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DE102011005905A1 - Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom - Google Patents

Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom Download PDF

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schalter für eine Übertragungsstrecke der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.
  • Für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC oder HGÜ), insbesondere zum Aufbau von HVDC-Multi-Terminal- und HVDC-Netzsystemen, werden Leistungsschalter benötigt. Diese Leistungsschalter müssen sowohl die Nennströme als auch Kurzschlussströme sicher abschalten können. Aktuelle Nennspannungen liegen bei 550 kV. In der Zukunft können die Nennspannungen 800 kV oder sogar 1000 kV erreichen. Die Nennströme betragen etwa 2 bis 5 kA. Die abzuschaltenden Kurzschlussströme können ein Vielfaches des Nennstromes betragen. Ein Leistungsschalter für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung muss zusätzlich eine galvanische Trennung sicherstellen. Bisherige HGÜ-Anlagen sind als Point-to-Point-Lösungen ausgeführt. Abschaltungen dieser Anlagen werden durch eine Regelung der jeweiligen Konverter-Stationen vorgenommen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom anzugeben, mit dem bei möglichst einfachem Aufbau eine sichere Abschaltung von Nenn- und Kurzschlussströmen erreichbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Schalter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Schalters.
  • Der erfindungsgemäße Schalter für eine Übertragungsstrecke für Hochspannungs-Gleichstrom weist eine Reihenschaltung aus einer ersten und einer zweiten Schalteinrichtung auf, wobei die erste Schalteinrichtung zur Stromunterbrechung ausgestaltet ist und die zweite Schalteinrichtung zur Spannungsisolation ausgestaltet ist. Schließlich umfasst der Schalter eine Einrichtung zum Aufbau eines Gegenstromes gegen den Strom in der Übertragungsstrecke zur Absenkung des Stroms durch die Schalteinrichtungen. Dabei weist die erste Schalteinrichtung bevorzugt einen Vakuumleistungsschalter auf. Die zweite Schalteinrichtung weist bevorzugt einen gasisolierten, ölisolierten oder ölarmen Leistungsschalter auf.
  • Für die Erfindung wurde erkannt, dass vorteilhaft eine Verbesserung des Schaltvorgangs erreichbar ist, indem ein Gegenstrom erzeugt wird, der den durch den Vakuumleistungsschalter fließenden Strom absenkt. Insbesondere wird dabei ein Nulldurchgang des Stroms erzeugt. Dies ist möglich, da die Polarität im Fall der HGÜ-Anlage von vornherein bekannt ist und nicht, wie bei Wechselstrom, ständig wechselt.
  • Bevorzugt weist die Einrichtung zum Aufbau einer Gegenspannung einen Hochspannungskondensator sowie einen Schalter auf. Es ist zweckmäßig, wenn die Elemente parallel zum Vakuumleistungsschalter geschaltet sind. Dabei ist im Normalbetrieb der Hochspannungskondensator aufgeladen, aber durch den Schalter wenigstens einseitig elektrisch abgekoppelt. Soll eine Stromabsenkung geschehen, wird der Schalter geschlossen. Als Schalter kann ein Halbleiterschalter wie beispielsweise ein Thyristor verwendet werden oder auch ein zweiter gasisolierter Leistungsschalter.
  • Bevorzugt weist die Einrichtung zum Aufbau eines Gegenstromes einen Hochspannungskondensator sowie in Serie dazu einen dritte Schalteinrichtung auf und ist parallel zur ersten Schalteinrichtung geschaltet. Als dritte Schalteinrichtung kann beispielsweise ein Thyristor oder ein weiterer gasisolierter Leistungsschalter verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung weist der Schalter eine Einrichtung zur Begrenzung des Stromanstiegs in Reihenschaltung zur ersten Schalteinrichtung auf. Diese kann beispielsweise eine Induktivität in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer nichtlinearen Induktivität und einer Kapazität umfassen. Bei dieser vorteilhaften Lösung entfallen die aus dem Stand der Technik bekannten kosten- und energieintensiven supraleitenden Lösungen, die auch immer eine ausfallsichere Kryotechnik benötigen.
  • Der Schalter umfasst zweckmäßig eine Steuerungseinrichtung. Diese ist bevorzugt ausgestaltet, die zeitliche Änderung des Stromes zu ermitteln und daraus das Vorliegen eines Kurzschlusses zu ermitteln, und bei Vorliegen eines Kurzschlusses Steuersignale so auszugeben, dass die erste Schalteinrichtung geöffnet wird. Die Steuerungseinrichtung ist weiterhin bevorzugt ausgestaltet, die Einrichtung zum Aufbau eines Gegenstromes bei Vorliegen eines Kurzschlusses anzusteuern, einen Gegenstrom aufzubauen und den Vakuumleistungsschalter anzusteuern, bei möglichst geringem Betrag des Stroms, insbesondere bei einem Nulldurchgang des Stroms, diesen abzuschalten.
  • Die Steuereinrichtung stellt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Höhe der Gegenspannung anhand der gemessenen Änderung des Stroms ein. Hierdurch wird eine schnelle und sichere Abschaltung durch den Vakuumleistungsschalter erreicht.
  • Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
  • 1 einen schematischen Aufbau eines Schalters für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke,
  • 2 einen Aufbau für einen Stromänderungsbegrenzer und
  • 3 einen Aufbau für eine Einrichtung zur Erzeugung eines Gegenstroms.
  • 1 zeigt schematisiert den Aufbau für ein Ausführungsbeispiel für einen Schalter. Der Schalter ist in einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsstrecke 1 angeordnet und ist über Anschlüsse 2 mit weiteren Leitungen verbindbar.
  • Der Schalter umfasst einen Vakuumleistungsschalter 3. Der Vakuumleistungsschalter 3 ist in bekannter Weise realisiert.
  • Weiterhin umfasst der Schalter eine Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms ist in 3 dargestellt. Die Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms umfasst in Serie geschaltet einen Hochspannungskondensator 21 und einen Thyristor 22. Alternativ zum Thyristor 22 kann sich hier auch ein anderer Halbleiterschalter, wie beispielsweise ein IGBT, verwendet werden.
  • Der Schalter umfasst weiterhin einen Stromänderungsbegrenzer 6. Ein beispielhafter Aufbau für den Stromänderungsbegrenzer 6 ist in 2 dargestellt. Der Stromänderungsbegrenzer 6 umfasst dabei eine Parallelschaltung aus einer nichtlinearen Induktivität 12 und einen Kondensator 13. Diese Parallelschaltung ist ihrerseits in Serie zu einer weiteren Induktivität 11 geschaltet.
  • Des Weiteren umfasst der Schalter einen gasisolierten Leistungsschalter 5, beispielsweise einen SF6-Schalter. Der gasisolierte Leistungsschalter 5, der Vakuumleistungsschalter 3 und Stromänderungsbegrenzer 6 sind dabei in Serie geschaltet. Parallel zum Vakuumleistungsschalter 3 ist die Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms angeordnet.
  • Wo nötig, ist eine Steuereinrichtung 7 mit den vorgenannten Elementen verbunden. So besteht in diesem Ausführungsbeispiel eine Verbindung von der Steuereinrichtung 7 zum Stromänderungsbegrenzer 6, über die die Steuereinrichtung 7 ein Messsignal für die Stromänderung dI/dt erhält. Eine weitere Steuerverbindung besteht zwischen der Steuereinrichtung 7 und dem Vakuumleistungsschalter 3, sowie der Steuereinrichtung 7 und der Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms. Schließlich besteht eine Verbindung zwischen der Steuereinrichtung 7 und dem gasisolierten Leistungsschalter 5.
  • Die Steuereinrichtung 7 überwacht im Betrieb die Messwerte für die zeitliche Änderung des Stroms. Im Falle eines Kurzschlusses würde der fließende Strom stark ansteigen. Der Stromänderungsbegrenzer 6 verhindert diesen starken Anstieg vorerst. Die Steuereinrichtung 7 erkennt am dennoch steigenden Strom das Vorliegen eines Kurzschlusses. In der Folge erzeugt die Steuereinrichtung 7 Schaltbefehle für die weiteren Elemente des Schalters. Diese Steuerbefehle bestehen in einem Öffnen des Vakuumleistungsschalters 3, des gasisolierten Leistungsschalter 5 und in einem Einschalten des Thyristors 22 in der Einrichtung 4 zur Erzeugung eines Gegenstroms. Dabei legt die Steuereinrichtung 7 die zeitliche Abfolge dieser Befehle fest. Zweckmäßig wird schnell ein Gegenstrom erzeugt. Dabei wird das Erzeugen des Gegenstroms derart gesteuert, dass idealerweise ein Stromnulldurchgang passiert. Beim Stromnulldurchgang oder nahe am Stromnulldurchgang wird der Vakuumleistungsschalter 3 abgeschaltet. Ein zusätzliches Ausschalten des gasisolierten Leistungsschalter 5 sorgt für die letztendlich hohe Spannungsfestigkeit und dafür, dass ein Wiederzünden im Vakuumleistungsschalter 3 ausbleibt.

Claims (10)

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