Schutzanordnung in einer Kraftübertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutz anordnung in einer Kraftübertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom, welche Anlage eine Gleichrichterstation umfasst, die bei Normalbetrieb so geregelt wird, dass eine Betriebsgrösse, z. B. der Gleichstrom, die Gleichstromleistung oder die Fre quenz des gespiesenen Wechselstromnetzes, konstant bleibt.
In einer solchen Anlage kann der Stromrich ter der in die Übertragung eingeschalteten Wechsel richterstation einen Regler enthalten, der aber bei normalem Betrieb nicht funktioniert, und der mit einer Sperranordnung versehen ist, die einen über gang auf Gleichrichtung verhindert. Ferner kann der Stromrichter der Station, die als Gleichrichterstation funktioniert, mit einer Steueranordnung versehen sein, die so beschaffen ist, dass sie den Übergang von Gleichrichtung zu Wechselrichtung ermöglicht.
Normalerweise werden die Stromrichterstationen so gesteuert, dass der Gleichstrom der Gleichrichter- station einen eingestellten Wert beibehält und die Stromregelung der Wechselrichterstation unwirksam ist, so lange der Gleichstrom grösser ist als der im Regler der Wechselstromstation eingestellte Wert. Diese Einstellung ist gewöhnlich so gewählt, dass sie mit einem gewissen Betrag (Differenzstrom) die Ein stellung an der Gleichrichterstation unterschrei tet. Bei einer so gesteuerten Gleichstromübertragung wird niemals der an einer Fehlerstelle an der Lei tung entnommene Strom grösser werden können als der genannte Differenzstrom.
Wenn nämlich der durch die Fehlerstelle abfliessende Strom grösser würde, müsste der Wechselrichter einen kleineren Strom als den eingestellten bekommen, was zur Folge haben würde, dass seine Spannung sinken würde. Der Gleichrichter würde auch seine Span nung vermindern, damit sein Strom den eingestellten Wert nicht überschreitet. Beide Stationen würden dann so gesteuert werden, dass ihre Spannung stark vermindert würde und damit auch die Spannung an der Leitung. Ein stabiler Wert wird erhalten, wenn die Spannung an der Fehlerstelle eine Grösse erreicht, die von dem Produkt aus obengenanntem Differenz strom und dem Erdwiderstand bestimmt ist.
Bei mässigen Werten des Erdwiderstandes wird also die Spannung an der Fehlerstelle sehr niedrig und somit auch die Spannung in der Stromrichterstation.
Wenn bei einer bekannten Kraftübertragungsan- lage ein Überschlag an einer Isolatorkette entsteht oder wenn eine Schutzfunkenstrecke in Funktion'tnitt, so kann zudem der Folgestrom nicht ohne besondere Massnahmen gelöscht werden, weil der Strom keinen Nulldurchgang hat. Um die Wirkung eines Fehlers der oben beschriebenen Art in einer Gleichrichter stromübertragung zu beschreiben, wird auf Fig. 1 hingewiesen, die schematisch eine solche Anlage für einen angegebenen Betriebsfall mit einem eingetrof fenen Fehler an der Leitung darstellt.
In der Figur bezeichnet 1 eine Gleichrichterstation, die einerseits an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist und anderseits eine Gleichstromleitung speist, deren einer Pol mit Erde verbunden ist. Am anderen Ende der Leitung befindet sich eine Wechselrichterstation 2, die in entsprechender Weise angeschaltet ist. Es wird angenommen, dass die Anlage für 100 kV Gleich spannung ausgelegt ist und mit 200 A arbeitet. Die Stromeinstellung der Gleichrichterstation ist dann 200 A und die der Wechselrichterstation beispiels weise 160 A.
Dies hat zur Folge, dass der Strom der Wechselrichterstation nicht niedriger als 160 A und der Gleichrichterstabion nicht höher als 200A wer den kann. An einer Fehlerstelle kann also höchstens ein Strom von 40 A fliessen. Es wird angenommen, dass ein Fehler an dem Punkt 3 eingetreten und dass dort ein Erdschluss mit einem Erdwiderstand von 100 Ohm entstanden ist.
Der Spannungsabfall Lei- tung-Erde an der Fehlerstelle wird also 4 kV. Es wird weiter angenommen, dass der Leitungswider stand des zwischen der Station 1 und dem Punkt 3 befindlichen Leitungsteiles 20 Ohm und dass der Leitungswiderstand des restlichen Leitungsteils 5 Ohm beträgt. Dann kann in der Gleichrichter station eine Spannung von 4 -I- 4 = 8 kV zu Erde und in der Wechselrichterstation eine Spannung von 4-0,8 = 3,2 kV gemessen werden.
Wenn- keine besonderen Massnahmen getroffen werden, wird also die Gleichrichterstation 200 A mit der Spannung 8 kV abgeben, die Wechselrichterstation 160 A mit der Spannung 3,2 kV empfangen und durch die Feh lerstelle ein Strom von 40 A fliessen. Bei bisher bekannten Anlagen wird der Folge strom in der Fehlerstelle dadurch beseitigt, dass mittels Leistungsschalter die Gleichrichterstation 1 abge schaltet wird oder deren Ventilgruppen blockiert werden. Keine dieser Massnahmen erlaubt aber, dass die Gleichrichterstation zum Wechselrichterbetrieb übergeht.
Gewöhnlich wird Schnellwiedereinschaltung an der Station vorgesehen, wobei der Zeitpunkt für die Wiedereinschaltung von der Funktionszeit des Relaisschutzes und der Entionisierung an der Fehler stelle abhängt. Durch die Erfindung wird nun eine andere Lösung vorgeschlagen, die sich dadurch aus- zeichnet, dass die Gleichrichterstation, um die Lö schung eines eventuell auftretenden Lichtbogens an der Leitung oder an den an die Leitung angeschlos senen Apparaten zu bewirken, mit einem spannungs empfindlichen Organ versehen ist, das, wenn die Ausgangsspannung der Gleichrichterstation einen vorgeschriebenen Wert unterschreitet,
die Regelein richtung so beeinflusst, dass die ,Spannung des Gleich richters auf Null oder auf einen negativen Wert ge steuert wird, um dadurch den abgehenden Strom der Station auf Null zu bringen.
Die Einwirkung der Ausgangsspannung der Gleichrichterstation als Einstellgrösse auf den Regler geschieht zweckmässigerweise dadurch, dass die Stromeinstellkennlinie der Station, wenn die Span nung unter den genannten Grenzwert sinkt, absinkend spannungsabhängig gemacht wird. Fig. 2 zeigt als Beispiel ein Diagramm über Strom J und Span nung D.
Die ausgezogenen Linien gelten für die Gleichrichterstabion. Über der Grenzspannung Dl ist die Kennlinie durch horizontale Linien J1, J2 und J3 für verschiedene Stromsollwerte gegeben. Bei dem Grenzwert Dl wird die Kennlinie verändert, so dass sie beispielsweise spannungsabhängig wird und gemäss der Figur schnell gegen den Punkt Dl sinkt.
Die Kennlinie kann aber auch so gewählt wer den, dass der Strom bei einem Spannungswert, der zwischen dem Grenzwert Dl und einem kleineren Wert, der jedoch grösser ist als Null, liegt, Null wird. In Fig. 2 ist auch die Stromeinstellung der Wechsel richterstation entsprechend dem Strom J1 der Gleich richterstation durch die gestrichelte Linie i dar- gestellt. Dieser Strom unterschreitet um den Diffe renzbetrag (J, -i) den Strom J1.
Damit eine Anlage der beschriebenen Art ge startet werden kann, ist es notwendig, dass die span nungsabhängige Kennlinie, die den Strom Null für einen endlichen Spannungswert gibt, durch eine Kennlinie ersetzt wird, die die J-Achse bei Null schneidet gemäss der strichpunktierten Linie J3 in Fig. 2. Sie kann die J-Achse auch bei einem positi ven ,Stromwert schneiden.
In Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel einer Schutzanordnung gemäss der Erfindung in verein fachter Form gezeigt. In der Figur bezeichnet 10 den Hauptteil einer Stromrichterstation, die mit den Klemmen 11 an ein Wechselstromnetz angeschlos sen ist und zwei abgehende (Gleichrichterstation) oder ankommende (Wechselrichterstation) Gleich stromleiter 12 und 13 besitzt. In den letztgenannten Leiter ,ist eine Gleichstromdrossel 14 eingeschaltet. Die Stromrichterstation weist eine an sich bekannte Gleichstrom-Regelanordnung 15 auf, die von einem Regler 16 beeinflusst wird. Der Regler äst in der Figur von einer strichpunktierten Linie umrahmt.
Die Hilfsspannung wird dem Regler von einem Plus leiter 17 und einem Minusleiter 18 zugeführt. In dem Regler 16 werden Regelimpulse in einem Verstärker mit Elektronenröhren 19 und 20 verstärkt. Eine elektrische Grösse, die vom Gleichstrom in der Leitung 12 abhängig ist, wird dem Punkt 21 zuge führt, z. B. dadurch, wie die Figur zeigt, dass dieser Gleichstrom einen Transduktor 22 magnetisiert, des sen Strom in dem Gleichrichter 23, der an den Punkt 21 angeschlossen ist, gleichgerichtet wird. Zwischen dem Plusleiter 12 und dem Punkt 21 wird also über dem Widerstand 24 eine Spannung erhalten, die dem Gleichstrom in der Leitung 12 proportional ist. Diese Spannung wird in dem Regler 16 mit einer Spannung zwischen dem Plusleiter 12 und dem Punkt 25 verglichen, welche Spannung dem Sollwert des Gleichstroms proportional ist.
Die Grösse dieser Span nung kann durch Änderung der Einstellung eines Potenbiometers 26 verändert werden. Das Potentio- meter ist zwischen den Plusleiter 12 und den Minus leiter 18 eingeschaltet.
Die Steueranordnung 15 beeinflusst den Gleich richter im Stationsteil 10 in der Weise, dass der Gleichstrom der Station wächst, wenn das Potential in dem Punkt 27 wächst. Dies trifft ein, wenn der Strom von der Elektronenröhre 20 zunimmt. Damit dieser Strom ansteigen kann, muss das Potential in dem Punkt 28, der an das Gitter dieser Röhre ange schlossen ist, auch wachsen. Das Potential in dem Punkt 28 kann aber nur dann höher werden, wenn der Spannungsabfall am Widerstand 29 eines Span- nungsteilers, der aus diesem Widerstand, einem Widerstand 29' und einem Widerstand 30 besteht, die zwischen den Hilfsspannungsleitern 17 und 18 eingeschaltet sind, sinkt. Dies trifft ein, wenn der Strom durch die Elektronenröhre 19 abnimmt.
Der Istwert des Gleichstroms, der von dem Gleichrichter 23 erhalten wird, macht das Potential in dem Punkt 21 positiver, wenn der Gleichstrom der Station wächst. Das Potential in dem Punkt 31, der über die Widerstände 32 und 33 mit den Punkten 21 bzw. 25 verbunden ist, wird dann auch positiver. Daraus folgt, dass das Potential des Gitters der Elek tronenröhre 19 auch positiver wird. Der Strom durch die Elektronenröhre 19 wird also ansteigen, was zur Folge hat, dass die Steueranordnung 15 die Gleich richterstation 10 so beeinflusst, dass ihr Gleichstrom vermindert wird.
Wird nur die Wirkung eines mit dem Poten- tiometer 26 eingestellten Wertes betrachtet, so ist auf Grund der gewählten Schaltungsweise klar, dass der Punkt 21 immer negatives Potential bekommt. Die Punkte 31 und 32' erhalten dann auch negatives Potential, und der Strom durch die Elektronenröhre 19 neigt dazu, kleiner zu werden. Dies bedeutet, gemäss der vorstehenden Beschreibung, dass der Gleichstrom der Station erhöht wird.
Sind beide der genannten Arten Reglereinflüsse wirksam, so suchen sie zusammen einen solchen Gleichstrom der Station einzustellen, dass ein Gleich gewicht zwischen der von dem Potentiometer 26 erhaltenen Einstellgrösse und dem von dem Trans- duktor 22 erhaltenen Istwert erreicht wird. Dies kann nur erreicht werden, wenn das Potential in dem Punkt 31 mindestens annähernd Null ist.
Fig. 3 zeigt gleichzeitig auch eine Anordnung zur Einstellung des Differenzstromes. Zu diesem Zweck ist ein Steuerschalter 34 angeordnet, der in der Gleichrichterstation offen, in der Wechselrichter- station geschlossen sein soll. Der Steuerschalter 34 ist zwischen dem Plusleiter 17 der Hilfsspannung und den Plusleiter 12 der !Station in Reihe mit einem Widerstand 35 geschaltet. Eine Anzapfung an diesem Widerstand 35 ist über einen anderen Widerstand 36 mit dem Punkt 32' verbunden.
Bei Wechselrichter betrieb wird also immer dem Punkt 32' ein gewisses positives Potential aufgedrückt, was bedeutet, dass der Gleichstrom von dem Gleichrichter 23 einen niedrigeren Wert erreichen muss, damit der Gleich gewichtzustand erreicht werden soll, als bei Gleich richterbetrieb, wenn der Steuerschalter 34 offen ist.
Die Fig. 3 zeigt ferner eine Sperranordnung 37, die verhindern soll, dass die Wechselrichterstation zur Gleichrichtung übergeht. Die Sperranordnung 37 enthält einen Widerstand 38, der mit zwei Anzapfun- gen versehen ist, die mittels eines Umschalters 39 wechselweise an den Punkt 40 angeschlossen wer den können. Die eine Anzapfung entspricht dem Gleichrichterbetrieb und die andere dem Wechsel richterbetrieb. Der Widerstand 38 ist zwischen den Plusleiter 17 der Hilfsspannung und den Plusleiter 12 der Station eingeschaltet. Zwischen dem Umschal ter 39 und dem Punkt 40 äst ausserdem ein Strom ventil 41 eingeschaltet.
Das Potential des Punktes 40 und damit auch des Punktes 28 kann zufolge des Stromventiles 41 nicht positiver werden als die mit dem Widerstand 38 eingestellte Spannung. Dadurch wird erreicht, dass der Steuerimpuls für die Steuer anordnung 15 nicht einen grösseren Gleichstrom der Station einstellen kann, als dem Potential an den beiden Anzapfungen des Widerstandes 38 entspricht. Die Anzapfung für Wechselrichtung ist so gewählt, dass die Steuerung unter keinen Umständen zur Gleichrichtung übergehen kann.
In Fig. 3 ist weiter ein spannungsempfindliches Organ 42 angeordnet, das einen Transduktor 43 besitzt, dem eine der Leitungsspannung proportionale Steuergrösse zugeführt wird. Dies wird mit Hilfe eines Spannungsteilers erreicht, der aus den Widerständen 44 und 45 besteht, an deren Verbindungspunkt die Steuerwicklung 46 des Transduktors in Reihe mit einem Widerstand 47 geschaltet ist. Der Transduktor 43 ist in Reihe mit einem Gleichrichter 48 an eine Wechselstromquelle 49 angeschlossen.
Der Gleich richter 48 ist mit seinem positiven Gleichstrompol an den Plusleiter 12 der Station und mit seinem negativen Gleichstrompol in Reihe mit einem Strom ventil 50 an den Minusleiter 18 der Hilfsspannung angeschlossen. Das Stromventil 50 ist für dieselbe Stromrichtung wie die Gleichrichter 48 durchlässig.
Ein Punkt 51 zwischen dem Stromventil 50 und dem Gleichrichter 48 ist einerseits über einen Widerstand 52 an den Plusleiter 17 der Hilfsspannung, anderseits über ein Stromventil 53 und einen (Schalter 54 an den Punkt 25 des Reglers 16 angeschlossen.
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vorausgesetzt, dass der Plus leiter 12 der Anlage als Neutralleiter in ein System eingeht, das aus zwei Gleichrichtern besteht. Das Hilfsspannungssystem 17, 18 kann dann auch auf den genannten Neutralleiter bezogen werden. Ein Strom, der von dem Leiter 17 den Widerstand 52 durchfliesst, wird deshalb über den Punkt 51 den Gleichrichter 48 passieren.
Weil dieser Gleichrich ter auch von dem Strom des Transduktors 43 beein flusst wird, ist das Potential in dem Punkt 51 davon abhängig, welcher der beiden Ströme grösser ist.
Wenn die Gleichrichterstation kenne Spannung liefert, wird der Transduktor 43 auch keinen (Strom in den Gleichrichter 48 speisen, und der Strom durch den Widerstand 52 von dem Leiter 17 wird dann die Stromventile des Gleichrichters kurzschliessen. Dies hat zur Folge, dass der Punkt 51 dasselbe Potential hat wie der als Neutralleiter dienende Leiter 12, das heisst das Potential Null.
Wenn die Spannung zwischen den Leitern 12 und 13 von Null an wächst, wird das Potential in dem Punkt 51 so lange Null bleiben, als der Strom durch den Widerstand 52 grösser ist als der Strom von dem Transduktor 43. Wenn der Transduktorstrom überwiegt, muss dieser Strom auch den Widerstand 52 passieren, und dann hört der Kurzschluss der Stromventile des Gleich richters auf, und das Potential in dem Punkt 51 wird auf das negative Potential des Leiters 18 gesenkt. Mit wachsender Gleichspannung der Anlage wird der Punkt 51 negativer.
Damit die Ventile des Gleich- richters 48 nicht für allzu hohe negative Spannungen bemessen zu werden brauchen, ist ein Ventil 50 in solcher Weise eingeschaltet, dass das Potential in dem Punkt 51 begrenzt wird.
Durch Zusammenschaltung von Punkt 51 und Punkt 25 kann der Regler 16 von dem spannungs empfindlichen Organ 42 beeinflusst werden. Gemäss der früheren Darstellung ist der Regler so angeord net, dass Gleichgewicht erhalten wird, wenn der Punkt 25 negatives Potential hat. Solange das span nungsempfindliche Organ 42 das Potential in dem Punkt 51 hinreichend negativ hält, wird dieses Organ den Regler nicht beeinflussen.
Das Stromventil 53 verhindert dabei, dass Strom von dem Punkt 25 zu dem Punkt 51 fliesst. Wenn ein Fehler der oben beschriebenen Art an einer Leitung, die mit voller Spannung arbeitet, auftritt, wird gemäss der früheren Darstellung im Anschluss an die Fig. 1 und 2 die Span nung der Leitung schnell sinken. Bei einem gewissen Spannungswert wird das Potential in dem Punkt 51 plötzlich auf Null wachsen. Dies bedeutet, dass das Potential in dem Punkt 25 positiver wird und dass der Regler den abgegebenen Strom der Station vermindern wird.
Der Steuerimpuls des Reglers wird dabei die Steueranordnung 15 des Gleichrichters so lange beeinflussen, bis der Strom der Station auf Null gesunken ist, und dies bedeutet, dass die Steuer anordnung zeitweilig die Gleichrichterstation auf Wechselrichtung umsteuern kann.
Es ist hervorgehoben worden, dass eine solche Anlage nicht starten kann, ohne dass spezielle Mass nahmen getroffen werden. Diese Massnahmen bedeu ten, dass die spannungsabhängige Kennlinie gemäss den ausgezogenen Linien in Fig. 2 durch eine Kenn linie ersetzt wird, die beispielsweise durch Null gemäss der strichpunktierten Linie geht.
Dies wird in der in Fig. 3 gezeigten Ausfüh rungsform in einfacher Weise dadurch ermöglicht, dass das spannungsempfindliche Organ 42 mittels des Schalters 54, der vorzugsweise als Relaiskontakt aus gebildet ist, abgeschaltet ist.
In betriebstechnischer Hinsicht ist es besonders vorteilhaft, dass eine automatische Herabregelung des Stromes und der Spannung auf Null erhalten wird, ohne dass mechanische Schaltungsglieder benützt werden müssen, und dass ein solches Glied nur er forderlich ist, wenn die Anlage gestartet werden soll. Dieser Stromschalter kann auch in einfacher Weise von einer Wiedereinschaltungsautomatik beeinflusst werden.
Weil die Schutzanordnung ohne Relais . arbeitet, braucht man nicht mit der Funktionszeit solcher zu rechnen, und weil ferner der Strom durch die Feh- lerstelle nur einen Bruchteil des Nennstromes betra gen kann, so dass die Entionisierungszeit der Licht bögen der Fehlerstelle bedeutend kürzer wird als bei früher bekannten Anordnungen, wird also bei einer Anlage gemäss der Fig. 3 die Zeit, die erforderlich ist, bis Wiedereinschaltung vorgenommen werden kann, bedeutend kürzer werden als bei Anlagen be kannter Art.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist ein spannungsempfindliches Organ gezeigt, das nur stati sche Schaltungsglieder enthält. Dadurch werden die Nachteile vermieden, die mit der Verwendung von Relais verbunden sind, die gewöhnlicherweise eine zu lange Funktionszeit aufweisen, oder von Elektronen röhren, die zu empfindlich sind. Die Benützung sol cher Schaltungsglieder fällt jedoch in den Rahmen vorliegender Erfindung, und jede an und für sich bekannte Umschaltanordnung die eine Kniekurven kennlinie nach Fig. 2 gibt, kann verwendet werden.