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Ableiterschutz zur ~ Stromrichterstation Die Erfindung betrifft einen
für eine Stromrichterstation bestimmten Ableiterschutz, der über eine Gleichstromdrossel
an einer Gleichstromleitung angeschlossen ist.
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Bei Kraftübertragungen mit hochgespannten Gleichstrom, bei denen die
Gleichstromleitung an den Enden über Stromrichterstationen an Wechselstromnetze
angeschlossen wird, werden große Anforderungen an die Schutzapparate und die Isolation
dieser Stationen gestellt. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Stationen
mehrere reihengeschaltete Stromrichter umfassen und die Spannung von Erde zu dem
Stromrichter mit dem höchsten Potential mehrere Male größer ist als die Spannung
über dem Stromrichter selbst. In diesem Fall muß also das Isolationsniveau zur Erde
zur Leitung gerechnet von Stromrichter zu Stromrichter gesteigert werden, obwohl
die Stromrichter im übrigen dieselbe Nennspannung haben.
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Der Grund £Ur die hohen Anforderungen, die an Schutzapparate und Isolation
der Teilstromrichter gestellt werden, ist u.a.
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der, daß ein rdfehler irgendwo in der Station zur Folge haben kann,
daß sich die ganze Leitungsspannung über einen oder mehrere Komponenten legt, die
nicht entsprechend bemessen sind und infolgedessen zusammenbrechen würden, wenn
sie nicht einen besonderen Überspannungsschutz hätten. In Stromrichtern mit Thyristorventilen
sind z.B. die einzelnen Ventile normalerweise mit Hilfe von Ableitern geschützt,
die zu den Ventilen parallelgeschaltet sind. Diese Ableiter sollen in erster Linie
die Ventile gegen von angeschlossenen Leitungen kommende Überspannungen schützen,
sowie gegen Überspannungen, die bei eventuellen Stromrichterfehlern in den Stromrichtern
erzeugt werden können. Ein Erdfehler in der Stromrichterstation führt jedoch zu
wesentlich höherer Beanspruchung, da Ableiter über einzelnen Ventilstrecken von
der ganzen in der Gleichstromleitung gespeicherten Energie durchflossen werden können,
was eine sehr große Beanspruchung der Ableiter zur Folge hat. Auch wenn es nicht
unmöglich ist, die Ableiter für derartig große Energie zu bemessen, so ist es doch
selbstverständlich, daß dies sehr kostspielig sein würde.
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Zur Lösung dieser Probleme wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen,
einen Ableiter außerhalb der Gleichstromdrossel der Station anzuordnen und diesen
Ableiter mit einer besonderen Start-oder Zündanordnung zu versehen, die von einem
fehlerregistrierenden Organ in der Station gesteuert wird. Auf diese Weise hat ein
Fehler in der Station zur Folge, daß nach kurzer Verzogerung die Gleichstromleitung
über den Ableiter geerdet wird, so dat3 der Strom in der Leitung gar nicht erst
durch die Statlon geht.
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Der Ableiter wird vorzugsweise in Form eines Funkenstreckenstapels
ausgeführt, während die Startanordnung aus einem mit den Funkenstrecken reihengeschalteten
Thyristorstapel besteht. Beim Zünden des Thyristorstapels legt sich ein größerer
Teil der Leitungsspannung über die nächstliegenden Funkenstrecken, die hierdurch
eine sukzessive Durchzilridung des ganzen Ableiterstapels veranlassen.
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Der Ableiter soll bei einer Leitungsspannung gezündet werden können,
die die Betriebsspannung eines einzigen Teilstromrichters nicht wesentlich übersteigt.
Dagegen soll der Ableiter nicht auf eventuelle Uberspannungen in der Leitung reagieren.
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Zweckmäßigerweise ist ein normaler Uberspannungsableiter parallel
mit dem Ableiter geiäß der Erfindung an der Leitung angeschlossen, und die Zundspannung
dieses Uberspannungsableiters sollte mit gutem Narginal die Spannungsfestigkeit
eines erfindungsgemäßen Ableiters unterschreiten, wenn dieser gesperrt ist.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben,
in dieser zeigen Fig. 1 die Schaltung eines Ableiterschutzes gemäß der Erfindung
für eine Stromrichterstation, Fig. 2 den Aufbau des Ableiterschutzes und Fig. 3
und 4 Beispiele, wie ein fehleranzeigendes Organ ausgebildet sein kann.
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Fig. 1 zeigt eine Stromrichterstation mit zwei in Reihe geschalteten
Stromrichtern 1 und 2, von denen jeder eine Ventilbrücke und einen Stromrichtertransformator
umfaßt. Die Stromrichter sind über eine Dämpfungsdrossel 4 an einer Gleichstromleitung
3 angeschlossen. Außerhalb der Drossel 4 ist zwischen der Gleichstromleitung 3 und
Erde einmal ein normaler Überspannungsableiter 5 zum Schutz gegen Überspannungen
in der Leitung und zum anderen ein gesteuerter Ableiterschutz 6 gemäß der Erfindung
eingeschaltet.
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Die Bedeutung des letztgenannten Shutzes wird klar, wenn man z.B.
den Stromrichter 2 betrachtet. Die Ventile 21 bis 26 sind mit individuellen Ableitern
parallelgeschaltet, von denen jedoch nur die Ableiter 27, 28 für die Ventile 21
und 24 eingezeichnet sind. Diese Ableiter sind zum Schutz der Ventile gegen Überspannungen
vorgesehen. Besonders Halbleiterventile sind sehr empfindlich gegen solche Überspannungen,
so daß diese individuellen Ableiter besonders konstruiert sein müssen, um die erforderliche
Sicherheit zu gewährleisten. Außer diesen Ableitern für die einzelnen Ventile können
mehrere andere Ableiter an verschiedenen Komponenten vorhanden sein. Für die Mehrzahl
dieser verschiedenen Ableiter gilt, daß sie für ihren jeweiligen Zweck bemessen
sind und deshalb keine größeren Energien aufnehmen können als die vorgesehenen.
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Stellt man sich nun einen Erdfehler in einer der Phasenleiter zwischen
dem Stromrichterstransformator und der Ventsilbrücke vor,
wie es
in der Figur 1 mit einem Pfeil angedeutet ist, sieht man, daß die ganze Leitungsspannung
sich über das Ventil 21 und seinen Ableiter 27 legt, der somit zündet. Auch wenn
Erdiehler innerhalb der Station nicht gewöhnlich sind, kann man sie trotzdem nicht
außer Acht lassen, sofern man keine vollkommen ungewöhnlichen Sicherheitsmaßnahmen
ergreift. In dem angeführten Fall hat ein Erdfehler zur Folge, daß sich die in der
Ubertragungsleitung 3 gelagerte kapazitive Energie durch den Ableiter 27 entlädt.
Diesen Ableiter so herzustellen, daß er hinreichend empfindlich ist, um das Ventil
21 gegen normalere Uberspannungsbeanspruchung zu schützen, und gleichzeitig hinreichend
robust, um die ganze Energie in der Übertragungsleitung zu ertragen, würde eine
wesentliche Komplikation bedeuten.
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Statt dessen hat man gemäß der Erfindung den gesteuerten Ableiterschutz
6 eingeführt, der im Falle von Fehlern in der Station zündet und dabei die Hauptmenge
der Leitungsenergie ableitet, während der Ableiter 27 nur eine begrenzte Energie-
und Strommenge abzuleiten braucht, bedingt von der Zeit, die erforderlich ist, bis
ein Fehleranzeiger anspricht und den Schutz 6 zum Ansprechen bringt.
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Ein solcher Fehleranzeiger kann ein Differentialschutz mit stromempfindlichen
Elementen sein, z.B. mit Hall-Generatoren oder Transduktoren 8 und 9 auf beiden
Seiten der Station. Diese stromempfindlichen Blemente werden an ein elektronisches
Ausgleichsrelais 10 angeschlossen, das vom Ableiter 6 gesteuert
wird.
Ein Unterschied in den Strömen auf beiden Seiten der Station bedeutet, daß wahrscheinlich
ein Erdfehler in der Station aufgetreten ist, daß also der Ableiter 6 ausgelöst
werden muß.
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E,n solcher Stromunterschied wird zur Folge haben, daß das Ausgleichsrelais
10 ein Ausgangssignal an den Ableiter 6 gibt.
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Das Flelais 10 ist mit einer bestimmten Empfindlichkeit auszuführen,
um ein unnötiges Auslösen aufgrund von Stromschwingungen oder bedeutungslosen Stromunterschieden
zu vermeiden, es sollte zweckmäßigerweise zwecks Erreichens eines schnellen Ansprechens
derivierend sein.
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Das Relais 10 ist in Fig. 3 als Blockschema und in Fig. 4 genauer
gezeigt. In Fig. 3 sind die Transduktoren 8 und 9 an je einem derivierenden Organ
31 bzw. 32 angeschlossen, an dessen Ausgangsseiten Niveaugeber 34 bzw. 33 angeordnet
sind. Diese wiederum sind an ein Und-Glied 39 angeschlossen, von dem das Signal
über ein Verzögerungsorgan 35 und ein Oder-Glied 40 zu einem Impulsgeber 36 geleitet
wird. Sollte die Impedanz des Erdfehlers so groß sein, daß der Erdfehlerstrom so
langsam anwächst, daß die Niveaugeber 33 und 34 nich-t reagieren, ist ein Parallelkreis
37, 38 vorhanden, in dem 37 ein stromempfindliches Organ ist, das abtastet, ob der
Leitungsstrom seine Richtung ändert und ein bestimmten Wert in entgegengesetzter
Richtung erreicht.
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Das Organ 37 ist über den Verzögerungskreis 38 am Qder-Glied 40 angeschlossen.
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lg. 4 zeigt ein genaueres Schema des in Fig. 3 gezeigten Ausgleictisrelais.
Wle in Fig. 3 werden die den ilauptströmen des
Stromrichters entsprechenden
Stromsignale von den Transduktoren 8 und 9 mit in bzw. i2 bezeichnet und die Bezugszeichen
sind dieselben in den beiden Figuren.
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Fig. 4 enthält drei parallele Eingangskreise, die über die Klemme
41 von einer positiven Spannungsquelle gespeist werden. Betrachtet man den unteren
von ihnen, so ist dieser auf der Eingangs seite links von dem Stromsignal i1 von
Transduktor 8 mit der gezeigten Polarität beeinflußt. Der ableitende Kreis 31 besteht
aus einem Kondensator 310 in Reihe mit einem variablen Widerstand 311 und einer
Zenerdiode 341 im Niveaugeber 34, der darüber hinaus im wesentlichen aus einem Transistor
340 besteht. Die Organe 32 und 33 im Parallelkreis darüber haben denselben Aufbau,
abgesehen davon, daß das Eingangssignal i2 vom Transduktor 9 mit entgegengesetzter
Polarität angeschlossen ist. Die Transduktoren 330 und 340 sind mit ihren Kollektoren
über den Widerstand 332 an der Klemme 41 angeschlossen. Dasselbe ist der Fall mit
der oberen Klemme an den Zenerdioden 331 und 341.
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Solange die Station fehlerfrei ist, ist i1 gleich i2 und der Strom
in der Regel konstant, was bedeutet, daß der Strom durch die Kondensatoren 310 und
320 Null ist. Das bedeutet aber, daß die Basis der Transistoren 330 und 340 nur
von der Zenerspannung über 331 bzw. 341 beeinflußt wird, die ausreichend ist, um
die Transistoren leitend zu halten. Dies bedeutet weiter, daß der Punkt 39', der
dem Und-Glied in Fig. 3 entspricht, Nullpotential hat und daß in dem Organ 35 nichts
geschieht. Nimmt der Strom
ii zu, hat dies einen Ladungsstrom im
Kondensator 310 zur Folge, und die daraus folgende Spannung über dem Widerstand
311 blockiert den Transistor 340. Wenn die Stromzunahme auf einer Stromzunahme in
der ganzen Station und der Leitung 3 in Fig. 1 beruht, wird auch i2 zunehmen, was
jedoch keine Änderung im Kreis 32, 33 hervorruft. Der Punkt 39' hat deshalb fortwährend
Nullpotential. Wenn jedoch die Zunahme von i1 auf einem Erdfehler in der Station
beruht, wird i2 abnehmen, was einen Entladungsstrom im Kondensator 320 und eine
Spannung über dem Widerstand 321 zur Folge hat, so daß auch der Transistor 330 blockiert
wird. Dadurch bekommt der Punkt 39' ein positives Potential, 35 wobei der Kondensator
351 im Organ anfängt aufgeladen zu werden.
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Wenn die Spannung über dem Kondensator ausreichend hoch ist, wird
der uni-junction-Transistor 350 leitend, und der Impuls auf dessen Kathode zündet
den Thyristor 360 im Auslösungsorgan 36.
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Dabei leuchtet die Lampe 361, die eine Fotozelle 19 zum Auslösen des
Ableiterschutzes 6 beeinflußt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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Wenn die Zeitderivaten von i1 und i2 zu klein sind, um die Transistoren
330 und 340 zu blockieren, der Erdfehlerstrom jedoch auf gefährliche Werte anwächst,
wird der Kreis 37, 38 wirksam. Dieser Kreis ist in derselben Weise aufgebaut wie
der Parallelkreis 32, 33, 35, mit Ausnahme des Kondensators 320.
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Solange i2 in richtiger Richtung geht, ist der Transistor 370 leitend
aufgrund der Spannung über der Zenerdiode 371, weshalb 38 die Eingangsspannung Null
erhält. Wenn i2 jedoch umgekehrt
und in entgegengesetzter Richtung
anwächst, wird 370 blockiert, wobei der Kondensator 381 Spannung erhält und nach
einer gewissen Zeit über den uni-junction-Transistor 380 einen Impuls an den Thyristor
360 gibt.
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Um das Organ 36 nach einer Auslösung auf Null stellen zu können, ist
der Reihenkontakt 362 eingeführt, der durch sein Öffnen den Strom durch den Thyristor
360 unterbricht.
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Wie erwähnt benötigt man ein schnelles Anzeigen eines Erdfehlers,
so daß man den Ableiterschutz 6 auslösen kann, ehe innerhalb der Station Schäden
entstehen. Andererseits will man auch nicht panikartig handeln, um das Risiko für
eine Fehlauslösung aufgrund von ungefährlichen Störungen nicht zu groß werden zu
lassen.
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Man hat also deshalb die Verzögerungsorgane 35 und 38 eingeführt,
deren Verzögerung genau so groß sein sollte, daß mit Sicherheit eine Auslösung erfolgt,
wenn der Fehler permanent ist. Ist der Fehler nicht von permanexlter Art, verschwinden
die Signale, die die Transistoren 330, 340 oder 370 blockieren, wobei die Ladung
des Kondensators 351 bzw. 381 unterbrochen wird, ehe der entsprechende uni-junction-
Transistor 350 bzw. 380 leitend wird.
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Anstelle des oben beschriebenen Differentialschutzes kann man als
Erdfehleranzeiger auch einen sogenannten Rückstromanzeiger gemäß dem Schweizer Patent
383 493 verwenden, der in der Nähe der Drossel 4 angeschlossen wird und dessen Anwendung
darauf basiert, daß der Entladungsstrom von der Leitung dem Arbeitsstrom entgegengerichtet
ist. Ein Erdfehler in der Station hat
also eine Stromumkehrung
in der Drossel 4 zur Folge, die als Fehleranzeige betrachtet werden kann. Der Rückstromanzeiger
hat also ungefähr dieselbe Funktion wie die Organe 37 und 38 in Fig.3.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Ableiters 6 gemäß der Erfindung.
Sie enthält eine Anzahl reihengeschalteter Funkenstrecken 11 mit Reihenwiderständen
12. Die Funkenstrecken sind mit einem Widerstand 13 und mit Kondensatoren 14 parallelgeschaltet,
um die Spannungsverteilung zwischen ihnen zu sichern. In den Querverbindungen zwischen
Spannungsteiler und Funkenstreckenstapel ist ein Widerstand 17 eingesetzt, um den
Entladungsstrom von den Kondensatoren 14 zu begrenzen, wenn die Strecken zünden.
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Im unteren Teil des Ableiters sind mehrere Funkenstrecken mit mehreren
reihengeschalteten Thyristoren 15 ersetzt, die in zwei parallelen Zweigen mit entgegengesetzten
Leitrichtungen angeordnet sind. Außerdem kann ein zusätzlicher spannungsabhängiger
Reihenwiderstand 16 mit relativ niedriger Resistanz wie gezeigt eingeschaltet sein.
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Wenn ein Erdfehler in der Station auftritt, hat dies wie erwähnt ein
Signal von dem elektronischen Ausgleichsrelais 10 oder dem Rückstromanzeiger 7 zur
Folge, und zwar in beiden Fällen in Form eines Lichtimpulses, der eine Fotozelle
19 in Fig. 2 beeinflußt, die einen Eingangskreis für einen Steuerimpulsgenerator
18 für die Thyristoren 15 bildet. Dabei werden die Thyristoren 15 gezündet, was
dazu führt, daß die Spannung über d^ um erzen Teil des Ableiters 6 zusammenbricht.
Diese Zusnmmenbrachspunnung legt
sich statt dessen über die untersten
Funkenstrecken 11, die dadurch gezündet werden, wonach die Spannung über den dardberliewenden
Funkenstrecken zunimmt. Auf diese Weise entsteht ein kaskadenartiger Verlauf, so
daß der ganze Ableiterschutz 6 leitend und Energie aus der Gleichstromleitung durch
diesen Ableiter entladen wird.-Venn dies geschehen und die Leitung spannungslos
oder die Spannung auf einen gewissen niedrigen Wert gesunken ist, erlöschen die
Funkenstrecken des Ableiters.
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Vorausgesetzt, daß der Fehler in der Station inzwischen beseitigt
werden konnte, kann die Anlage erneut gestartet werden, nachdem der Kontakt 362
in Fig. 4 kurz geöffnet worden ist.
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Aus Vorstehendem geht hervor, daß der Thyristorteil des Ableiters
6 ein so großer Teil desselben sein soll, daß die Spannung darüber reicht, um die
nächstliegende Funkenstrecke zu zünden, nachdem die Thyristoren gezündet worden
sind. Bei naherem Durchrechnen zeigt es sich, daß es in der Regel reicht, wenn die
Spannung über dem Thyristorteil der Spannung über einigen wenigen Funkenstrecken
entspricht.
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In Fig. 2 werden Thyristoren 15 in zwei parallelen Zweigen mit entgegengesetzter
Leitrichtung gezeigt. Dies wird damit motiviert, daß die fragliche Entladung meistens
einen Schwingungsverlauf mit sich führt, weshalb der Ableiter 6 in beiden Richtungen
leiten können Kuß.
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In Fig. 1 ist der Ableiterschutz auf der Leitungsseite der Drossel
4 angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß die Energie
in der Drossel
aufgrund der Stromrichtung trotz der Aktivierung des Ableiterschutzes 6 durch den
Ableiter 27 oder entsprechende Ableiter in der Station entladen werden muß.
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Dies könnte vermieden werden, wenn der Ableiter 6 auf der Ventilseite
der Drossel 4 angebracht wird. Das würde jedoch zur Folge haben, daß eine eventuell
unbefugte Auslösung des Ableiters 6 einen Kurzschluß der ganzen Station und damit
eine große Beanspruchung der Ventile verursachen würde. Bei dieser Anordnung kann
der Ableiterschutz 6 mit einer relativ großen Impedanz im Verhältnis zu den Ableitern
27, 28 versehen werden, trotzdem kann der Entladungsstrom von der Leitung auf den
Ableiter 6 kommutieren. Wenn der Ableiter 6 auf der Leitungsseite der Drossel 4
angeordnet ist, muß seine Impedanz relativ klein sein, um die Entlastung der Ableiter
der Station zu erleichtern. Welche Anordnung vorzuziehen ist, beruht auf den Umständen
in Jedem einzelnen Fall.
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Der Ableiterschutz 6 ist wie erwähnt mit einem normalen Überspannungsableiter
5 parallelgeschaltet, und die reihengeschalteten Funkenstrecken 11 und die Thyristoren
15 sowie die damit parallelgeschalteten Spannungsteilerwiderstände 13 und -kondensatoren
14 sind so bemessen und aufeinander abgepaßt, daß die Spannungsfestigkeit des Ableiterschutzes
6 mit gutem Marginal die Zündspannung des Überspannungsableiters 5 übersteigt.
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Auf diese Weise ist sichergestellt, daß Überspannungen in der Leitung
durch den Ableiter 5 entladen werden.