DE2362533A1

DE2362533A1 - Elektrisches hochspannungsstarkstromnetz mit reihengeschalteten stabilisierungskondensatoren

Info

Publication number: DE2362533A1
Application number: DE2362533A
Authority: DE
Inventors: Nils Dipl Ing Fahlen; Asle Dipl Ing Schei
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1972-12-22
Filing date: 1973-12-15
Publication date: 1974-06-27
Also published as: BR7309904D0; FR2211783A1; AU6373273A; AR196711A1; ZA739614B; CH563679A5; FR2211783B1; CA995299A; FI59686C; FI59686B; GB1443049A; DE2362533B2; JPS4989828A

Description

Patentanwälte · " .

Dipl.-Ing. Helmut Missling 63 Giessen 12.12.-1973

Dipi.-Ing. Richard Schlee Bismarckstrasse 43

_ · Telefon: (0641) 71019

Dr,lng. Joachim Boecker Boe/Kü 11.857 .

Allmänna.Svenska Elekfcriska Aktiebolaget . V ä s t e r a s/Schweden

Elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz mit reihendesehalteten Stabilisierungskondensatoren.

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Hpchspannungsstarkstromnetz mit reihengeschalteten Stabilisierungs- . kondensatoren, wobei zu jedem Kondensator ein Schutzkreis zum Kurzschließen des Kondensators bei Überspannungen

ι - ■ _

parallelgeschaltet ist. Durch die Maßnahme wird entweder die Stabilität des Starkstromnetzes erhöht oder bei gleichbleibender Stabilität ihr Übertragungsvermögen. Die Kondensatoren kompensieren die induktiven Leitungsreaktanzen, wodurch die Leitungen elektrisch kürzer und stärker'werden. Eine Schwierigkeit bei der Verwendung von Reihenkondensatoren besteht darin,, daß die Kondensatoren empfindlich gegen Über~ spannungen aufgrund von Überströmen und Transienten infolge von Leitungsfehlern sind. Sie müssen daher gegen Beschädigung oder Zerstörung geschützt werden. Ein solcher Schutz besteht beispielsweise in der Parallelschaltung einer Funkenstrecke zu dem Kondensator, wobei die Funkenstrecke augenblicklich zündet, wenn*das von der Zündspannung der Funkenstrecke be-.

409826/0815 ₂

stimmte Schutzniveau überschritten wird. Dies hat zur Folge, daß die kompensierende Wirkung des Reihenkondensatoren gerade in dem Augenblick verloren geht, injiem sie am wichtigsten ist,, nämlich während des Auftretens von Fehlern. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Hilfsfunkenstrecken nach ihrem Verlöschen eine gewisse Zeit zur Entionisierung benötigen, wodurch die Wiedereinschaltung der Kondensatoren verzögert wird. .

Wird der Reihenkondensator derart bemessen, daß er bei ' normalen Betriebsverhältnissen die Kompensation der Leitungsreaktanz mit einem ausreichenden Sicherheitsbereich garantiert, so kann es passieren, daß eine Störung, die zum Abschalten . der Kondensatoren führt, so schwer ist, daß die Stabilität während der Zeit, in der die Kondensatoren abgeschaltet sind verloren geht und die Kondensatoren nicht im Stande sind, nach ihrer Wiedereinschaltung die Stabilität wiederherzustellen. .

Um diese Gefahr zu vermeiden, werden die Kondensatoren so stark überdimensoniert, daß sie nach Wiedereinschaltung die' Stabilität mit Sicherheit wiederherstellen. Eine solche Maßnahme hat den Nachteil, daß die Betriebskosten für die Kondensatoren erheblich vergrößert werden.

Als Funkenstrecken zum Kurzschließen der Reihenkondensatoren kommen grundsätzlich zwei Arten in Betracht, nämlich selbst-

40982-870815 - 3 -

löschende und niehtsexbstlösehende Funkenstrecken. Die nichtselbstlö sehenden Funkenstrecken erfordern zusätzlich Meß- * ' wandler, Relais und Schalter, da ein Schalter vorgesehen sein muß, der die Funkenstrecke kurzschließt, nachdem diese gezündet hat,- Dies hat dann ein Erlöschen der Funkenstrecke zur Folge. Nachdem die Funkenstrecke entionisiert ist, was eine Frage der statischen Natur der Funkenstrecke ist, muß der Schalter wieder' öffnen und den Kondensator wieder in die Leitung schalten. U.a. mit Rücksicht darauf, daß die Verwendung von nichtselbstlösehenden Funkenstrecken'Schalter für das Löschen der Abstände und das Wiedereinsetzen des' Kondensators erfordert und daß der Schalter das schwächste Glied in einer Starkstromanläge ist, besteht immer eine gewisse Gefahr, daß das Wiedereinschalten des Kondensators mißlingt "und daß die Stabilität-verlorengeht, was große Schäden und Kosten zur Folge haben kann.. Selbstlöschende Funkenstrecken mit oder ohne Zusatzmittel, haben hingegen die Fähigkeit, kurz nachdem der Fehler weggeschaltet ist und derLeiterstrom dadurch auf den Normalwert gesunken ist, zu erlöschen. Dadurch ist im allgemeinen parallelarbeitenden Geräten, wie Schalter,, nicht erforderlich, was ein wesentlicher Vorteil -ist.

Ein Nachteil der selbstlöschenden Funkenstrecken besteht darin, daß man bei einigen Fehlerarten in bestimmten Leitungsstrecken voraussetzen muß, daß die Funkenstrecke beim Nulldurchgang des Stromes, also nach jeder Halbperiode zündet ,

40 9-8 26/0815 - h -

und löscht, wobei der Kondensator jedesmal mit einer Frequenz entladen wird, die viele Male höher ist, als die Netzfrequenz. Für solche Fälle muß der Kondensator für eine höhere Spannung ausgelegt werden, was die Kosten erhöht.

Bei bisher bekannten Schaltungen zur Aufrechterhaltung der Stabilität durch Kompensation mit Reihenkondensatoren, die durch selbstlöschende oder nichtselbstlöschende Funkenstrecken geschützt sind, bleibt der Nachteil, daß die Stabilisierung beim Auftreten von Überspannungen am Kondensator gerade dann für bedeutende Zeit unterbrochen wird, wenn es auf die Stabilitätsreserve des Netzes besonders ankommt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz der eingangs genannten

die
* Art zu entwickeln, bei dem Stabilisierung des Betriebszustandes

keine Unterbrechung erfährt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz der eingangs genannten Art vorgeschlagen", das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß parallel zu jedem Kondensator mit Schutzkreis ein spannungsabhängiger Widerstand liegt, dessen Widerstanswert groß ist, solange die Spannung am Kondensator unter einem bestimmten von der Beschaffenheit des Kondensators abhängigen Wert liegt, welcher größer als die Betriebsspannung des Kondensators, aber kleiner als die Ansprechspannung des Schutzkreises ist, und das der Wert des spannungsabhängigen Widerstandes oberhalb des ge-

409826/0815

nannten Spannungswetes schnell abnimmt.

Dadurch, daß gemäß der Erfindung ein Strompfad vorgesehen ist, der den Kondensator nebenschließt und der nicht zu vernachlässigende Widerstandselemente sowie Mittel enthält, die den Strompfad öffnen, bevor eine auftretende Überspannung einen den Kondensator gefährdenden Wert erreicht hat und bevor der bekannte Kurzschlußkreis anspricht, hat man eine Schaltung erhalten, die gegenüber den bekannten folgende Vorteile aufweist:

1. Der Widerstandswert im parallelen Strompfad hat stets einen nicht zu vernachlässigenden Wert, so daß der Kondensator nie kurzgeschlossenjist. SeinesÖiebilisierende Wirkung im Netz bleibt immer bestehen, auch wenn sie etwas reduziert wird.

2. Durch die Verwendung eines spannungabhängigen Widerstandes im Strompfad erhält man eine allmähliche Übernahme des Kondensatorstromes und ein allmähliches Wiedereinsetzen des Kondensators, wenn die Überspannung verschwindet,

3. In Folge der charakteristischen Eigenschaften eines spannungsabhängigen Widerstandes wird der Strompfad wirksam und öffnet allmählich (weich), sobald die Spannung am Kondensator den vorausbestimmten Wert erreicht hat. Der Strompfad ist in-ifolge-dessen nur während der kurzen Zeitintervalle innerhalb einer Halbperiode der Spannung geöffnet, in denen

409826/0815 - 6 -

der Augenblickswert der Spannung den vorausbestimmten Wert übersteigt. In-folge-dessen besteht der Strom durch den Strompfad aus relativ kurzen Stromimpulsen während der genannten Intervalle des Spannungsverlaufs. Der Rest des Stromes fließt durch den Kondensator, so daß dessen stabilisierende Wirkung erhalten bleibt. Das weiche Bin- und Ausschalten sdszt das Entstehen von Transienten bedeutend herab und unterdrückt die Neigung zur Entstehung schädlicher Unterwellen.

Anahnd der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Reihenkondensator, der mit einem nicht linearen Widerstand parallelgeschaltet ist,

Fig. 2 den Widerstand in Reihe mit einer selbstlöschenden Funkenstrecke,

Fig. 3 die Verwendung einer nichtselbstlöschenden Funkenstrecke,zu der ein Schalter zum Löschen der Funkenstrecke parallel liegt,

Fig. 4 die Anordnung nach der Erfingung ergänzt durch einen Schalter zum Kurzschließen des Kondensators,

Fig. 5 die Anordnung gemäß Fig. 4, wobei der nicht lineare Widerstand aus zwei Teilwiderständen besteht,

409826/061S -7-

Fig. 6 die Anordnung nach Fig. 5 ohne die im Kurzschlußkreis liegende Induktivität.

Figur 1 zeigt einen Leiter 1 einer Starkstromleitung, in den zur Kompensation der Leitereaktanz ein Reihenkondensator eingeschaltet ist. Parallel zum Kondensator 2 ist ein bekannter Schutzkreis 15 geschaltet zum Kurzschließen des Kondensators, wenn die Spannung am Kondensator einen gefährdenden Wert erreicht. In dem gezeigten Beispiel gehört zu dem Schutzkrtis 15 ein im normalen Betrieb offener Schalter 17,zu dem eine Reihenschaltung parallelgeschaltet ist, die aus einer Funkenstrecke 16 und einem Strommeßgerät 18 besteht. Das Strommeßgerät 18 liefert eine bestimmte Zeit, nachdem die Funkenstrecke 16 bei einer Überspannung gezündet hat,einen Schließimpuls an den Schalter 17. ( In den übrigen Figuren wird der eben beschriebene Kreis nicht dargestellt, da er für das VerstäMnie der Erfindung nicht wesentlich ist.) Parallel zu dem Kondensator 2 liegt ferner ein nicht-linearer Widerstand 3, dessen Widerstand von der an ihm liegenden Spannung abhängig ist. Bei normalem Betrieb Hat die Spannung am Kondensator 2 und damit auch am Widerstand 3 einen Wert, der einen nur unbedeutenden Ruhestrom über den Widerstand 3 treibt. Wenn in Folge eines Fehlers im Netz ein überstrom fließt und am Kondensator einen höheren Spannungsfall verursacht, sinkt die Größe des Widerstandes mit zunehmender Spannung, so daß ein Teil des Leiterstromes über den Widerstand 3 fließt, wobei dessen Widerstandswert

409826/0815 - 8 -

noch weiter abnimmt. Dadurch wird verhindert, daß die Spannung am Kondensator 2 so hohe Werte annehmen kann, daß der Kondensator beschädigt wird. Weiter wird der Nebenschluß mit dem spannungsabhängigen Widerstand, der niemals abgeschaltet wird, die Spannung am Kondensator auf einen Wert halten, der gleich unter dem maximal zugelassenen Schutzniveau, ziemlich unabhängig von der Größe des Leiterstromes, liegt. Die die Leiterreaktanz kompensierende Wirkung des Kondensators sinkt dabei während der ganzen Zeit, in der der fehlerbedingte erhöh^te Leiterstrom fließt, nur unbedeutend, und dies wird automatisch reguliert, so daß man eine höchstmögliche Kompensation erhält.

Um zu verhindern, daß der nichtlineare Widerstand 3 ständig von einem Ruhestrom durchflossen wird, kann in Reihe mit ihm eine Funkenstrecke geschaltet werden. Gemäß Figur 2 wird hierfür eine selbstlöschende Funkenstrecke 4 verwendet, die zündet, wenn die Kondensatorspannung einen Wert übersteigt, der von der Dimensonierung der Funkenstrecke abhängt. Da der Kondensator sich nicht schnell entladet, wenn die Funkenstrecke zündet und die Parallelschaltung zum Kondensator wirksam wird, sondern die Spannung am Kondensator der Netzfrequenz auch nach der Zündung der Funkenstrecke «»folgt, braucht der Kondensator nicht nach den Gesichtspunkten bemessen zu werden, die bei der Verwendung einer selbstlöschenden Funkenstrecke ohne Reihenwiderstand gelten.

409826/0815

Da die Stabilität im Vergleich zu den bekannten Schaltungen verbessert wird, kann man den Kompenaationsgrad X_c/Xt immer auf unter 50% begrenzen; dabei bedeutet X_c die Reaktanz des Kondensators und X- die Reaktanz des Leiters«, Dadurch wird es möglich, für die Leitung einen einfachen Distanzschutz zu verwenden, an dessem Mittelpunkt die ganze Kompensation

gesammelt ist. Dies, wie auch die Tatsache, daß man unabhängig von Schaltern und Schalterautomatiken ist, ist der Grund dafür, daß es nicht notwendig ist, den Kondensator mit Rücksicht auf Wartungserfordernisse in Schaltstationen anzuordnen, insbesondere, da die Kondensatoren mit inneren Sicherungen versehen sind. Ferner ist zu beachten,, daß die KurzSchlußströme außen auf dem Leiter in der Größenordnung von 10% der Kurzschlußströme in den Schaltstationen liegen. Die Kosten für etwas teuere Dämpfungswiderstände und Funkenstrecken werden durch die reduzierten Kondensatorenkosten sowie die einfachere und sichere Überführung voll ausgeglichen.

Fig. 3 zeigt eine Alternative zur Anordnung gemäß Fig. 2. Die selbstlöschende Funkenstrecke 4 in Fig. 2 ist in Fig. 3 durch eine gewöhnliche, nicht selbstlöschende Funkenstrecke ersetzt, die mit einem Schalter 6 zum Löschen der Funkenstrecke parallelgeschaltet ist. Der Schalter wird von dem Strommeßgerät 7 in den Funkenstreckenkreis gesteuert. Um Arbeiten am Kondensator und seinen eventuellen Austausch zu ermöglichen, muß er abgeschaltet werden können. Zu diesem Zweck werden u.a. ein Schalter, der den Kondensator kurzschließt,

- 10 409826/0815

und mehrere Trennschalter verwendet. Der Schalter kann zugleich als thermischer Schutz für Funkenstrecke und Widerstand dienen, wenn die Funkenstrecke zu lange brennt und der Widerstand 3 infolgedessen eine zu hohe Temperatur annimmt. Fig. 4 zeigt den Kondensator 2 mit einem Parallelzweig, der den Widerstand 3 und eine selbstlöschende Funkenstrecke 4 enthält. Der Schalter 6 ist in einen zweiten Parallelzweig eingeschaltet, der auch eine Induktivität 8 enthält, die eine niedrige Reaktanz bei Netzfrequenz hat. Wenn der Schalter 6 geschlossen ist, wird deshalb der Spannungsfall am Kondensator niedrig. Eine Hilfsfunkenstrecke 9 ist zwischen den beiden Parallelzweigen eingeschaltet. Wenn ein Fehler nicht nach normaler Zeit verschwindet, so daß die Funkenstrecke 4 weiterbrennt, wird der Schalter 6 durch das Signal vom Strommeßgerät 7 geschlossen. Dabei wird die Induktivität 8 eingeschaltet. Die Induktivität 8 liegt dann parallel zum Widerstand 3. Infolgedessen erlischt die Funkenstrecke 4,und der Strom fließt durch die Induktivität 8, dessen Reaktanz sehr klein ist. Wenn der Kondensator 2 dabei nicht ausreichend entladen ist, so zündet die Hilfsf unkenstrecke 9, wodurch der Widerstand 3 mithilft, den Entladestrom zu dämpfen. Der spannungsabhängige Widerstand 3 trägt positiv dazu bei, während der ersten Zeit, nach Schließung des Schalters den Strom durch die Induktivität zu begrenzen. Zugleich bewirkt er jedoch, daß der Strom mehr und mehr auf die Induktivität übergeht, je nachdem, wie die Spannung am Kondensator sinkt. Es werden also die charakteristischen Eigenschaften dB spannungs-

409826/0815 - 11 -

abhängigen Widerstandes in vorzüglicher Weise ausgenutzt.

Wenn der Schalter 6 schließt, ohne das die Funkenstrecke 4 gezündet hat, so erscheint die Kondensatorspannung an der Induktivität 8 und der Hilfsfunkenstrecke 9. Letztere zündet dabei, so daß der Widerstand 3 parallel zur Induktivität liegt, wodurch die erforderliche Dämpfung erreicht wird. Die Größe des Widerstandes steigt schnell, und da bei Netzfrequenz die Reaktanz der Induktivität kleiner als die Größe des Widerstandes ist, nimmt der Strom über den Widerstand schnell ab, so daß die Hilfsfunkenstrecke erlischt und der Kondensator über die Induktivität 8 und den Schalter 6 kurzgeschlossen ist.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Schaltung nach Figur 4, wobei der Widerstand 3 in zwei feihengeschaltete Teilwiderstände 31 und 32 unterteilt ist und dar eine Pol der Hilfs-.funkenstrecke 9 zwischen den beiden Teilwiderständen angeschlossen ist.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Spaltung nach Figur 5. Der Hauptkontakt des Schalters 6 schaltet verzögert, während der Hilfskontakt 10 augenblicklich schaltet. Die Hilfsfunkenstrecke 9 zündet, sobald der Hilfskontakt 10 geschlossen ist. Wenn die Funkenstrecke 4 beim Schließen des Hilfskontaktes gezündet ist, so^ird diese Funkenstrecke kurzgeschlossen und erlischt. Wenn dagegen die Funkenstrecke 4 nicht gezündet ist, so wird der Teilwiderstand 31 ,der linear oder nicht linear

409826/081S - 12 -

sein kann, mit der Zündung der Hilfsfunkenstrecke 9 parallel zum Kondensator 2 geschaltet, so daß der Kondensator 2 sich zu entladen beginnt. Infolge der Verzögerung des Hauptkontaktes wird ein Teil der Kondensat or energie über den Teilwiderstand 31 entladen, bevor der Hauptkontakt schließt. Der dann eintretende Kurzschluß des Kondensators kann zu keiner Beschädigung des Kondensators oder der Schalterkontakte führen.

- 13 -

409826/08Ί5

Claims

Patentansprüche ι

1.j Elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz mit reihengeschalteten Stabilisierungskondensatoren, wobei zu jedem Kondensator ein Schutzkreis zum Kurzschließen des Kondensators bei Überspannungen parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet , daß parallel zu jedem Kondensator (2) mit Schutzkreis (15) ein spannungsabhMngiger Widerstand (3) liegt, dessen Widerstandswert groß ist, solange die Spannung am Kondensator (2) unter einem bestimmten von der Beschaffenheit des Kondensators abhängigen Wert liegt, welcher größer als die Betriebsspannung des Kondensators, aber kleiner als die Ansprechspannung des Schutzkreises (15) ist, und das der Wert des spanmmgsabhängigen Widerstandes (3) oberhalb des genannten Spannungswertes schnell abnimmt«

2ο Elektrisches Hochspannungsstarkstroraaetz nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet₉ daß in Reih© mit dem spannungsab» hMngigen Widerstand (3) eine Funkenstrecke (4) geschaltet ist.

3ο Elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz nach Anspruch Z₉ dadurch gekennzeichnet„ daß die Funkenstrecke (4) selbstlöschend ist ο

4o Elektrisches Hoohspannungsstarkstromnetz.'· nach Mspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke (4) nichtselbstlöschend ist und parallel zu ihr ein Schalter (6) geschaltet ist,

^{( Fige 3)}· 409826/0816.

- 14 -

2362S33

5. Elektrisches Ho chsp annungs starkstromnetz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Schaltung aus dem spannungsabhängigen Widerstand (3) und der Funkenstrecke (4) eine Reihenschaltung aus einer Induktivität (8) und einem Schalter (6) geschaltet ist und daß zwischen den Mittenpunkten der beiden Parallelzweige (3_f4; 8,6) eine Funkenstrecke (9) geschaltet ist.

6. Elektrisches Hochspannungßstarkstromnetz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand. (3) aus zwei Teilwiderständen (31,32) besteht. und daß die Induktivität (8) nur zu einem (31) der Teilwiderstände über die Hilf sfunkenstrecke (9) parallel geschaltet ist.

7· Elektrisches Hochspannungsstarkstromnetz nach Anspruch 2_? dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (3) aus zwei in Reihefee schalteten Teilwi&erstän&en (31 "omA 32) besteht, daß ©in Schalter mittels eines verzögert^chalteädeMHauptkoiataktes (6) parallel zum Kondensator (2) liegt und daß ein zum Schalter gehörender sofort ansprechender Hilfslcontakt (10) derart angeordnet ist, daß die Funkenstrecke (4) τααά der ihr benachbart liegende Teilwiderstand (32) über eine Hilfsfunkenstrecke (9) kurzgeschlossen wird, bevor der Haftkontakt (6) schließt.

^09826/0815