit einer Löschdrossel [3] nach 1 schildert das Hauptprinzip einer Erdschlussstromlöschung und einer Lichtbogenlöschung. Die Löschdrossel ist an dem Netzsternpunkt und an Erde angeschlossen. Die Streukapazitäten der Phasen in Bezug auf Erde sind mit Ca, Cb, Cc bezeichnet.
Die Einrichtung gemäß der angemeldeten technischen Lösung – der Folge-PWM-Umsetzer 1 – kann in seinem statischen Zustand mit Hilfe der Zeichnungen nach 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 beschrieben werden.
Der PWM-Folge-Umsetzer 1 zur Anwendung in einer Bogenlöscheinrichtung kann nach einer beliebigen bekannten Schaltung der Spannungsumsetzer ausgebildet werden:

– nach einer Einphasenbrückenschaltung mit drei Wechselspannungsebenen (2a),
– nach einer einphasigen Fünfebenenschaltung (2b) oder
– nach einer Mehrebenen-Modulschaltung [15], (3a, 3b).

Die Auswahl einer Schaltung wird durch die jeweiligen Anwendungsbedingungen festgelegt. Die Pulsweitenmodulation muss ausreichend hochfrequent sein. Die Welligkeit der Weitenmodulation wird von einem LC-Filter unterdrückt (in 2 und 3 nicht abgebildet). Die Reaktanz x = ω_sL und die Admittanz Y = ω_sC des Filters bei der Netzfrequenz ω_s sind vernachlässigbar klein. Der PWM-Folge-Umsetzer 1 ist mit einem üblichen Satz von Einheiten bestückt, um den PWM-Folge-Umsetzer 1 auszuführen und zwar: ein Transistor-Treiber, Sensoren und ein ziemlich leistungsstarker Signalprozessor. Der letztere erfüllt die Funktionen eines Modulators sowie die erforderlichen zusätzlichen Funktionen. Der Folge-PWM-Umsetzer 1 weist folgende wesentliche Eigenschaften auf: Die Ausgangsspannung des Umsetzers V_ae(t) gibt ein Vorgabesignal v_z(t) präzise genug wieder; ohne Rücksicht auf den Maßstab kann dies wie folgt beschrieben werden: V_ae(t) ≈ v_z(t) (1)
Darüber hinaus wirkt der Umsetzer 1 nicht als ein Energiespeicherungsbauteil und nicht als Energiestreubauteil (non-energetic; non-dissipativ); die Ausgangsleistung des Umsetzers P_ae(t) fällt mit der Leistung zusammen, die in den Gleichspannungskreis Pd(t) eintritt: P_ae(t) = V_ae(t)·i_ae(t) ≡ Pd(t) = v_d(t)·i_d(t) (2) (wobei v_d, i_d die Spannung und der Strom im Gleichspannungskreis des Umsetzers und i_ae der Ausgangsstrom des Umsetzers sind).
Bei einer Mehrebenen-Modulschaltung mit mehreren Speicherkondensatoren wird die letztere Gleichung eine Summe
beinhalten. Bei gröberer Betrachtung kann anstelle der Summe ein äquivalenter Kondensator eingesetzt werden. Für die weitere Betrachtung gilt, dass das aktive Element PWM-Folge-Umsetzer 1 ein steuerbarer Vierpol mit zwei Anschlüssen (Ports) für Wechselstrom V_ae, i_ae und Gleichstrom v_d, i_d ist, der durch die Gleichungen (1, 2) beschrieben ist.
Die aktive Bogenlöscheinrichtung ist in 4 abgebildet, indem der Wechselspannungsport des einphasigen Folge-PWM-Umsetzers 1 zwischen dem Sternpunkt des Netzspeisetransformators 2 und der Erdung 3 in Reihenschaltung mit einem Stromgeber 4 angeschlossen ist. In Bezug auf das Drehstromnetz (Liniendarstellung in 4) ist diese Einrichtung ein steuerbarer Zweipol. Der Gleichspannungsport (oder -ports) ist beim Einsatz des Folge-PWM-Umsetzers 1 in der Bogenlöscheinrichtung nur an den Speicherkondensator 5 (Kondensatoren) angeschlossen. Es ist keine Anbindung an eine Gleichspannungsquelle oder Gleichspannungssenke mit vergleichbarer Leistung erforderlich. Es reicht nur ein Anschluss an ein Kleinleistungs-Ladegerät für eine Vorladung der Kondensatoren 5 aus. Beim Einsatz in der Bogenlöscheinrichtung weist der Folge-PWM-Umsetzer 1 neben den unspezifischen Funktionseinheiten, wie Modulator 6 (mdl), Stromregler 7 (regi), eine spezifische Funktionseinheit, nämlich einen Sollwerteinsteller 8 für den nacheilenden Strom iz(t), auf. Der Sollwerteinsteller 8 ist mit geniz bezeichnet. Die 4 weist noch folgende Baueinheiten auf, die zum Folge-PWM-Umsetzer 1 gehören:

– einen eigentlichen Spannungsumsetzer 9 (Leistungsteil, der nach einer der Ausgestaltungen nach 2 und 3 ausgebildet ist),
– ein LC-Filter 10, das die Welligkeit der Weitenmodulation unterdrückt,
– einen Addierer 11 und
– eine Stromversorgung 12 für den Eigenbedarf (bpsn) zur Speisung der Steuerung.

In 4 sind auch Sammelschienen 13 des Drehstromnetzes mit Schaltern 14 sowohl an der Seite des Speisetransformators 2 als auch an der Seite der Verbraucher (in 4 sind die Verbraucher nicht abgebildet) und dem Netztransformator 15 dargestellt.
In 5 ist das Strukturbild des Dreikomponenten-Stromsollwerteinstellers 8 iz(t) DCB (D – Dämpfung, C – Kompensation, B – Gleichgewicht) dargestellt, dessen Funktionseinheiten auf der Basis eines leistungsstarken Signalprozessors ausgebildet sind.
Das Strukturbild umfasst:

– Addierer 16, 17, 18,
– Multiplizierer 19, 20, 21,
– Integratoren 22, 23,
– eine Gleichgewichtsreglereinheit 24 und
– eine Spannungs- oder Energiereglereinheit 25 für die Speicherkondensatoren 5 des Spannungsumsetzers 9.

Die Eingangssignale des Stromsollwerteinstellers 8 sind Signale, die im Steuerungssystem berechnet werden:

– vn – die Sternpunktverschiebungsspannung,
– Gdemp – die Leitzahl-Dämpfung,
– Yz – die erforderliche Leitzahl Kompensation,
– εz – die (berechnete) Energieenebene des Speicherkondensators (Kondensatoren) 5 und
– ud – der aktuelle Spannungs-(Mess)wert des Speicherkondensators (Kondensatoren) 5.

6 zeigt eine der möglichen Ausgestaltungen der Gleichgewichtsreglereinheit 24. Die Gleichgewichtsreglereinheit 24 weist einen PID-Schnellregler 26 (Proportional-Integral-Differential-Regler) und ein Filter 27 der zweiten Harmonischen auf. Der PID-Regler umfasst ein Integralglied 28, ein Proportionalglied 29 und ein Differentialglied 30 mit den jeweiligen Zeitkonstanten tint, t1, tdif. Die Ausgänge der Glieder 28, 29, 30 werden im Addierer 31 mit den entsprechenden Koeffizienten 1, Kpr, Kdif summiert. Um Pulsationen zu vermindern, ist die zweite Harmonische zusätzlich mit Hilfe einer Synchronfiltration gefiltert. Dafür kommt das Ausgangssignal Gbal' des Addierers 31 auf den Eingang des Filters 27 der zweiten Harmonischen. Das Ausgangssignal Gbal der Gleichgewichtsreglereinheit 24 kommt auf einen der Eingänge des Multiplizierers 21 (s. 5).
In 7a ist das Netz mit zwei Speisetransformatoren 32 und 2 mit einer Bogen-Löschungsspule 33 beim ersten Speisetrafo 32 und mit einem Folge-PWM-Umsetzer 1 beim zweiten Speisetrafo 2 abgebildet. Die 7b weist das Sternpunkt-Ersatzschaltbild auf, welches zur Identifikation der Netzparameter im Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers 1 benutzt ist, der den Sternpunkt des zweiten Transformators 2 erdet. Das Ersatzschaltbild (7b) besteht aus parallel geschalteten L, C und R, deren Werte im Steuerungssystem berechnet werden (auf dem Schaltbild sind mit in und vn jeweils der Sternpunktstrom und die Sternpunktspannung bezeichnet).
Die 8 stellt eine Ausgestaltung der Löscheinrichtung mit Parallelbetrieb der unregelbaren Drossel 34 dar, die für die halbierte benötigte Blindleistung des Erdungszweipols (Q_N/2) ausgelegt und mit einem Folge-PWM-Umsetzer 1 versehen ist, der für die gleiche Leistung (Q_N/2) ausgelegt ist.
Die 9 zeigt eine Ausgestaltung der Löscheinrichtung mit einem Anschluss des Folge-PWM-Umsetzers 1 über einen Anpassungstransformator 35.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung (mit gleichem Schaltbild wie in 9) ist die Ausbildung des Anpassungstransformators 35 in Form einer Transformator-Drossel, deren Leerlaufleistung der halbierten Nennleistung der Löscheinrichtung (Q_N/2) entspricht. Die benötigte installierte Leistung des Folge-PWM-Umsetzers 1 ist dabei gleich der Hälfte der Nennleistung (Q_N/2).
Die 10 zeigt ein Schaltbild der sich automatisch anpassenden Löscheinrichtung mit einem Folge-PWM-Umsetzer 1. Die automatischen Anpassungsfunktionen werden in der Einheit 36 für die automatische Anpassung der Mikroprozessorsteuerung ausgeführt. Die Einheit 36 für die automatische Anpassung beinhaltet:

– eine Untereinheit 37 zur Berechnung der benötigten Admittanz (Leitwertzahl des Sternpunkts) für einen aktiven Zweipol-Folge-PWM-Umsetzer 1 und
– einen Testsignalgenerator 38.

Die Steuerung ist zwecks der automatischen Anpassung mit einem Addierer 39 versehen.
Die 11a zeigt ein Funktionsschaltbild zur Ermittlung der Widerstandskomponente Gn und der Kapazitätskomponente Yn des Netzleitwerts sowie der benötigten Kompensationsleitwertzahl Yz.
Folgende Bezugszeichen werden in 11a verwendet:

– ein Generator 40 (genθ). Er erzeugt ein orthogonales sinusförmiges Paar der Variablen cosθ und sinθ. Dieses Paar hat eine Frequenz f', die ungleich der Netzfrequenz f ist,
– Multiplizierer 41, 42, 43, 44,
– ein Addierer 45, Tiefpassfilter 46, 47 und
– eine Recheneinheit 48 zur Berechnung der Widerstandskomponente Gn' und der Kapazitätskomponente Yn' des Netzleitwerts bei der Testfrequenz f', die ungleich der Netzfrequenz f ist.

In 11b ist die Ersatzschaltung des Netzes bei der Testfrequenz f' abgebildet, die ungleich der Netzfrequenz f ist.
12 zeigt das Funktionsschaltbild zur Ermittlung der Widerstandskomponente Gn und der Kapazitätskomponente Yn des Netzleitwerts sowie der benötigten Kompensationsleitwertzahl Yz für den Fall, wenn der Folge-PWM-Umsetzer 1 parallel mit einer unregelbaren Löschdrossel in einer Schaltung nach 7a oder in Schaltungen nach der 8 oder der 9 arbeitet. Die Schaltung ist ähnlich wie in 11a gestaltet und unterscheidet sich davon durch einen Doppelsatz von Vervielfachern (es sind die Multiplizierer 49, 50, 51 hinzugefügt) und den Tiefpassfiltern (es sind die Filter 52, 53 hinzugefügt) sowie durch einen eingeleiteten Addierer 54.
Der Folge-PWM-Umsetzer 1 weist (s. 4) die üblicherweise in ähnlichen Einrichtungen eingesetzten Funktionseinheiten auf: einen Modulator 6 und einen Stromregler 7. Um ihn als Löscheinrichtung anzuwenden, wird der Folge-PWM-Umsetzer 1 durch eine spezifische Funktionseinheit, einen Sollwerteinsteller 8 für nacheilenden Strom iz(t), ergänzt.
Bei einer ziemlich hohen Modulationsfrequenz bereitet die Gestaltung des Stromreglers 7 keine Schwierigkeiten. Dabei stellt die Gestaltung des Stromreglers 7 die Gleichheit des Ausgangsstroms des Folge-PWM-Umsetzers 1 mit einer Vorgabe: i_ae = i_z sicher.
Der Stromsollwerteinsteller 8 bildet eine Variable i_z(t), die im stationären Zustand der Verschiebungsspannung vn um einen Winkel von ca. 90° nacheilt. v_n = ¹/₃(v_sa + v_sb + v_sc). (3) wobei die Summanden in der Klammer die Netzphasenspannungen sind, die vom Netzspannungstransformator 15 gemessen werden.
Um eine solche nacheilende Variable zu bekommen, kann als Übertragungsfunktion des Stromsollwerteinstellers 8 einfach die Admittanzfunktion der Petersenspule angewendet werden: iz = 1 / p·Lo + Ro·v_n, (4) wobei Lo, Ro – die Induktivität und der Widerstand der Spule sind. Dabei arbeitet der Folge-PWM-Umsetzer 1 wie ein passiver Zweipol. Die Anwendung des Folge-PWM-Umsetzers 1 erlaubt es, zwei Schritte voran zu machen. Erstens kann der Folge-PWM-Umsetzer 1 im Leistungskreis nicht nur eine Induktivitätsspule sondern auch eine Kombi-Schaltung nachbilden, welche aus einer Induktivität und einem Nebenwiderstand R₀₀ besteht: iz = ( 1 / Roo + 1 / pLo + Ro)·v_n, (5)
Diese Induktivität und der Widerstand sind virtuell; sie werden maximal als ein Paar von Operatoren in der Mikroprozessorsteuerung des Folge-PWM-Umsetzers 1 ausgeführt und zeigen sich in der Leistungsschaltung als Drossel und Widerstand. Bei den in [14] beschriebenen Bogenlöscheinrichtungen behält der Dämpfungswider stand R₀₀ der kombinierten Bogenlöschschaltung seine Funktion auch im stationären Zustand bei, auch wenn er nicht mehr benötigt wird, und verschlechtert dabei die Betriebskenndaten. Beim Folge-PWM-Umsetzer 1 kann eine weitere Verbesserung vorgenommen und die Wirkung des virtuellen Dämpfungswiderstands, je nachdem dass er nicht mehr benötigt wird, behoben werden. Bei einem System mit aktiver Bogenlöschung ist dieser Schritt nicht nur möglich sondern auch erforderlich. Die vom virtuellen Widerstand aufgenommene Energie
wird vom Spannungsumsetzer 9 in das Gleichspannungsglied (Speicherkondensator 5) weitergeleitet. Bei der vorgeschlagenen Bogenlöschschaltung ist das Gleichspannungsglied an keine Quelle mit vergleichbarer Leistung sondern nur an die Speicherkondensatoren 5 angeschlossen. Um die Spannung (Ud) der Speicherkondensatoren 5 rings um die Nennspannung (Udz) aufrechtzuerhalten, muss die Stromvorgabe iz durch eine dritte Komponente, und zwar eine Gleichgewichtskomponente ibal, ergänzt werden. Die Gleichgewichtskomponente wirkt in der Richtung der Grundharmonischen v_n ⁽¹⁾ der Spannung des Sternpunkts v_n. Der Einwirkgrad ist durch die Gleichgewichts-Leitwertzahl Gbal festgelegt: ibal = Gbal·v_n ⁽¹⁾, (6), der seinerseits durch den Spannungs- oder Energieregler der Speicherkondensatoren des Umsetzers bestimmt wird: Gbal(p) = F(p)·(Ez – Ed), Ed = Cd·(Ud)²/2, Ezd = Cd·(Udz)²/2. (7), wobei

F(p): – die Umwandlungsfunktion der Gleichgewichtsreglereinheit und
Ez: und Ed – jeweils der Auslegungsenergiegrad (Nennenergiegrad) und der gemessene (berechnete) Energiegrad des Speicherkondensators(-kondensatoren) 5 sind.

Damit ist ein System eines Strom-Sollwerteinstellers für die aktive Löscheinrichtung erzielt, bei dem der Einstellstrom sich aus drei Bestandteilen zusammensetzt (5):

– einer Kompensationskomponente, die orthogonal zur Sternpunktspannung mit der Leitwertzahl der Kompensation Yz einwirkt:

icomp = Yz·v_n,ort; (8)

– einer Dämpfungskomponente, die gemäß allen Komponenten der Sternpunktspannung mit der Leitwertzahl der Dämpfung einwirkt:

idemp = Gdemp·v_n, (9)

– einer Gleichgewichtskomponente, die in Richtung der Grundharmonischen der Sternpunktspannung mit der Gleichgewichtsleitwertzahl Gbal einwirkt, wobei die Gleichgewichtsleitwertzahl Gbal durch den Spannungsgleichgewichtsregler (Energiegleichgewichtsregler) der Speicherkondensatoren (6, 7) bestimmt wird.

Die Stromvorgabe iz ist eine Summe von (Addierer 16 in 5) iz = icomp + idemp + ibal. (10)
Die Grundharmonische v_n ⁽¹⁾ und die orthogonale Komponente V_n,ort können mit Hilfe eines Filters zweiter Ordnung aus 5 (Einheiten 17, 22, 23),
oder auf eine andere Weise ermittelt werden.
Die aktive Bogenlöscheinrichtung auf der Basis eines Folge-PWM-Umsetzers 1 mit einem Dreikomponenten-Stromgeber DCB (D – Dämpfung, C – Kompensation, B – Gleichgewicht) sorgt für eine Dämpfung, die nicht schlechter als bei einer Kombi-Löschschaltung gemäß der Beschreibung in [14] ist (Drossel mit Widerstand). Sie stellt dabei jedoch eine volle Kompensation des Kapazitätsstroms bei stationären Kurzschlusszuständen sicher.
Wie bereits oben erwähnt, werden regelbare Löscheinrichtungen bei Anwendung in verzweigten Netzen mit einem automatischen Einstellsystem versehen. Ihre Wirkung beruht darauf, dass den Hauptkomponenten von Sternpunktstrom oder -spannung ein Testsignal hinzugefügt wird, dessen Frequenz ungleich der Netzfrequenz ist. Anhand der Antwort auf das Testsignal werden Kennwerte der Netzersatzschaltung gemäß Sternpunkt ermittelt. Anhand dieser Kennwerte wird die benötigte Leitzahl der Erdungsvorrichtung bestimmt. Zu diesem Zweck werden in den Bogenlöscheinrichtungen mit Tauchkerndrosseln oder in den mittels Vormagnetisierung gesteuerten Drosseln eine spezielle zusätzliche Wicklung und eine spezielle Einheit des Testsignalgenerators und des Antwortanalysators [5, 7, 9, 10] angewendet. Bei der Anwendung der vorgeschlagenen Einrichtung werden die Aufgaben für eine automatische Anpassung wesentlich vereinfacht. Der Folge-PWM-Umsetzer 1 kann den Teststrom bzw. die Testspannung im Netzsternpunkt parallel mit der Ausführung seiner Grundfunktion ohne jegliche Nachrüstung einleiten. Das erwünschte Testsignal itest wird dem Stromvorgabesignal iz des Umsetzers mit Hilfe des Addierers 39 hinzugefügt: iz' = iz + itest, (11), wie es in 10 gezeigt ist. Dank dem Stromregler 7 und dem Spannungsumsetzer 9 wird im Netzsternpunkt ein solcher Strom angelegt, der der Vorgabe gleich ist, d. h. der Sternpunktstrom bekommt noch eine Komponente der Testfrequenz, die mit der Komponente der Netzfrequenz gemischt wird. in ≅ iz + itest. (12),
Somit führt der Folge-PWM-Umsetzer 1 gleichzeitig mit seiner Grundfunktion auch die Funktion eines leistungsstarken Niederfrequenzverstärkers aus, der in Bogenlöscheinrichtungen mit Induktivitätsspulen [5, 7, 9, 10] eine separate zusätzliche Einrichtung darstellt. Die Erzeugung von einem Testsignal im vorgeschlagenen System bedarf überhaupt keiner zusätzlichen Ausrüstung. Das Signal itest wird durch die Mikrorechner-Steuerung des Folge-PWM-Umsetzers 1 erzeugt und im Folge-PWM-Umsetzer 1 selbst ohne jegliche zusätzliche Hardware verstärkt. Die Auswertung der Testsignalantwort wird ebenfalls von der Mikrorechner-Steuerung des Folge-PWM-Umsetzers 1 vorgenommen. Es sind wiederum keine separaten zusätzlichen Einrichtungen im Bogenlöschsystem benötigt. Alle dafür erforderlichen Variablen sind im Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers 1 bereits vorhanden, denn sie sind auch für die Ausführung seiner Grundfunktion gebraucht. Die Rechenkapazitäten der modernen Signalprozessoren erlauben es ohne Weiteres, die Antwortberechnungen sowie ihre Verarbeitung und die Ausführung der Grundfunktionen gleichzeitig durchzuführen. Die Erledigung der Aufgabe hinsichtlich der automatischen Ermittlung der erforderlichen Leitwertzahl der Löscheinrichtung (Einheiten 37 und 38 in 10) kann nach einem der bekannten angewendeten Algorithmen erfolgen.
11 zeigt eines der möglichen Funktionsschaltbilder zur Ermittlung der benötigten Leitwertzahl Yz. Dieses Funktionsschaltbild ist nach dem Prinzip der Synchronfilterung aufgebaut. Der Generator 40 (genθ) erzeugt ein orthogonales sinusförmiges Paar der Variablen cosθ und sinθ mit einer Frequenz f' die ungleich der Netzfrequenz f ist: f' ≠ f, θ' = ∫f'.
Die Größe der Sternpunktspannung v_n wird vom Addierer 45 gemäß der Gleichung (3) berechnet.
Das Testsignal itest(t) wird mit Hilfe des Multiplizierers 41 bestimmt: itest = Itest × cosθ', wobei Itest die ausgewählte Teststromamplitude ist. In einem orthogonalen Achsensystem beträgt die Komplex-Teststromamplitude Itest = Id + j·Iq, Iq ≡ 0 .
Die Komplexamplitude der Antwort Vtest = Vd' + j·Vq' wird aus der Sternpunktspannung v_n nach dem Synchronfilterungsverfahren mittels Multiplikation von v_n mit den Bezugsvariablen cosθ und sinθ (Multiplizierer 42 und 43) und nachher mit Hilfe der Tiefpassfilter 46 und 47 ausgesondert. Die Widerstandskomponente Gn' und die Kapazitätskomponente Yn' des Leitwerts werden durch die Einheit 48 zur Berechnung der Netzleitwertkomponenten aufgrund der Komponenten der Komplexamplituden berechnet:
Anhand des kapazitiven Leitwerts bei der Testfrequenz f' wird nachher die benötigte Leitwertzahl bei der Netzfrequenz (mittels des Multiplizierers 44) ermittelt: Y_z = ^f/_f'·Y ' / n. (20)
Alle Handlungen gemäß dem Schaltbild nach 11 werden von der Mikrorechnersteuerung des Folge-PWM-Umsetzers 1 ausgeführt. Es ist keine zusätzliche Hardware erforderlich.
Beim Betrieb des Umsetzers parallel mit der unregelbaren Löschdrossel in einer Schaltung nach 7a oder in Schaltungen nach 8 oder 9 wird das Sternpunkt-Ersatzschaltbild zum Stromkreis zweiter Ordnung (7b). Der Algorithmus der automatischen Anpassung mit einem Testsignal f' ≠ f erweist sich unter diesen Bedingungen als unzureichend. Jedoch kann dieser Algorithmus ohne Weiteres modifiziert werden. Um die Parameter mit einer komplizierteren Ersatzschaltung in der Einheit 36 für die automatische Anpassung (10) identifizieren zu können, muss die Generation von einem Zweifrequenz-Testsignal mit den Frequenzen f', f'' vorgesehen werden, die sich voneinander sowie von der Netzfrequenz f unterscheiden: f' ≠ f'' ≠ f.
Das Testsignal wird von dem Generator 40 und dem Addierer 54 in folgender Form erzeugt: itest = Id₁·cosθ' + Id₂·cosθ'', θ' = ∫f', θ'' = ∫f''.
Beim Funktionsschaltbild nach 12 wird zur Antwortbearbeitung ein Doppelsatz der Multiplizierer (41, 42, 43, 49, 50, 51) und der Tiefpassfilter (46, 47, 52, 53) benutzt, deren Ausgänge Komponenten der Antwort (auf das Testsignal) Vd', Vq', Vd'', Vq'' sind. Anhand dieser Größen werden unter Berücksichtigung von Iq' = 0, Iq'' = 0, in der Einheit 48 (calc) L_n, C_n, R_n berechnet, und danach wird die benötigte Leitwertzahl des Sternpunkts für den Folge-PWM-Umsetzer 1 ermittelt.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiter-Umseizers wird anhand der Prozessdiagramme beim Ausgleich des Kapazitätsstroms und der Netzidentifikation geschildert, die mittels mathematischer Modellierung im Softwarepaket MathCad (14–23) ermittelt wurden.
Zwecks Vergleichsforschung der Möglichkeiten der aktiven Bogenlöschung sind die Ergebnisse der Modellierung eines kombinierten Lichtbogenlöschungssystems [14] dargestellt. In diesem System ist eine Löschungsspule mit der Induktivität Lo und dem Dämpfungswiderstand mit einem Widerstand Roo verwendet. Es wird ein Netz mit Netzspannung 6,3 kV und Leistung 5,6 MVA betrachtet, worin der kapazitive stationäre Erdschlussstrom ca. 100 A beträgt. Die Nennreaktanz der Löschungsspule ist ω_s·Lon = 36.75 Ω.
Die tatsächlich einstellbare Spuleninduktivität Lo kann sich von dem benötigten Wert wesentlich unterscheiden. Der betrachtete Bereich beginnt mit ^Lo/_Lon ≅ 0.8 (Überkompensation) und endet mit ^Lo/_Lon ≅ 1.25 (Unterkompensation). Die in diesem Teil betrachteten Prozesse dienen als Basis für die nachfolgende Einschätzung des Systems mit der aktiven Lichtbogenlöschung. Die Prozesse werden in der einfachsten Ersatzschaltung (13) betrachtet.
Die Diagramme Arc 02 19 (14) betreffen einen Prozess mit einem hohen Widerstand des Nebenwiderstands.
so dass nur die Löschungsspule arbeitet. Die Induktivität der Löschungsspule wurde mit Überkompensation genommen ^Lo/_Lon ≅ 0.8.
Die oberen Diagramme zeigen Spannungen auf der Durchschlagstrecke vd(·) sowie Spannung v0(·) auf dem Erdungs-Zweipol. Es wurde auch eine kritische Spannungskennlinie vkrit gebaut. Wird diese kritische Spannung erreicht, so kommt ein Streckendurchschlag zustande. Die mittleren Diagramme zeigen den Bogenstrom id(·) und den Erdungszweipolstrom i0(·). Die unteren Diagramme schildern die Phasenspannungen va(·), vb(·), vc(·) in Bezug auf Erde.
Die Diagramme zeigen, dass der Prozess bei einem hohen Widerstand des Nebenwiderstandes ganz unbefriedigend ist. In der Strecke t = 600 ms wechseln wiederkehrende Durchschläge einander ab. Die Überspannungen erreichen die Verhältniszahl von Ampv / v = 2.6, und die im Bogen ausgelöste Energie erreicht Endu = 5,2 kJ.
Die Diagramme Arc 02 20 (15) zeigen, dass der Einsatz eines Nebenwiderstands mit einem geringeren Widerstand
den Prozess verbessert. Nach fünf aufeinander folgenden Durchschlägen baut sich die Durchschlagfestigkeit der Isolierstrecke wieder auf, und der normale Betriebszustand des Netzes stellt sich ein. Die maximale Überspannung sinkt auf = 2,45, und die Energieabgabe an der Durchschlagstelle fällt auf 1,9 kJ ab.
Die Diagramme Arc 02 23 (16) betreffen gleiche Prozesse wie oben, jedoch unter Unterkompensationsbedingungen
Die Ergebnisse sind denen aus obiger Beschreibung ähnlich: Der normale Netzbetrieb baut sich beim Zwischenleitwert des Nebenwiderstands nach mehreren Durchschlägen wieder auf.
Die Diagramme Arc 02 26 (17) zeigen Abläufe bei einer Feineinstellung der Kompensation
Während der Feineinstellung steigt die Wiederkehrspannung langsam an. Unter diesen Bedingungen trägt der Nebenwiderstand zur Prozessverbesserung nicht bei. immerhin erweist sich die Verwendung des Nebenwiderstands als nutzvoll, denn er mildert den Einfluss von unvermeidlichen Einstellungsfehlern ab.
Die oben dargelegte (s. 14, 15, 16, 17) Betrachtung der kombinierten Schaltung der Lichtbogenlöschung [14] dient als Hilfsinformation. Das dient dazu, sich eine Grundlage zur Einschätzung der vorgeschlagenen aktiven Löscheinrichtung zu verschaffen. Es wird die Schaltung nach 4 analysiert. Hier ist der Stromsollwerteinsteller 8 nach 5 ausgebildet. Die Ersatzschaltung des Netzes ist die gleiche (13) wie bei der Betrachtung einer kombinierten Lichtbogenlöschungseinrichtung [14]. Es werden auch die Kenndaten für die Ersatzschaltung sowie die Kenndaten für das Bogenmodell aufrechterhalten.
Die Diagramme Arc 05 01, 02, 03, (18, 19, 20) schildern die Abläufe für die aktive Löscheinrichtung bei einer Überkompensation (^Lo/_Lon = 0,8), bei einer Unterkompensation (^Lo/_Lon = 1.25) und bei einer Feineinstellung (^Lo/_Lon = 1). In der aktiven Bogenlöscheinrichtung ist der Widerstand Roo virtuell. Sein Leitwert wird mit Roo = 1,5 × ω_sLon angenommen.
Die Variablen sowie die Bezugszeichen in den Diagrammen Arc 05 01, 02, 03 stimmen mit den obigen überein.
Der Vergleich der Kennlinien für die aktive Löscheinrichtung Arc 05 01, 02, 03 (18, 19, 20) mit den Kennlinien für eine kombinierte Löscheinrichtung Arc 02 20, 23, 26 (15, 16, 17) zeigt, dass jede dieser Einrichtungen unter den betrachteten Bedingungen nach einer Reihe von Durchschlägen die Wiederherstellung des normalen Netzbetriebs sicherstellt. Aus folgender Tabelle geht hervor, dass auch die quantitativen Kennwerte ziemlich nah beieinander liegen:
Somit ist die aktive Bogenlöscheinrichtung unter den Bedingungen der wiederkehrenden Durchschläge der kombinierten Bogenlöscheinrichtung äquivalent [14], die aus einer Drossel und einem Widerstand besteht. Der Unterschied zwischen den Funktionseigenschaften dieser Einrichtungen lässt sich bei einer anderen Situationsklasse erkennen, wenn es sich um einen stationären und einen Dauererdkurzschluss handelt. In solchen Situationen reduziert das Energiegleichgewichtssystem der Speicherkondensatoren die aktive Stromkomponente gegen Null und vermindert damit den Strom in der Kurzschlussstrecke. Bei einer Feineinstellung wird der letztere gegen Null reduziert, wie es in den Diagrammen Arc 05 04, 04 (21, 22) gezeigt ist. Die kombinierte Schaltung [14] dagegen speist den Reststrom beim Dauerkurzschluss an der Kurzschlussstelle sogar bei Feineinstellung ein (Diagramme Arc 02 28 23). Dies ist zweifellos ihr Nachteil Bei einer ungenauen Einstellung lässt der Vorteil der aktiven Löscheinrichtung etwas nach, denn das Gleichgewichtssystem gleicht den Einstellungsfehler nicht aus. Nichtsdestotrotz wird eine gewisse Stromabnahme in der Kurzschlussstrecke erreicht.
Das ganze oben Dargelegte bezieht sich im gleichen Maße sowohl auf die Ausgestaltung der Löscheinrichtung aufgrund des Folge-PWM-Umsetzers 1 (4, 7, 10) als auch auf andere Ausgestaltungen (8, 9), deren Wahl durch technischwirtschaftliche Gründe bedingt ist.
Die 8 zeigt eine Ausgestaltung der Löscheinrichtung mit unregelbarer Drossel 34, die für die halbierte benötigte Blindleistung (Q_N/2) des Erdungszweipols ausgelegt ist, sowie mit einem Folge-PWM-Umsetzer 1, der für die gleiche halbierte (Q_N/2) Leistung ausgelegt ist. Wird der Umsetzer 1 im Vollbereich ±Q_N/2 geregelt, so wird auch die Gesamtadmittanz innerhalb des Vollbereichs von Null bis zum Nennwert geregelt.
Ähnlich kann sich auch die Anwendung von einem Anpassungstransformator 35 (9) aus Kosten- oder anderen Gründen (z. B., um den Umsetzer für den Niederspannungsbetrieb auszulegen) als nutzvoll erweisen. Dieser Transformator 35 kann auch als eine Transformator-Drossel ausgebildet werden, deren Leerlaufleistung der Hälfte der benötigten Nennleistung der Löscheinrichtung gleich ist. Die benötigte installierte Leistung des Folge-PWM-Umsetzers 1 beträgt dabei auch die Hälfte der Nennleistung.
Somit können folgende Ergebnisse kurz genannt werden:

– Es ist vorgeschlagen, als regelbare Löscheinrichtung ein aktives Element, und zwar einen PWM-Folge-Umsetzer 1, einzusetzen, sowohl allein als auch in Kombination mit einer unregelbaren Drossel 34 oder einer Transformator-Drossel 35.
– Es ist ein Steuerungsalgorithmus mit der Generation von einem Dreikomponenten-Signal der Stromvorgabe des Folge-PWM-Umsetzers 1 (DCB-Algorithmus) vorgeschlagen.
– Die vorläufige Vergleichsforschung der Eigenschaften der aktiven Löscheinrichtung und der kombinierten Löscheinrichtung vom RL-Typ [14] hat gezeigt, dass ihre Eigenschaften in den Situationen mit intermittierenden Durchschlägen nahe sind, und in Situationen mit Dauerkurzschlüssen hat die aktive Einrichtung mit dem PWM-Folge-Umsetzer 1 einen Vorteil.
– Die Krafteinrichtung des Folge-PWM-Umsetzers 1 und sein mikroprozessorgestütztes Regelungssystem können als Ausrüstung zum Netztesten und zur automatischen Einstellung der Löscheinrichtung benutzt werden, so dass jegliche zusätzliche Gerätetechnik zur automatischen Anpassung entfällt.

Somit ist bei der oben genannten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung die Ausführung der Grundfunktionen, nämlich der Kompensation des Kapazitätsstroms bei einem einpoligen Erdschluss sowie die Ausführung von zusätzlichen nutzvollen Funktionen sichergestellt. Bei diesen zusätzlichen Funktionen handelt es sich um die Identifikation des Netzes, ohne dass eine Hilfsausrüstung verwendet wird, eine schnelle Unterdrückung von Strom-Transientkomponenten, darunter bei wiederkehrenden Durchschlägen, eine beschleunigte Bogenstromabnahme sowie einen Abbruch des Kompensationsbetriebs, wenn kein Kurzschluss mehr vorliegt.
Aufgrund des oben Dargelegten ist die Aufgabe hinsichtlich der Entwicklung einer Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen auf der Basis eines einphasigen Folge-PWM-Umsetzers gelöst. Der Folge-PWM-Umsetzer verfügt neben der Grundfunktion auch über zusätzliche nutzvolle Funktionalitäten, wie die Identifikation des Netzes, die schnelle Unterdrückung von Strom-Transientkomponenten und die beschleunigte Bogenstromabnahme. Gleichzeitig werden die oben genannten Mängel behoben, die der mittels Vormagnetisierung gesteuerten elektrischen Drossel [5] eigen sind.
Quellennachweis:

1. Petersen W. Der aussetzende Erdschluss. ETZ, Bd 38, S. 553–555; ETZ, Bd 47, S. 564–566; ETZ, Bd 48, 1917.
2. Likhachev F. A. Erdkurzschluss in Netzen mit ungeerdetem Nullpunkt und mit kapazitiver Stromkompensation. M. Energie, 1971.
3. Chernikov A. A. Kompensation der kapazitiven Strömen in Netzen mit ungeerdetem Sternpunkt, M. Energie, 1974.
4. Bogenlöschdrosseln, technische Information. www.energan.ru., OOO ENERGAN, 2007.
5. Gernot Druml, Olaf Seifert. Bogenlöschdrosseln 6–35 kV. Neues Verfahren zur Ermittlung der Netzparameter. Nachrichten der Elektrotechnik, Heft 2 (44), 2007.
6. Koenigi R. Arc suppression coils – the key component of modern earth fault protection systems. Papp K. Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America (T&D-LA), p. 366–371, 2010.
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8. Mittels Vormagnetisierung gesteuerte Bogenlöschdrosseln mit automatischem Ausgleich des kapazitiven Stroms des Erdschlusses für Netzspannungen von 6–35 kV. Bryantsev A. M., Lourier A. I., Dolgopolov A. G. und andere. Elektritchestvo. Heft 7, 2000.
9. Steuerungs- und Schutzsysteme für mittels Vormagnetisierung gesteuerte Bogenlöschdrosseln. Bryantsev A. M., Dolgopolov A. G. Stromkraftwerke. Heft 2, 2000
10. Patent RU 2130677 , H02J 3/26, H02H 3/17, veröffentlicht am 20.05.1999. Erfinder: Bryantsev A. M., Dolgopolov A. G.
11. Peters I. F., Slepian I. Voltage Inducted by Arcing Grounds. Tr. AIEE, p. 478–489, 1923.
12. Zur Theorie der Überspannung infolge der Erdbögen im Netz mit ungeerdetem Nullpunkt. Dzhuvarly Ch. M., Elektritchestvo. Heft 6, S. 18–27, 1953.
13. Überspannungsforschung bei Bogenerdkurzschlüssen bei 6 und 10 kV Netzen mit ungeerdetem Nullpunkt. Belyakov N. M., Elektritchestvo. Heft 5, S. 31–36, 1957.
14. M. Il'yinykh, L. Sarin, A. Shirkovets, E. Buyanov. Kompensierter und kombiniert geerdeter Sternpunkt. 6 kV Netzbetriebserfahrung von einem Hüttenwerk. Nachrichten der Elektrotechnik, Heft 2 (44), 2007.
15. DE10103031B4 , 2011.12.01, H02M 5/42. Marquardt Rainer. Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern und Verfahren zur Steuerung einer derartigen Stromrichterschaltung

Claims

Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen mit einem Zweipol, der einen Sternpunkt eines Netzspeisetransformators mit Erde (3) verbindet und einen nacheilenden Strom erzeugt, um einen voreilenden Kapazitätsstrom eines einphasigen Erdschlusses auszugleichen, sowie mit einem Sternstromgeber (4), einem Netztransformator (2), einem Testsignalgenerator (38) zur Netzkapazitätsmessung und einer Recheneinheit (48) zur Ermittlung einer benötigten Admittanz des erwähnten Zweipols, dadurch gekennzeichnet, dass als Erdungszweipol ein pulsweitenmodulierter Folge-Spannungsumsetzer (PWM-Folge-Umsetzer (1)) verwendet ist, der neben einem üblichen Satz Funktionseinheiten mit einem Strom-Sollwerteinsteller (8) versehen ist, dessen Eingänge die Sternpunktspannung und die benötigte Admittanz sind, und dessen Ausgang die Stromvorgabe ist, welche am Eingang des Stromreglers (7) des erwähnten Folge-PWM-Umsetzers (1) auftritt, und dass die Übertragungsfunktion des Strom-Sollwerteinstellers (8) eine nacheilende Phasenverschiebung um ca. 90 Grad auf die Netzfrequenz (f) sicherstellt.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers (8) neben der (ersten) Blindkomponente eine Dämpfungskomponente aufweist, die dem Eingangssignal proportional ist und die sich beim Umsetzerbetrieb als Nebenwiderstand (virtueller Widerstand) ausdrückt.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichspannungskondensatoren (6, 7) des Folge-PWM-Umsetzers (1) (Speicherkondensatoren) aufgehängt ausgebildet sind (sie sind weder an eine Spannungsquelle noch an eine Spannungssenke mit vergleichbarer Leistung angeschlossen), dass die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers (8) durch eine zusätzliche Komponente (Gleichgewichtskomponente (3)) ergänzt ist, die je nach Spannungsverstimmung der Speicherkondensatoren (6, 7) des Folge-PWM-Umsetzers (1) erzeugt ist und eine Aufrechterhaltung ihrer Spannungen ungefähr um die Nennhöhe gewährleistet.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erdungszweipol zusätzlich eine unregelbare Spule aufweist, die für die Hälfte der benötigten Blindleistung (Q_N/2) des Erdungszweipols ausgelegt und dem Folge-PWM-Umsetzer (1) parallel geschaltet ist, der dabei für die gleiche Halbleistung (Q_N/2) ausgelegt ist und dass dabei die Regelung des Folge-PWM-Umsetzers (1) in Vollbereich von –Q_N/2 bis +Q_N/2 (von den um 90 Grad voreilenden Strömen bis zu den um 90 Grad nacheilenden Strömen) die Regelung der Gesamtadmittanz im vollen Leistungsumfang von Null bis zum Nennwert Q_N sicherstellt.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Folge-Umsetzer (1) über einen Anpassungstransformator (35) angeschlossen ist.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Folge-Umsetzer (1) über einen Anpassungstransformator (35) als Transformator-Drossel mit einer Leerlaufleistung Q_N/2 angeschlossen ist.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der PWM-Folge-Umsetzer (1) neben der Hauptfunktion (kapazitive Stromkompensation) auch einen Teststrom oder eine Testspannung im Netzsternpunkt einleitet (einspeist) und dass die benötigte Admittanz im Steuerungssystem anhand der Antwort der Testfrequenz (f') in der Sternpunktspannung berechnet ist.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion des Sollwerteinstellers (8) neben einer Blindkomponente (Kompensationskomponente), einer Dämpfungskomponente (D) und einer Gleichgewichtskomponente (B) eine zusätzliche Komponente, und zwar ein Testsignal, aufweist, dessen Frequenz (ωtest) ungleich der Netzfrequenz (ωs) ist (z. B. ωtest = 0,5 ωs) und dass dieses Testsignal im Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers (1) generiert ist, wobei das Testsignal eine Summe von zwei oder mehr harmonischen Komponenten mit jeweils verschiedener Frequenz ungleich der Netzfrequenz darstellt.
Einrichtung zur Erdschlussstromlöschung in Drehstromnetzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem des Folge-PWM-Umsetzers (1) auf der Basis eines leistungsstarken Signalprozessors ausgebildet ist und dass die Ausführung von den für die Erdschlussstromlöschungseinrichtungen in Drehstromnetzen spezifischen Funktionen (wie etwa Testsignalgeneration, Bearbeitung von Antworten auf Testsignale und Berechnung von erforderlichen Kennwerten) mit unspezifischen (üblichen) Steuerungsfunktionen zur Steuerung des Folge-PWM-Umsetzers (1) vereinigt ist, so dass eine jegliche zusätzliche Ausrüstung entfällt.