DE3004521C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsschaltersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs (DE-PS 11 83 998). Ein solches Leistungsschaltersystem dient in einer Hochspannungs- Starkstromanlage zur wirksamen Unterdrückung eines Spannungsstoßes beim Schließen eines Schutz- oder Leistungsschalters.

Trotz zunehmendem Strombedarf wirft die Errichtung von Kraftwerken in den Vorortgebieten von Städten verschiedene Schwierigkeiten auf, etwa bezüglich Umweltverschmutzung und erschwerter Baulandbeschaffung. Aus diesem Grund werden neue Kraftwerke zunehmend an immer weiter von den Städten entfernten Orten errichtet. Infolgedessen müssen immer größere Strecken von Starkstromleitungen zur Lieferung des Stroms von den Kraftwerken zu den Städten überspannt werden. Die Länge der Übertragungsleitung hängt aber eng mit dem Wirkungsgrad der Stromübertragung zusammen; je größer nämlich die Leitungslänge ist, um so größer sind die Widerstandsverluste in der Leitung und desto niedriger ist der Übertragungswirkungsgrad. Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Übertragungswirkungsgrads besteht in der Erhöhung der über die Leitung übertragenen Leistung bei gleicher Stromstärke durch Erhöhung der Übertragungsspannung auf der Leitung. Wenn die Übertragungsspannung mit V, der Übertragungsstrom mit I und der Leitungswiderstand mit R bezeichnet werden, stehen die übertragene Leistung P _T und der Leistungsverlust P _L in der Leitung in folgenden Beziehungen zueinander:

P _T ∝ VI - P _L
P _L ∝ I²R

Bei der genannten Hochspannungs-Stromübertragung wirft die Isolierung der Übertragungsleitungen oder -ausrüstungen verschiedene Probleme auf. Zur Erzielung eines ausreichenden Isolationsabstands sind häufig sehr hohe Starkstrommasten und sperrige Geräte erforderlich. Insbesondere zeigt die dielektrische Durchbruchspannung eines Luftspalts eine Tendenz dahingehend, daß sie sich mit der Luftspaltlänge nur bis zu einer festen Größe dieser Länge erhöht, d. h. sie erreicht bei dieser Größe einen Grenzwert, ohne weiter zuzunehmen. Bei der Hochspannungs-Starkstromübertragung ist daher im Vergleich zur herkömmlichen Stromübertragung eine größere Isolationsstrecke erforderlich.

Auf die Geräte des Starkstromnetzes einwirkende Überspannungen sind neben den regulären Wechselspannungen auch Blitzschlagspannungen, Spannungsstöße beim Öffnen und Schließen von Schaltern und Schutz- oder Leistungsschaltern sowie ständige abnormale Spannungen. Bei der Hochspannungs-Starkstromübertragung muß der Höchstwert solcher Überspannungen auf eine möglichst niedrige Größe begrenzt werden. Das Verhältnis der Überspannung zur Übertragungsspannung wird üblicherweise als Überspannungsvielfaches bezeichnet. Eine Möglichkeit zur Begrenzung dieses Vielfachen auf einen kleinen Wert besteht in der Verwendung eines Blitzschutzes, der bisher üblicherweise für die Verringerung von Blitzschlagspannungen eingesetzt wurde. Bezüglich abnormaler Dauerspannungen und Spannungsstöße beim Öffnen und Schließen von Schaltern und dgl. war es bisher üblich, die Ursachen für solche Überspannungen zu untersuchen und zu beseitigen. Zur Vermeidung von abnormalen Dauerspannungen wird beispielsweise die Anlage zweckmäßig ausgelegt und betrieben.

Von den beim Schließen und Öffnen von Leistungsschaltern entstehenden Spannungsstößen ist der Einschaltstoß, wenn ein mit der Leitung verbundener Leistungsschalter geschlossen wird, von besonderer Bedeutung. Die Ursache für die Entstehung des Einschaltstoßes läßt sich anhand des Einphasen-Stromkreises gemäß Fig. 1 untersuchen.

Gemäß Fig. 1 ist eine Wechselstromversorgung 1 an der einen Klemme oder Seite geerdet und an der anderen Klemme oder Seite über eine Stromquellen-Induktivität 2 an die eine Klemme eines Leistungsschalters 3 angeschlossen, dessen andere Klemme über eine Starkstrom- oder Übertragungsleitung 4 mit einer Lastklemme 5 verbunden ist.

Wenn der Leistungsschalter 3 geschlossen wird, breitet sich der Spannungsunterschied (v _s - v ₁) zwischen der Spannung v _s an der Stromquellenseite des Leistungsschalters 3 und der Spannung v ₁ an der Lastseite auf die in Fig. 2a gezeigte Weise als Wanderwelle durch die Leitung 4 aus. Die Wanderwelle wird an der Lastseite reflektiert, so daß sie gemäß Fig. 2b die doppelte Größe des ursprünglichen Spannungspegels besitzt, um dann an der Stromquellenseite erneut reflektiert zu werden und mit dem Dreifachen des ursprünglichen Spannungspegels aufzutreten (vgl. Fig. 2c). Zu diesem Zeitpunkt wird der dreifachen Spannung ein Impuls P1 durch den Einfluß der Stromquellen-Induktivität 2 überlagert. Wenn die resultierende Spannung zum Lastende 5 übertragen und dort reflektiert wird, liegt an der Leitung 4 eine sehr hohe Spannung mit dem Vierfachen des ursprünglichen Spannungspegels, zuzüglich des Impulses P1, an.

Zur Begrenzung des beschriebenen, beim Schließen des Leistungsschalters entstehenden Schließ- oder Einschaltstoßes kann daran gedacht werden, den Spannungsunterschied (v _s - v ₁) zwischen Stromquellen- und Lastseite beim Schließen des Leistungsschalters 3 oder aber die Wanderwelle auf einen niedrigen Wert zu begrenzen. Die zuerst genannte Möglichkeit kann als Synchronschließsystem bezeichnet werden, wobei der Leistungsschalter in einem Augenblick geschlossen wird, in welchem die Stromquellenspannung Null beträgt, um den Höchstwert des Spannungsunterschieds (v _s - v ₁) innerhalb des Höchstwerts der in der Leitung gefangenen Ladung zu halten. Für die zweitgenannte Möglichkeit ist ein Widerstands-Verbindungssystem bekannt, bei dem der Leistungsschalter o. dgl. über einen Widerstand geschlossen wird, um dadurch die Wanderwelle zu begrenzen. Wenn der Widerstandswert des Widerstands mit R, die Stromimpedanz der Leitung mit r und der Spannungsunterschied (v _s - v ₁) zwischen der Stromquellenseite und der Lastseite des Leistungsschalters mit E bezeichnet werden, bestimmt sich die Spannung E _T der Wanderwelle zu

E _T = E r/(R + r).

Wenn die beiden genannten Systeme in Kombination miteinander angewandt werden, kann der Schließ- oder Einschaltstoß, wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, bis zu einem gewissen Grad begrenzt oder reduziert werden. Beim Widerstands- Verbindungssystem wird jedoch auch dann, wenn der Widerstand in Nebenschluß geschaltet wird, eine Stoßspannung erzeugt. Aus diesem Grund ist es dabei schwierig, die Stoßspannung effektiv auf einen niedrigen Wert zu begrenzen. Dennoch verlangen die Isolationserfordernisse speziell bei der Starkstromübertragung bei überhohen Spannungen in der Größenordnung von z. B. 1000 kV, daß das Überspannungsvielfache für Unterbrechungs- und Schließstoßspannungen auf nur etwa 1,5-1,7 begrenzt wird. Infolgedessen besteht ein Bedarf für einen verbesserten Leistungsschalter mit effektiver Stoßspannungs- Begrenzungsfunktion sowie für ein Verfahren zum Schließen eines solchen Leistungsschalters.

Aus der DE-PS 11 83 998 ist eine Schaltungsanordnung zum Einschalten von eine Brückengleichrichterschaltung speisenden Drehstrom-Hochspannungstransformatoren mit einer Reihenschaltung aus einem ersten Schütz und einem Widerstand bekannt, wobei diese Reihenschaltung an ein Drehstromnetz und über einen Transformator an eine Brückengleichrichterschaltung mit einer Röntgenröhre angeschlossen ist. Ein weiteres Schütz liegt zwischen der einen Phase und der Nullphase. Eine Schaltungsanordnung setzt das erste Schütz in Abhängigkeit vom Nullgang einer der Phasenspannungen unter Strom. Die Arbeitskontakte des zweiten Schützes werden nach dem Ansprechen der Arbeitskontakte des ersten Schützes mit einer bestimmten Verzögerungszeit geschlossen.

Weiterhin ist aus der AT-PS 2 86 419 eine Anordnung zur Dämpfung von Überspannungen bekannt, die auf einer Hochspannungsleitung beim Ein- und Ausschalten eines am Leitungsende liegenden Schalter auftreten. Im einzelnen enthält diese Anordnung einen Leitungsschalter und eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Überbrückungsschalter, wobei diese Parallelschaltung in Reihe mit dem Leitungsschalter vorgesehen ist. Der Leitungsschalter und der Überbrückungsschalter werden zeitlich gestaffelt betätigt, derart, daß während einer vorgebbaren optimalen Zeitdauer ein in der Leitung liegender Widerstand zur Wirkung kommt.

Schließlich ist aus der US-PS 41 09 288 ein Schutzsystem für eine induktive Last mit einem ferromagnetischen Kern bekannt, bei dem ein erster Schalterkontakt beim Null-Durchgang einer Stromversorgungsquelle geschlossen und dabei die Last mit einer Stromversorgungsquelle verbunden wird, wobei ein Relais nur dann betätigt wird, wenn der ferromagnetische Kern der Last einen nicht gesättigten Zustand erreicht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungsschaltersystem zu schaffen, das bei einfachem Aufbau sehr genau einen ersten und dann einen zweiten Leistungsschalter-Kontakt zu schließen vermag.

Diese Aufgabe wird bei einem Leistungsschaltersystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Mechanismus bzw. der Ursache der Entstehung des Schutz- oder Leistungsschalter-Einschaltstoßes,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Vorgangs der Entstehung eines Hochspannungsstoßes infolge der Ausbreitung eines Einschaltstoßes durch eine Starkstromübertragungsleitung,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild eines Leistungsschaltersystems,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des Leistungsschaltersystems nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer speziellen Schaltungskonstruktion für das Leistungsschaltersystem nach Fig. 3 und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

In Fig. 3 ist ein Leistungsschaltersystem schematisch dargestellt. Dabei ist eine mit einer Stromquelle oder -versorgung verbundene Klemme 1 über einen Widerstand 12 und einen Leistungsschalter-Kontakt 13 an eine lastseitige Klemme 14 angeschlossen. Parallel zum Widerstand 12 ist ein weiterer Leistungsschalter-Kontakt 15 geschaltet.

Im folgenden ist anhand von Fig. 4 die Reihenfolge beim Schließen des Leistungsschaltersystems nach Fig. 3 erläutert. Der Kontakt 13 wird gemäß Fig. 4b zu einem Zeitpunkt t ₁ geschlossen, welcher einem Nulldurchgang der Stromquellenspannung (Fig. 4a) an der stromquellenseitigen Klemme 11 entspricht. Infolgedessen ist der Widerstand 12 in eine nicht dargestellte, an die Klemme 14 angeschlossene Starkstrom-Übertragungsleitung in Reihe eingeschaltet. Zu einem späteren Zeitpunkt t ₂ (Fig. 4a) nach Ablauf einer Halbperiode der Stromquellenspannung wird dann der andere Kontakt 15 des Leistungsschalters geschlossen, um den Widerstand 12 in Nebenschluß zu schalten (vgl. Fig. 4c). Wahlweise kann dieser Kontakt 15 zu einem Zeitpunkt t ₃ gemäß Fig. 4a nach einer vollen Periode geschlossen werden.

Da der Widerstand zu einem Zeitpunkt entsprechend einem Nulldurchgang der Spannung eingeschaltet wird, kann der Schließ- oder Einschaltstoß beim Einschalten des Widerstands 12, wie beim Synchronschließsystem, auf einen niedrigen Pegel begrenzt werden. Wenn in der Übertragungsleitung beispielsweise eine Ladung gefangen ist, kann somit die maximale Amplitude einer Wanderwelle auf die Hälfte der Größe, die ohne das Synchronschließsystem auftritt, verringert werden.

Die Stoßspannung, die beim Nebenschlußschalten ("shunten") des Widerstands 12 durch den Kontakt 15 erzeugt wird, wird durch die Beziehung zwischen der Phase der Stromquellenspannung und der Phase des Spannungsabfalls über den Widerstand 12 beeinflußt. Es wird nun die Periode oder Zeitspanne vom Einschalten bis zum Shunten des Widerstands 12 auf ein ganzzahliges Vielfaches von 10 ms bei einer Stromquellenfrequenz von 50 Hz und auf ein ganzzahliges Vielfaches von 8,3 ms bei einer solchen Frequenz von 60 Hz festgelegt. Auf diese Weise kann der Widerstand 12 stets zu einem Zeitpunkt entsprechend einem Nulldurchgang der Stromquellenspannung geshuntet werden. Im allgemeinen ist als Widerstands-Einschaltperiode eine Periode nötig, die einem ganzzahligen Vielfachen von 1/(2f), mit f = Stromquellenfrequenz, entspricht. Der am Widerstand zum Zeitpunkt seines Shuntens erzeugte Spannungsabfall wird anhand von Gruppenkonstanten berechnet, welche für den Widerstandswert des Widerstands und die Impedanz der Übertragungsleitung stehen. Die Reaktanz der Übertragungsleitung wird allgemein durch die Kapazität dargestellt, und wenn diese mit C bezeichnet wird, beträgt der über den Widerstand am Zeitpunkt des Einschaltens desselben erzeugte Spannungsabfall VR in bezug auf die Stromquellenspannung VS sin ω t mit α = arc tan (1/ω CR).

Ersichtlicherweise ist der Spannungsabfall über den Widerstand groß, wenn die Kapazität C groß ist und der Wert von nahezu VS entspricht. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Größe von 1/(ω CR), und somit α, nahezu Null. Demzufolge koinzidiert die Phase des Spannungsabfalls über den Widerstand mit der Phase der Stromquellenspannung, und der Spannungsabfall beträgt Null, wenn der Widerstand zu einem Zeitpunkt entsprechend dem Nulldurchgang der Spannung (in die Leitung) eingeschaltet wird. Wenn die Größe der Kapazität C klein ist, ist auch klein, so daß der Spannungsabfall einen kleinen Pegel besitzt.

Erfindungsgemäß erfolgen also das Einschalten und das Shunten bzw. Nebenschlußschalten des Widerstands jeweils zu Zeitpunkten entsprechend den Nulldurchgängen der Stromquellenspannung, so daß der Spannungsstoß beim Einschalten des Widerstands und der Spannungsabfall beim Shunten desselben auf niedrige Werte begrenzt werden können und damit die Übertragung von extrem hohen Spannungen in der Größenordnung von z. B. 1000 kV möglich wird.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines speziellen Beispiels eines auf dem Prinzip gemäß Fig. 3 beruhenden Leistungsschaltersystems, wobei den Teilen von Fig. 3 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind. Gemäß Fig. 5 ist eine an der stromquellenseitigen Klemme 11 anliegende Wechselspannung an die Primärwicklung 21 a eines Potentialtransformators 21 angekoppelt, und die in dessen Sekundärwicklung 21 b induzierte Spannung wird einem Phasendetektor 22 zugeführt, welcher die Phase der induzierten Spannung feststellt oder bestimmt und einen Impuls z. B. zu einem Zeitpunkt t ₁ (Fig. 4a) erzeugt. Dieser Impuls wird an eine elektromagnetische Spule in einem Treibermechanismus 23 angekoppelt, woraufhin dieser den Leistungsschalter-Kontakt 13 augenblicklich gemäß Fig. 4b schließt. Der Impuls vom Phasendetektor 22 wird auch an eine Verzögerungsschaltung 234 angekoppelt, welche den Eingangsimpuls zwischen den Zeitpunkten t ₁ und t ₂ um eine Periode T verzögert, so daß der Leistungsschalter- Kontakt 15 den Widerstand 12 zum Zeitpunkt t ₂ im Nebenschluß schalten kann.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Kontakt 15 parallel zu einer Reihenkombination aus dem Leistungsschalter-Kontakt 13 und einem Widerstand 12 geschaltet ist.

Gemäß Fig. 6 wird zuerst ein Treibermechanismus 23 zum Schließen des Kontakts 13 durch das Ausgangssignal des Phasendetektors 22 zum Zeitpunkt t ₁ betätigt, um den Widerstand 12 zwischen die Klemmen 11 und 14 einzuschalten; anschließend wird ein anderer Treibermechanismus 25 z. B. zum Zeitpunkt t ₂ durch das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 24 betätigt, um den Kontakt 15 zum Shunten des Widerstands 12 zu schließen. Bei der Schaltung nach Fig. 5 sind die Leistungsschalter- Kontakte 13 und 15 in Reihe zwischen die Klemmen 11 und 14 eingeschaltet, wobei beide Kontakte 13 und 15 geschlossen werden, während der Widerstand 12 nur durch den Kontakt 15 in Nebenschluß geschaltet wird, so daß beide Kontakte 13 und 15 eine große Strombelastbarkeit besitzen müssen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 fließt dagegen nach dem Schließen des Kontakts 15 der Strom größtenteils über den Kontakt 15, so daß die Strombelastbarkeit des Widerstands 12 und des Kontakts 13 nicht so groß zu sein brauchen.

Die bei den beschriebenen Ausführungsformen vorgesehenen Kontakte können beide in einem gemeinsamen Gehäuse oder aber in zwei getrennten Gehäusen angeordnet sein.

Claims (2)

1. Leistungsschaltersystem, mit

   • - einer Reihenkombination aus einem ersten Leistungsschalter- Kontakt (13) und einem Widerstand (12), der mit einer Stromübertragungsleitung in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenkombination zwischen eine Stromversorgungsquelle (11) und eine Stromübertragungsleitung (14) geschaltet ist,
   • - einem zweiten Leistungsschalter-Kontakt (15), und
   • - einer Steuereinrichtung (23, 25), welche den zweiten Leistungsschalter-Kontakt (15) nach einer vorgeschriebenen Zeitdauer nach dem Schließen des ersten Leistungsschalter-Kontakts (13) schließt,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - der zweite Leistungsschalter-Kontakt (15) parallel zu der Reihenkombination angeordnet ist.