DE102006055575B4

DE102006055575B4 - Vorrichtung zur flexiblen Energieübertragung und zum Enteisen einer Hochspannungsleitung mittels Gleichstrom

Info

Publication number: DE102006055575B4
Application number: DE102006055575.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sadek Kadry; Frank Schettler; Karl Ücker
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: SE0950466L; CA2670452C; CN101542886A; GB2456460A; US20100033028A1; RU2009123500A; RU2457605C2; CA2670452A1; CN101542886B; US8264102B2; GB0908709D0; DE102006055575A1; SE534603C2; WO2008061924A2; WO2008061924A3; GB2456460B

Abstract

Vorrichtung (1) zur flexiblen Energieübertragung und zum Enteisen einer mehrere Phasen aufweisenden Hochspannungsleitung mittels Gleichstrom mit einem Wechselspannungsanschluss der Hochspannungsleitung, der eine den Phasen der Hochspannungsleitung entsprechende Anzahl von Phasen aufweist, wobei jede Phase wenigstens eine Induktivität (6) und eine Ventilschaltung (10) in Reihenschaltung zu jeder Induktivität (6) aufweist, wobei die Ventilschaltung (10) mittels eines Verzweigungspunktes (11) mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden ist und einen ersten Stromzweig (14) mit einem ersten Leistungshalbleiterventil (12) und einen zweiten Stromzweig (15) mit einem zweiten Leistungshalbleiterventil (13) aufweist, wobei die Leistungshalbleiterventile (12, 13) bezüglich des Verzweigungspunktes (11) gegensinnig zueinander geschaltet sind und wobei der erste (14) und der zweite Stromzweig (15) mittels wenigstens eines Sternpunktschalters (16, 17) mit einem TCR-Sternpunkt (18) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der TCR-Sternpunkt (18) über eine Verbindungsleitung mit einem Sternpunkt eines Nullsystemunterdrückungsmittels (2, 21) verbunden ist, wobei – die Verbindungsleitung eine Erdverbindung ist, und – das Nullsystemunterdrückungsmittel (2, 21) einen Transformator (2) umfasst, der eine Primärwicklung (3) in Dreiecksschaltung und eine Sekundärwicklung (4) in geerdeter Sternschaltung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur flexiblen Energieübertragung und zum Enteisen einer mehrere Phasen aufweisenden Hochspannungsleitung mittels Gleichstrom mit einem Wechselspannungsanschluss der Hochspannungsleitung, der eine den Phasen der Hochspannungsleitung entsprechende Anzahl von Phasen aufweist, wobei jede Phase wenigstens eine Induktivität und eine Ventilschaltung in Reihenschaltung zu jeder Induktivität aufweist, wobei die Ventilschaltung mittels eines Verzweigungspunktes mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden ist und einen ersten Stromzweig mit einem ersten Leistungshalbleiterventil und einen zweiten Stromzweig mit einem zweiten Leistungshalbleiterventil aufweist, wobei die Leistungshalbleiterventile bezüglich des Verzweigungspunktes gegensinnig zueinander geschaltet sind und wobei der erste und der zweite Stromzweig mittels wenigstens eines Sternpunktschalters mit einem TCR-Sternpunkt verbindbar sind,
Eine solche Vorrichtung ist aus der WO 2006/027376 A1 bereits bekannt. Dort ist sowohl die Wirkungsweise einer so genannten Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage als auch die Wirkungsweise eines so genannten Thyristor-controlled Reactor, kurz TCR, beschrieben. Ferner ist offenbart, dass eine Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage (HGÜ-Anlage) mittels einer Schalteranordnung in einen TCR beziehungsweise ein TCR in eine HGÜ-Anlage umgewandelt werden kann. So weist die vorbekannte Vorrichtung einen Wechselspannungsanschluss sowie einen Gleichstromanschluss auf, zwischen denen eine mehrphasige Reihenschaltung geschaltet ist. Dabei weist jede Phase der Reihenschaltung wenigstens eine Induktivität sowie eine Ventilschaltung auf. Die Ventilschaltung verfügt über einen Verzweigungspunkt, der den Strompfad in einem ersten Stromzweig sowie in einem zweiten Stromzweig aufspaltet. Jeder Stromzweig ist mit einem Leistungshalbleiterventil bestückt, wobei die Ventile bezüglich des Verteilungspunktes gegensinnig zueinander orientiert sind. Der erste Stromzweig sowie der zweite Stromzweig aller Phasen sind über einen Sternpunktschalter miteinander verbindbar, so dass ein TCR-Sternpunkt ausgebildet ist. Bei geöffnetem Sternpunktschalter ist ein Umrichter einer so genannten Sechs-Puls-Brückenschaltung realisiert, mit der ein Gleichrichten des vom Wechselspannungsanschluss bereitgestellten Wechselspannungsstromes ermöglicht ist. Der auf diese Weise erzeugte Gleichstrom kann anschließend zum Enteisen in eine Hochspannungsleitung eingespeist werden. Die vorbekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass bei der gewählten Sternpunktschaltung die ungeraden Vielfachen der dritten harmonischen Oberschwingung des Nennstromes erzeugt werden. Das Einspeisen dieser Oberschwingungen in das angeschlossene Wechselspannungsnetz ist jedoch unerwünscht. Darüber hinaus können sich die Phasenstöme auf Grund der Sternschaltung nicht unabhängig voneinander ausbilden, so dass die Regelung des TCR-Betriebs der vorbekannten Vorrichtung beeinträchtigt ist.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden beispielsweise zum Enteisen von Hochspannungsleitungen eingesetzt. Insbesondere in kälteren Gegenden werden Hochspannungsleitungen, wie beispielsweise Freiluftleitungen, die zur Übertragung von Wechselströmen eingesetzt werden, von Schnee- und Eisbildung auf der Hochspannungsleitung belastet. Das Gewicht dieses Eises kann bis zu einigen Tonnen betragen und zur mechanischen Beschädigung der Hochspannungsleitung führen. Zum Schmelzen des Eises kann in die Hochspannungsleitung ein Gleichstrom kontrolliert eingekoppelt werden, der die Hochspannungsleitung erwärmt und somit ein Schmelzen und Abfallen des Schnees oder des Eises herbeiführt. Insbesondere bei langen Hochspannungsleitungen, deren Länge mehrere hundert Kilometer übersteigt, eignet sich Gleichstrom besser als Wechselstrom, da dieser besser kontrolliert werden kann.
Aus der SU 888265 A1 ist bekannt, einen sogenannten Thyristor Controlled Reactor (TCR) einer mehrphasigen Hochspannungsleitung parallel zu schalten. Hierbei kann der Sternpunkt einer Sekundärwicklung eines Transformators über eine Nullschiene mit einem TCR-Sternpunkt verbunden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die in ihrem Aufbau einfach und gleichzeitig kostengünstig ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass der TCR-Sternpunkt über eine Verbindungsleitung mit einem Sternpunkt eines Nullsystemunterdrückungsmittels verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung eine Erdverbindung ist, und das Nullsystemunterdrückungsmittel einen Transformator umfasst, der eine Primärwicklung in Dreiecksschaltung und eine Sekundärwicklung in geerdeter Sternschaltung aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist wie die gattungsgemäße Vorrichtung zwei Betriebsarten auf. Im TCR-Betrieb wird Blindleistung aus der Hochspannungsleitung, an welche die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossen ist, absorbiert. Im so genannten HGÜ-Betrieb kann hingegen ein Gleichstrom gezielt in die angeschlossene Hochspannungsleitung eingekoppelt werden. Im Rahmen der Erfindung sind die Phasen der Vorrichtung im TCR-Betrieb in Sternschaltung miteinander verbunden, obwohl in der WO 2006/027376 A1 darauf hingewiesen wird, dass die Sternschaltung den Nachteil aufweist, dass diese dritte oder neunten harmonische Oberschwingungen des Nennstromes nicht unterdrückt oder absorbiert, so dass diese Oberschwingungen ungehindert in das angeschlossene Wechselspannungsnetz fließen können. Diese Ströme werden im Folgenden Nullsystemströme genannt, da diese Oberschwingungen bei einem sternverschalteten TCR sich im Gegensatz zu Oberschwingungen des Mit- und Gegensystems nicht selbstständig auslöschen. Für die Vermeidung der Nullsystemströme im Wechselspannungsnetz ist im Rahmen der Erfindung der TCR-Sternpunkt mit einem Sternpunkt eines Nullsystemunterdrückungsmittels verbunden. Der Nullsystemstrom fließt somit über den Sternpunkt des TCR zum Sternpunkt des Nullsystemunterdrückungsmittels, welches das Einleiten von Nullsystemströmen in das angeschossene Wechselspannungsnetz verhindert. Auf diese Weise kann eine aufwändige Delta-Verschaltung mit vielen Trennschaltern im Gefolge vermieden werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher in ihrem Aufbau einfach und kostengünstig. Erfindungsgemäß fließt der Nullsystemstrom im TCR-Betrieb über die Erde vom TCR-Sternpunkt zum Erdungspunkt des Nullsystemunterdrückungsmittels und vom Nullpunktunterdrückungsmittel über die geschlossenen Sternpunktschalter zurück zum Sternpunkt des TCR, so dass ein geschlossener Stromkreis vorliegt. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein zusätzlicher Strompfad bereitgestellt, der für den Nullsystemstrom eine so geringe Impedanz aufweist, dass eine Zuleitung von Nullsystemströmen in die angeschlossene Hochspannungsleitung vermieden ist.
Erfindungsgemäß ist die Verbindungsleitung eine Erdverbindung. Mit anderen Worten ist der TCR-Sternpunkt als auch der Sternpunkt des Nullsystemunterdrückungsmittels geerdet. Diese Lösung ist natürlich kostengünstig.
Erfindungsgemäß umfasst das Nullsystemunterdrückungsmittel einen Transformator, der eine Primärwicklung in Dreiecksschaltung und eine Sekundärwicklung in Sternschaltung aufweist. Die Verbindungsleitung ist eine Erdverbindung. Daher sind sowohl der TCR-Sternpunkt als auch der Sternpunkt der Sekundärwicklung geerdet. Im TCR-Betrieb fließt das Nullsystem somit von dem TCR-Sternpunkt zum Transformator, wobei die Primärwicklung des Transformators, die eine Dreiecksschaltung aufweist, die das Einspeisen von Nullsystemströmen in das angeschlossene Wechselspannungsnetz verhindert.
Vorteilhafterweise weist jede Phase mehrere Induktivitäten auf, wobei wenigstens eine Induktivität mittels eines Überbrückungsschalters überbrückbar ist. Ist die Vorrichtung beispielsweise im so genannten TCR-Betrieb, sind die zusätzlichen Induktivitäten nicht überbrückt, wobei sich die erhöhte Induktivität positiv auf den Betrieb der Vorrichtung auswirkt. Beim so genannten HGÜ-Betrieb hingegen ist ein Herabsetzen der Induktivität durch Überbrücken wenigstens einer der zusätzlichen Induktivitäten zweckmäßig.
Vorteilhafterweise sind Filtermittel zum Unterdrücken der fünften, siebten und oder zwölften harmonischen Oberschwingung vorgesehen. Die zusätzlichen Filtermittel verhindern eine Belastung der mit der Vorrichtung verbindbaren Hochspannungsleitung mit den besagten Oberschwindungen, die nicht Teil des Nullsystems sind.
Weiter zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteil der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die über einen Transformator 2 als Wechselspannungsanschluss aufweist. Mit anderen Worten dient der Transformator 2 zur Verbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer in 1 figürlich nicht dargestellten mehrphasigen Hochspannungsleitung. Die Vorrichtung 1 weist daher ebenfalls mehrere Phasen auf, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in den 1 und 2 lediglich eine Phase gezeigt ist. In der Regel weist die erfindungsgemäße Vorrichtung drei Phasen auf.
Der Transformator 2 verfügt über eine Primärwicklung 3 sowie über eine Sekundärwicklung 4. Die Phasen der Primärwicklung 3 sind in einem so genannten Dreieck miteinander verschaltet. Die Phasen der Sekundärwicklung 4 bilden einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander aus, der geerdet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verfügt ferner über eine Reihenschaltung 5, die eine Induktivität 6 sowie eine Induktivität 7 aufweist. Parallel zur Induktivität 7 ist ein Überbrückungsschalter 8 vorgesehen, der in einem Überbrückungszweig 9 angeordnet ist.
Die Reihenschaltung 5 verfügt ferner über eine Ventilschaltung 10 mit einem Verzweigungspunkt 11, der zwischen zwei Leistungshalbleiterventilen 12 und 13 angeordnet ist. Die Leistungshalbleiterventile 12 und 13 sind bezüglich des Verzweigungspunktes 11 gegensinnig zueinander angeordnet. Das Leistungshalbleiterventil 12 ist in einem ersten Stromzweig 14 angeordnet, wohingegen das Leistungshalbleiterventil 13 in einem zweiten Stromzweig 15 angeordnet ist, wobei die Stromzweige 14 und 15 über einen ersten Trennschalter 16 beziehungsweise über einen zweiten Trennschalter 17 mit einem TCR-Sternpunkt 18 verbunden sind. In 1 ist angedeutet, dass die dort nicht gezeigten Phasen mit ihrer Ventilschaltung 10 ebenfalls mit dem TCR-Sternpunkt 18 verbindbar sind. Dabei ist der TCR-Sternpunkt 18 geerdet. Die Vorrichtung 1 ist mit den geschlossenen Schaltern 16 und 17 gezeigt, befindet sich somit in dem so genannten TCR-Betrieb und dient zum Absorbieren von Blindleistung aus der mehrphasigen Hochspannungsleitung. Aus diesem Grunde ist der Überbrückungsschalter 8 geöffnet, so dass in der Reihenschaltung 5 eine erhöhte Induktivität bereitgestellt ist, die für den TCR-Betrieb der Vorrichtung 1 vorteilhaft ist. Zum Unterdrücken von fünften, siebten, zwölften und/oder vierundzwanzigsten Oberschwingungen des Nennstromes sind zusätzliche Filtermittel 19 vorgesehen, die dem Fachmann als solche bekannt sind, so dass an dieser Stelle hierauf nicht eingegangen zu werden braucht. Die zusätzlichen Filtermittel 19 sind beispielsweise nicht geerdet.
Aufgrund der Sternschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 heben sich die Oberschwingungen des Gegen- und Mitsystems gegenseitig auf. Das Nullsystem fließt jedoch über die als Erdschluss ausgestaltete Verbindungsleitung vom TCR-Sternpunkt 18 zum Sternpunkt der Sekundärwicklung 4 und von dort beispielsweise wieder zurückt zur Reihenschaltung 5, so dass ein geschlossener Stromkreis mit geringer Impedanz bereitgestellt ist. Die Dreiecksverschaltung der Phasen der Primärwicklung 3 verhindert das Einleiten von Nullsystemströmen in die Hochspannungsleitung.
In 1 ist ferner der HGÜ-Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 angedeutet. Aus diesem Grunde ist eine Sammelschiene 20 durch eine gestrichelte Linie nur virtuell verlängert. Der HGÜ-Betrieb der Vorrichtung 1 ist am Ende dieser gestrichelten Linie rechts verdeutlicht. Im HGÜ-Betrieb sind die Schalter 16 und 17 geöffnet. Aus diesem Grunde ist der erste Stromzweig 14 nicht mehr mit dem zweiten Stromzweig 15 und somit auch nicht mehr mit dem TCR-Sternpunkt 18 verbunden. Ferner ist der Überbrückungsschalter 8 geschlossen, so dass die Induktivität 7 der Reihenschaltung 5 im Vergleich zum TCR-Betrieb der Vorrichtung 1 verringert ist. Die Leistungshalbleiterventile 12 und 13 wirken nunmehr nicht mehr wie birektionale Schalter, sondern als Stromventile einer Sechs-Puls-Brückenschaltung, so dass ein so genannter Gleichrichter bereitgestellt ist. Die Stromzweige 14 und 15 bilden somit Gleichstromanschlüsse der Vorrichtung 1 aus. Eine in 1 nicht gezeigte Glättungsdrossel dient zum Glätten des gleichgerichteten Stromes. Der Gleichstrom ist nun in die Hochspannungsleitung einkoppelbar und kann dort zum Schmelzen von Schnee und Eis eingesetzt werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Sternpunkt der Sekundärwicklung 4 im Gegensatz zur 1 nicht mehr geerdet ist. Stattdessen ist ein Nullsystemfilter 21 vorgesehen, dessen Phasen unter Bildung eines Filtersternpunktes 22 miteinander verschaltet sind. Der Filtersternpunkt 22 ist geerdet. Das Nullsystem kann somit im TCR-Betrieb von dem TCR-Sternpunkt 18 zum Filtersternpunkt 22 über Erde fließen, wobei das Nullsystemfilter 21 einen Strompfad mit niedriger Impedanz für die dritte harmonische Oberschwingung des Stromes bildet und somit die Belastungen durch das Nullsystem unterdrückt. Im Rahmen der Erfindung können selbstverständlich auch mehrere Nullsystemfilter 21 vorgegeben sein, die auf andere Oberschwingungen, beispielsweise die neunte harmonische Oberschwingung abgestimmt sind. Wesentlich ist, dass alle Nullsystemfilter einen geerdeten Sternpunkt oder einen Sternpunkt, der metallisch mit dem Sternpunkt des TCR verbunden ist, aufweisen, so dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein geschlossener Stromkreis bereitgestellt ist, der für Nullsystemströme eine geringe Impedanz aufweist.

Claims

Vorrichtung (1) zur flexiblen Energieübertragung und zum Enteisen einer mehrere Phasen aufweisenden Hochspannungsleitung mittels Gleichstrom mit einem Wechselspannungsanschluss der Hochspannungsleitung, der eine den Phasen der Hochspannungsleitung entsprechende Anzahl von Phasen aufweist, wobei jede Phase wenigstens eine Induktivität (6) und eine Ventilschaltung (10) in Reihenschaltung zu jeder Induktivität (6) aufweist, wobei die Ventilschaltung (10) mittels eines Verzweigungspunktes (11) mit dem Wechselspannungsanschluss verbunden ist und einen ersten Stromzweig (14) mit einem ersten Leistungshalbleiterventil (12) und einen zweiten Stromzweig (15) mit einem zweiten Leistungshalbleiterventil (13) aufweist, wobei die Leistungshalbleiterventile (12, 13) bezüglich des Verzweigungspunktes (11) gegensinnig zueinander geschaltet sind und wobei der erste (14) und der zweite Stromzweig (15) mittels wenigstens eines Sternpunktschalters (16, 17) mit einem TCR-Sternpunkt (18) verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der TCR-Sternpunkt (18) über eine Verbindungsleitung mit einem Sternpunkt eines Nullsystemunterdrückungsmittels (2, 21) verbunden ist, wobei – die Verbindungsleitung eine Erdverbindung ist, und – das Nullsystemunterdrückungsmittel (2, 21) einen Transformator (2) umfasst, der eine Primärwicklung (3) in Dreiecksschaltung und eine Sekundärwicklung (4) in geerdeter Sternschaltung aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Phase mehrere Induktivitäten (6, 7) vorgesehen sind, wobei eine der Induktivitäten (7) mittels eines Überbrückungsschalters (8) überbrückbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromzweig (14) und/oder der zweite Stromzweig (15) eine Glättungsdrossel aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Filtermittel (19) zum Unterdrücken der fünften, siebten und/oder zwölften harmonischen Oberschwingung.