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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsschalter
für Generatoren,
mit welchen auch Generatoren einer hohen Leistung im Bereich von
mehreren 10 bis 2000 MW auf das Netz verbunden werden können.
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STAND DER
TECHNIK
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Leistungsschalter
sind Vorrichtungen, welche dazu dienen, stromtragende Phasenleiter
in einem Drehstromnetz bei Bedarf zu verbinden und zu trennen. Registriert
ein Sensor einen Fehler auf dem Netzwerk, welcher sich typischerweise
in einem Spannungsabfall oder einer entsprechenden Veränderung
des Stromes äussert, öffnet ein
derartiger Leistungsschalter eine oder mehrere der drei Phasen und
verhindert dadurch den weiteren Fluss von Strom. Ein derartiger
Leistungsschalter kann auch als Wiedereinschalter verwendet werden,
um die stromtragenden Kontakte wieder zu verbinden.
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Typischerweise
werden derartige Leistungsschalter als mechanische Schalter ausgebildet.
Die Dimensionierung wird im wesentlichen durch die maximale Ausschaltleistung
bestimmt, die bis zu mehreren 1000 MVA betragen kann. Der Schalter
nutzt die periodisch auftretenden Stromnulldurchgänge zum Abschalten.
Trotzdem treten beim Trennen der Kontakte sogenannte Lichtbögen auf.
Um diese Entladungen kontrolliert abbauen zu können, sind die eigentlichen
mechanischen Kontakte normalerweise in einer Schalterkammer angeordnet,
wobei diese mit einem inerten, elektrisch isolierenden Gas wie beispielsweise
SF6 gefüllt
ist. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der ABB-Review
3/2002, S. 34-40 beschrieben.
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Während mechanische
Generator-Leistungsschalter in der Lage sind, den an Hochspannungsnetzwerken
auftretenden Leistungen auch bei wiederholten Ein- und Ausschaltvorgängen gerecht zu
werden, verfügen
sie doch über
Nachteile, einerseits grundsätzlich
aufgrund deren mechanischen Charakters (Abnutzung), und andererseits
aufgrund der Tatsache, dass konventionelle Leistungsschalter Schaltzeiten
(Auslösesignal
bis wiederkehrende Spannung) von 60 bis 120 ms benötigen. Entsprechend
treten unvermeidbar grosse Generatorströme auf, bevor der Schalter
unterbrechen kann.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen konstruktiv
einfachen, schnell schaltenden Generator mit wenigstens einem Leistungsschalter
zur Verbindung und/oder zum Trennen von Phasen des Generators von
einem Netz zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass wenigstens einer der
Leistungsschalter als elektronischer Leistungsschalter ausgebildet
ist, und dass dieser Leistungsschalter in den Generator integriert
ist. Um einen derartigen elektronischen Leistungsschalter optimal
in den Generator zu integrieren, erweist es sich dabei als vorteilhaft,
die Leistungsschalter auf parallele Wicklungszweige des Stators
aufzuteilen.
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Der
Kern der Erfindung besteht somit darin, an Stelle eines mechanischen
Schalters auch bei Generatoren mit hoher Leistung Leistungselektronik
zur Schaltung zu verwenden. Halbleiter mit inhärent kürzeren Schaltzeiten tragen
wesentlich dazu bei, den Generator frühestmöglich von Netzstörungen zu
isolieren, was sich vorteilhaft auf die Bemessung von Generator
und Turbine auswirkt.
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Die
maximalen Abschaltzeiten sind in der Größenordnung von 10 ms (eine
Periode), können mit
abschaltbaren Halbleitern oder bekannten Kommutierungsbeschaltungen
bis in den Bereich von einer ms gedrückt werden. Letzteres gilt
auch für
das Abschalten von Strömen
mit fehlenden Nulldurchgängen.
Die leistungselektronische Anordnung ist wartungsfrei. Sie kann
daher bevorzugt in den Generator integriert werden.
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Die
Verwendung von wartungsfreier Leistungselektronik ermöglicht,
wie bevorzugt, eine einfache Integration der Schaltung in den Generator.
Dies in besonders effizienter Weise, indem die Leistungsschalter
auf parallele Wicklungszweige des Stators aufgeteilt werden. Vorzugsweise
wird dabei so vorgegangen, dass bei einem Generator mit einem Stator und
mit wenigstens zwei parallelen Kreisen pro Generatorphase, wobei
die parallelen Kreise jeweils auf die gleiche Generatorphase verbunden
sind, jeder der parallelen Kreise jeweils über wenigstens einen der genannten
Leistungsschalter schaltbar ist. Durch die Aufteilung auf unterschiedliche
parallele Kreise kann die beim Schaltvorgang und beim Betrieb auftretende
Leistung auf verschiedene Schalter verteilt werden, und ausserdem
kann der Schaltvorgang gut im Generator integriert werden. Die Verwendung
von Leistungselektronik wird so vereinfacht. Es zeigt sich, dass
eine derartige Schaltung unter Verwendung von Leistungselektronik
selbst bei einem Generator mit einer Leistung von mehr als 5 MW,
oder sogar mit einer Leistung im Bereich oberhalb von 50 MW bis
insbesondere 2000 MW eingesetzt werden kann. Die inhärent vorhandene
Wicklungsinduktivität
der einzelnen parallelen Kreise sorgt automatisch für eine gleichmässige Stromaufteilung
unter den parallel arbeitenden Leistungsschaltern.
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Gemäss einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Leistungsschalter wenigstens 2 antiparallel
geschaltete Thyristoren. Diese zwei antiparallel geschalteten Thyristoren
werden beim Schaltvorgang im wesentlichen gleichzeitig geöffnet respektive
geschlossen. Thyristoren werden wegen der grossen Toleranz für hohe Ströme bevorzugt.
Dabei ist es möglich,
mehrere Thyristoren in Serie zu schalten. Um die Baugrösse und
die Verluste in den Thyristoren klein zu halten, können Thyristoren
auf der Technologiebasis SiC eingesetzt werden.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter wenigstens
zwei gegenläufig
(d. h. in unterschiedlicher Polarisierung) in Serie geschaltete
IGBT-Elemente (insulated gate bipolar transistor) und/oder GTO-Elemente
(gate turn-off thyristor) aufweist. Um die für diese Elemente schädlichen
negativen Spannungen aufzufangen, werden diese mit jeweils antiparallel
dazu geschalteten Dioden versehen. Typischerweise sind IGBT- resp.
GTO-Elemente bereits mit derartigen integrierten Dioden ausgestaltet.
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Um
das Netz im Störfall
weiter zu stützen, kann
es sich als vorteilhaft erweisen, Mittel vorzusehen, welche eine
vollständige
Trennung vom Netz verhindern (Reststrom). Dies kann geschehen, indem
parallel zum Leistungsschalterwenigstens eine strombegrenzende Impedanz
(RL-Element, z.B. Luft-Induktivität mit Massiv-Aluminiumwicklungen) vorgesehen
wird. Ein zweiter, serieliegender Schalter übernimmt dann die vollständige Trennung
vom Netz.
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Insbesondere
bei der Verwendung von IGBT- resp. GTO-Elementen, bei welchen im
Gegensatz zu den einfachen Thyristoren der Schaltvorgang nicht beim
Strom-Nulldurchgang
vollzogen wird, treten im Schaltvorgang hohe Abschaltenergien auf,
die abgeführt
werden müssen.
Dies geschieht bei einem mechanischen Schalter über den Lichtbogen, und bei insbesondere
momentan abschaltbarer Leistungselektronik ist es notwendig, die
Energie beim Schaltvorgang ebenfalls kontrolliert aufzufangen. Entsprechend
zeichnet sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform dadurch aus, dass
eine Beschaltung zur Leistungsaufnahme im Abschaltfall vorgesehen
ist. Dabei handelt es sich vorzugsweise um wenigstens einen nicht-linearen,
parallel zum Leistungsschalter angeordneten Widerstand als Überspannungsschutz,
welcher oberhalb einer Maximalspannung den Strom ideal betrachtet
gegen unendlich gehen lässt,
und welcher unterhalb dieser Maximalspannung keinen Strom durchlässt. Im
Durchlassbereich wird dabei die aufgefangene Energie als Wärme dissipiert.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der im Generator verwendete Leistungsschalter
von folgender Struktur: die Schaltung verfügt über ein Schaltelement in Form
eines Thyristors, IGBT-Elements
oder eines GTO-Elements, insbesondere in Form von SiC-Elementen,
wobei eine Verzweigung der Phasenführung vorgesehen ist. Dabei
verfügt
jeder Arm der Verzweigung über
zwei in Serie gegenläufig
angeordnete Dioden, wobei die Dioden im jeweiligen Arm mit unterschiedlicher
Ausrichtung angeordnet sind. Das Schaltelement ist nun quer in der
Verzweigung jeweils zwischen den in einem Arm vorgesehenen Dioden
mit dem jeweiligen Arm verbunden angeordnet. So können die
Bauteilkosten weiter reduziert werden.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines elektronischen
Leistungsschalters in einem Generator zur Verbindung und/oder zum
Trennen von Phasen des Generators von einem Netz. Dabei wird der
Leistungsschalter in den Generator integriert, und vorzugsweise
werden die Leistungsschalter auf parallele Wicklungszweige des Stators
aufgeteilt.
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Des
weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb
wenigstens einer Gruppe von derartigen Leistungsschaltern, insbesondere
in einem Generator der oben genannten Art. Insbesondere ist das
Verfahren dabei dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Leistungsschaltern,
sobald der netzseitige Strom einen Schwellenwert überschreitet
und/oder die netzseitige Spannung einen Schwellenwert unterschreitet,
im wesentlichen gleichzeitig geöffnet
wird. Gleichermassen ist es möglich,
den Zuschaltvorgang zu automatisieren, indem die Gruppe von Leistungsschaltern
wieder automatisch, gegebenenfalls nach einer vorgegebenen Verzögerung,
geschlossen wird, wenn die netzseitige Spannung den Schwellenwert überschreitet.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
des Leistungsschalters respektive des Generators respektive des
Verfahrens zum Betrieb eines Generators sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Figuren näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1a) eine schematische Darstellung der Einheit
Generator, Transformator, Netz; b) einen schematischen Schnitt durch
einen Generator, bei welchem die einzelnen parallelen Kreise einer
Phase schaltbar sind;
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2a) elektronischer Leistungsschalter unter Verwendung
von zwei Thyristoren; b) elektronischer Leistungsschalter unter
Verwendung von jeweils in Serie geschalteten Thyristoren; c) elektronischer
Leistungsschalter mit einer parallelen strombegrenzenden Impedanz;
d) elektronischer Leistungsschalter mit einem parallelen nicht-linearen
Widerstand (Überspannungsschutz);
e) elektronischer Leistungsschalter mit paralleler strombegrenzender Impedanz
und Überspannungsschutz;
und
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3a) elektronischer Leistungsschalter unter Verwendung
von IGBT-Elementen; b) elektronischer Leistungsschalter unter Verwendung
von GTO-Elementen; c) weiterer Schalter unter Verwendung von einem
IGBT-Element.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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1a) zeigt einen schematischen Aufbau eines Generators 1 und
seine Ankopplung über
einen Transformator 2 an ein Netz 3. Dabei werden
die drei Generatorphasen u, v, w an die 3 Phasen des Netzes 3 angebunden.
Bei der Verwendung von mechanischen Leistungsschaltern wird typischerweise
so vorgegangen, dass diese mechanischen Leistungsschalter als Generatorschalter
x zwischen Generator 1 und Transformator 2 angeordnet
werden, und/oder als Hochspannungsschalter y zwischen Transformator 2 und
Netz 3. In allen Fällen
werden die 3 Generatorphasen beim Schaltvorgang vom Netz getrennt. Auf
die Unterscheidung wird fortan nicht mehr eingegangen. Es wird aber
auf den transformatorlosen Hochspannungsgenerator hingewiesen (ABB-Review
2/1998, Seite 21), bei dem sinngemäss die vorgeschlagene Lösung ebenfalls
zur Anwendung gelangen kann.
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Wie
in 1b) dargestellt, lässt sich bei Verwendung von
Leistungselektronik die leistungselektronische Anordnung sehr einfach
im Generator 1 respektive im Gehäuse 7 des Generators 1 integrieren. Um
die über
den einzelnen Leistungsschaltern 9 auftretenden Ströme in einem
für Leistungselektronik vertretbaren
Bereich zu halten, werden dabei die einzelnen parallelen Kreise 8, 8', 8'' eines Stranges eines Wicklungsstranges
des Stators 4 jeweils einzeln über zugeordnete Leistungsschalter 9 geschaltet. Die
parallelen Kreise werden vor den Generatorklemmen zu einer Phase
(in 1b zum Beispiel zur Phase u) zusammengeführt. In 1b) ist beispielhaft ein Stator mit 3 parallelen
Kreisen dargestellt, es können
aber auch nur zwei parallele Kreise oder eine Vielzahl von parallelen
Kreisen derart verbunden werden.
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Tritt
nun ein Störfall
im Netz auf, so fällt
typischerweise die Spannung auf dem Netz 3 zusammen, und
es tritt ein Überstrom
auf der Verbindung vom Generator zur Netz auf. Die Leistungsschalter 9 werden
nun unterbrochen, wenn vorgenann te Größen Schwellenwerte erreichen.
Es können
dabei Schaltzeiten im Bereich von 10 ms realisiert werden (Thyristoren)
oder sogar im Bereich von 1 ms (IGBT's oder GTO's). Gegebenenfalls ist es möglich, auch den
Zuschaltvorgang automatisch ablaufen zu lassen, sobald die Spannung
auf dem Netz wieder den vorgegebenen Wert der Spannung überschreitet.
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Die
Leistungsschalter 9 können
auf Basis von konventionellen Thyristoren 10 realisiert
werden, wie dies in 2 dargestellt ist. Es können unterschiedliche
Arten der Schaltung der Thyristoren 10 gewählt werden.
In 2a) ist die einfachste und robusteste Möglichkeit
dargestellt, bei welcher zwei Thyristoren antiparallel angeordnet
sind. Um grössere
Spannungen auffangen respektive verarbeiten zu können, ist es möglich, wie
beispielsweise in 2b) dargestellt, im jeweiligen
Pfad zwei oder mehr Thyristoren in Serie vorzusehen.
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Um
beim Abschaltvorgang die Belastung der Generatorwelle 6 zu
begrenzen, ist es möglich,
wie in 2c) dargestellt, eine komplexe
Impedanz 11 parallel zu den antiparallel angeordneten Thyristoren 10 anzuordnen.
So kann ein Stützstrom
in das Netz injiziert werden und es kann verhindert werden, dass beim
Ausschalten der Strom ganz auf Null abnimmt. Eine derartige strombegrenzende
Impedanz kann beispielsweise mit einer Luft-Induktivität realisiert werden.
Aber auch eine in den Generatorstator integrierte Hilfswicklung
ist denkbar.
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Grundsätzlich ist
es möglich,
den Leistungsschalter so auszulegen, dass er maximal die beim Schwellenwert
auftretenden Belastungen aushält. Die
eigentlichen Peak-Werte der Spannung respektive des Stroms werden
anschliessend an den Schaltvorgang von den Leistungsschaltern 9 normalerweise
gar nicht mehr gesehen. Aus Sicherheitsgründen erweist es sich aber als
vorteilhaft, den Leistungsschalter 9 auch für die zu
erwartende maximale Belastung auszulegen.
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Werden,
wie in 2 dargestellt, normale Thyristoren 10 verwendet,
so findet der Schaltvorgang beim Nulldurchgang des Wechselstromes
statt. Werden aber andere Elemente als Leistungselektronik verwendet
(vgl. weiter unten 3), bei welchen der Schaltvorgang
auch ausserhalb des Nulldurchganges stattfinden kann, so wird im
Schaltvorgang durch die abrupte Veränderung von Strom eine grosse
induktive Energie frei. Entsprechend kann es sich, wie in 2d) dargestellt, als nützlich erweisen, parallel zum
Schaltungselement einen als Überspannungsableiter 12 nicht
linearen Widerstand vorzusehen. Beispielsweise können dafür ZnO-Varistoren eingesetzt
werden, welche ein nicht-lineares Verhalten zeigen. Oberhalb eines
Maximalwertes der Spannung wird bei Anwesenheit eines derartigen Überspannungsableiters 12 der
Strom beliebig zunehmen (differentieller Widerstand → 0), während unterhalb dieses
Maximalwertes der über
diesen Überspannungsableiter 12 fliessende
Strom gleich Null ist (Widerstand unendlich). Im Falle einer Überspannung wird
so in diesem Überspannungsbegrenzer
die Energie als Wärme
dissipiert.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
wie in 2e) dargestellt, gleichzeitig
eine komplexe Impedanz 11 und derartige Überspannungsbegrenzer
parallel im gleichen Schalter vorzusehen. In 2e) ist ausserdem
dargestellt, dass in Serie zur komplexen Impedanz 11 ein
weiterer Schalter (mechanisch oder Leistungselektronik, konkret
abgebildet ist ein mechanischer Leistungsschalter 16) vorgesehen
werden kann. Dies für
den Fall, dass der Generator auf Grund eines längerfristigen Problems mit
dem Netz vollständig
vom Netz genommen werden muss.
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Werden
an Stelle der Thyristoren IGBT's 14 (insulated
gate bipolar transistors) verwendet, so werden diese, wie in 3a) dargestellt, hintereinander geschaltet, wobei
die Polarität
entgegengesetzt ausgerichtet wird. Da diese IGBT-Elemente 14 nur wenig
negative Spannung auszuhalten in der Lage sind, sollten jeweils
antiparallel dazu angeordnete Dioden 13 vorgesehen werden.
Derartige Dioden 13 sind typischerweise in kommerziell
erhältlichen
IGBT-Elementen bereits integriert.
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3b) zeigt alternativ ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung
von GTO-Thyristoren 15 (gate turn-off thyristors). Da auch
diese Elemente (GTO-Thyristoren) gegenüber negativer Spannung geschützt werden
müssen,
werden dazu vorzugsweise jeweils antiparallel angeordnete Dioden 13 vorgesehen,
welche wiederum in kommerziell erhältlichen GTO-Thyristoren integriert
sein können.
Sowohl für die
Thyristoren 10, die GTO-Thyristoren 15 als auch die
IGBT's 14 können Technologien
auf SiC-Basis verwendet werden, da diese in Bezug auf Spannungsfestigkeit
und Temperaturbeständigkeit
ein ausgezeichnetes Verhalten zeigen.
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3c) zeigt eine weitere mögliche Schaltungsanordnung
unter Verwendung von IGBT's 14. Sie
zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass bei guter Stabilität und einfacher
Bauweise kostengünstige
Bauteile verwendet werden können.
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- 1
- Generator
- 2
- Transformator
- 3
- Netz
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Generatorwelle
- 7
- Generatorgehäuse
- 8,8',8''
- parallele
Kreise eines Statorwicklungsstranges für gleiche Phase u, oder v
-
- oder
w
- 9
- Leistungsschalter
- 10
- Thyristor
- 11
- strombegrenzende
Impedanz
- 12
- nicht-linearer
Widerstand, Überspannungsableiter
- 13
- Diode
- 14
- IGBT-Element
(insulated gate bipolar transistor)
- 15
- GTO-Thyristor
(gate turn-off thyristor)
- 16
- mechanischer
Leistungsschalter
- u,v,w
- Phasen
des Generators
- x
- Generatorschalter
- y
- Hochspannungsschalter