WO1995003645A1 - Verfahren zur kurzschlussstrombegrenzung auf einer elektrischen energieübertragungsleitung und anordnung zur kurzschlussbegrenzung - Google Patents

Verfahren zur kurzschlussstrombegrenzung auf einer elektrischen energieübertragungsleitung und anordnung zur kurzschlussbegrenzung Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current

Definitions

  • protective devices for. B. use a distance protection device or an overcurrent protection device. If a short circuit occurs, the faulty line is switched off by the power switches located at the ends thereof. The energy transfer is then completely interrupted. This is not particularly desirable in the case of meshed networks.
  • a control arrangement For the coupling of electrical networks, it is known to use a control arrangement with a transformer set (Elektrizticians ocean, vol. 86 (1987), number 4, pages 123 to 128).
  • a transformer set comprises an additional transformer connected to the electrical transmission line, which is supplied with energy by an excitation transformer in order to generate a series or transverse voltage on the line.
  • the purpose of such a transformer set is to compensate for phase shifts between the networks, it being possible to influence the power to be transmitted. It is therefore also called a phase shifter. In the event of a short circuit, a considerable short-circuit current flows through the additional transformer in such an arrangement. This is undesirable.
  • control arrangement When the control arrangement is equipped with a semiconductor converter for controlling the additional transformer, the maximum value of the mains short-circuit current is decisive for the dimensioning of the semiconductor valves, which is only influenced by the choice of the short-circuit voltage of the additional transformer.
  • the load flow control is more effective the smaller the short-circuit voltage of the additional transformer is chosen.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement for short-circuit limitation on an electrical power transmission line, in which an improved network operation is possible while avoiding the disadvantages mentioned above.
  • the object is achieved with a method for limiting the short-circuit current on an electrical transmission line, into which an additional transformer for generating a series, transverse or oblique voltage is connected and which is monitored for a short-circuit, when it occurs a short circuit, an error signal is given to a control device of the additional transformer for generating a counter voltage, in particular a series, transverse or oblique voltage, at least in the sense of current limitation.
  • the solution to the problem with regard to the arrangement is given according to the invention with an arrangement of a converter-controlled additional transformer for generating a series, transverse and oblique voltage on an electrical transmission line, with means for detecting a short circuit on the transmission line, which occurs when it is detected of a short circuit give an error signal to a control device of the additional transformer, the additional transformer serving as a current limiter while increasing the voltage generated on the transmission line.
  • the invention is based on the observation that converter-controlled phase shifters with a transformer set are very useful
  • the invention is based on the observation that converter-controlled phase shifters with a transformer set have a very favorable behavior over time.
  • a completely new type of control was developed, which makes it possible to use the phase shifter as a short-circuit current limiter
  • the arrangement thus protects itself and also other parts of the supply networks from the effects of short-circuit currents. Since the additional transformer serves in this way in the sense of a circuit breaker, the high-voltage technical circuitry on the additional transformer can also be kept small, if necessary. It is then no longer necessary to provide power switches for him. Disconnectors are sufficient. The power interconnection of the supply networks then takes place via the control of the converter on the additional transformer.
  • the power semiconductors in particular the thyristors or GTO thyristors, can be used much higher, since the short-circuit current amplitude in the converter intermediate circuit can be limited at a lower value. With a then appropriately adapted intermediate circuit voltage, in turn, a reduced number of thyristors can be used.
  • the present solution is a step in the direction of integrated protection technology for energy transmission, in which optimal protection is achieved by coupling the individual components.
  • the invention can also be used advantageously in future energy distribution networks in which superconductivity is used. According to the current state of the art, such applications are only possible on the principle of controlled "quenching".
  • the converter 9 is an intermediate circuit converter with semiconductor components, in particular with power semiconductor components, e.g. GTO thyristors, trained.
  • the additional transformer 7 must carry the short-circuit current.
  • a fault detection device 13 is electrically assigned to the converter 9, which detects the location and / or the direction of the short circuit via suitable measuring sensors 15a, 15b and emits a corresponding error signal or command to a control device of the converter 9, not shown in any more detail. If necessary, the direction can be encoded in the error signal.
  • the fault detection device 13 can also be part of the converter 13. The converter 9 then immediately initiates an energy limitation (or blocking) with the next zero crossing of the voltage at the additional transformer 7, whereby the power supply for the short circuit from the supply network B is immediately interrupted. If necessary, the information about the fault location and / or the direction of the short circuit of already existing protective devices on the line, eg. B.
  • the device 13 can then be omitted.
  • Distance protection or overcurrent protection are used, for example, as network protection devices 12a, 12b.
  • FIG. 2 shows a single-pole voltage diagram in the event of a short circuit in the supply network A.
  • the voltage U ⁇ has collapsed compared to the voltage U ß due to the short circuit.
  • the additional voltage Uz is fed in via the additional transformer 7 through the phase shifter 8.
  • phase shifter for a high-voltage line
  • only a detection of the short-circuit location and / or the short-circuit current and a corresponding control adaptation at the converter of the phase shifter are required to implement the arrangement shown. If this is equipped with a computer, this can be done by simply adapting the control software.

Abstract

Um ein verbessertes Betriebsverhalten bei Kurzschlüssen auf einer Hochspannungsleitung (3) mit Phasenschieber (8) gegenüber dem Stand der Technik zu erhalten, ist vorgesehen, den Phasenschieber (8) im Fehlerfall als Strombegrenzer zu verwenden. In Abhängigkeit vom Fehlerstrom wird dazu ein Fehlersignal erzeugt, das eine Erhöhung einer Gegenspannung am Zusatztransformator (7) des Phasenschiebers (8) bewirkt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Kurzschlußstrombegrenzung auf einer elektri¬ schen Energieübertragungsleitung und Anordnung zur Kurz- Schlußbegrenzung
Zum Schutz von elektrischen Energieübertragungsleitungen bei Kurzschlüssen ist es bekannt, an deren Enden Schutzgeräte, z. B. ein Distanzschutzgerät oder ein Oberstromschutzgerät, einzusetzen. Tritt ein Kurzschluß auf, so wird die fehler¬ hafte Leitung durch die an deren Enden befindlichen Lei¬ stungsschalter abgeschaltet. Die Energieübertragung ist dann völlig unterbrochen. Dies ist insbesondere bei vermaschten Netzen nicht unbedingt erwünscht.
Zur Kopplung von elektrischen Netzen ist es bekannt, eine Regelanordnung mit einem Transformatorensatz einzusetzen (Elektrizitätswirtschaft, Jg. 86 (1987), Heft 4, Seiten 123 bis 128) . Ein derartiger Transformatorensatz umfaßt einen in die elektrische Übertragungsleitung geschalteten Zusatz- transformator, der zur Erzeugung einer Längs- oder Querspan¬ nung auf der Leitung von einem Erregertransformator mit Energie versorgt wird. Ein solcher Transformatorensatz hat die Aufgabe, Phasenverschiebungen zwischen den Netzen auszu- gleichen, wobei Einfluß auf die zu übertragende Leistung genommen werden kann. Er wird daher auch als Phasenschieber bezeichnet. Im Falle eines Kurzschlusses fließt bei einer derartigen Anordnung ein erheblicher Kurzschlußstrom über den Zusatztransformator. Dies ist unerwünscht.
Bei Ausstattung der Regelanordnung mit einem Halbleiterum¬ richter zur Ansteuerung des Zusatztransformators ist für die Bemessung der -Halbleiterventile der Maximalwert des Netz¬ kurzschlußstromes maßgebend, der nur durch Wahl der Kurz- Schlußspannung des Zusatztransformators beeinflußt wird. Die Lastflußsteuerung ist um so wirksamer, je kleiner die Kurz¬ schlußspannung des Zusatztransformators gewählt wird. Eine Ausführung der Regelanordnung mit Halbleitern ist aus IEEE SPECTRUM, April 1993, Seiten 40 bis 45, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur KurzSchlußbegrenzung auf einer elektri¬ schen Energieübertragungsleitung anzugeben, bei denen unter Vermeidung der obengenannten Nachteile ein verbesserter Netzbetrieb möglich ist.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens gelingt er¬ findungsgemäß mit einem Verfahren zur Kurzschlußstrombe¬ grenzung auf einer elektrischen Obertragungsleitung, in welche ein Zusatztransformator zur Erzeugung einer Längs-, Quer- oder Schrägspannung geschaltet ist und die auf einen Kurzschluß überwacht wird, wobei beim Auftreten eines Kurz¬ schlusses ein Fehlersignal an eine Steuereinrichtung des Zu¬ satztransformators zur Erzeugung einer Gegenspannung, insbe¬ sondere einer Längs-, Quer- oder Schrägspannung, zumindest im Sinne Strombegrenzung gegeben wird.
Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Anordnung ist erfin¬ dungsgemäß gegeben mit einer Anordnung eines umrichterge¬ steuerten Zusatztransformators zur Erzeugung einer Längs-, Quer- und Schrägspannung auf einer elektrischen Obertra- gungsleitung, mit Mittel zum Erfassen eines Kurzschlusses auf der Obertragungsleitung, die beim Erkennen eines Kurz¬ schlusses ein Fehlersignal an eine Steuerungseinrichtung des Zusatztransformators geben, wobei der Zusatztransformator unter Erhöhung der erzeugten Spannung auf der Obertragungs- leitung als Strombegrenzer dient.
Obwohl beim Schutz der Leitung als auch beim Schutz des Zu¬ satztransformators ähnliche Anforderungen im Hinblick auf eine Schadensverhinderung bestehen, wurden diese zwei Prob- lerne bisher immer getrennt behandelt.
Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß umrichterge¬ steuerte Phasenschieber mit Transformatorensatz ein sehr Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß umrichterge¬ steuerte Phasenschieber mit Transformatorensatz ein sehr günstiges zeitlichen Verhalten aufweisen. Es wurde eine völ¬ lig neue Steuerungsart entwickelt, die es ermöglicht, den Phasenschieber quasi als Kurzschlußstrombegrenzer zwischen
Versorgungsnetzen einzusetzen. Damit schützt sich die Anord¬ nung selbst und darüber hinaus andere Teile der Versorgungs¬ netze vor Auswirkungen von Kurzschlußströmen. Da der Zu¬ satztransformator auf diese Weise im Sinne eines Leistungs- Schalters dient, kann gegebenenfalls der hochspannungstech¬ nische Schaltungsaufwand am Zusatztransformator auch klein gehalten werden. Es brauchen nämlich dann für ihn keine Lei¬ stungsschalter mehr vorgesehen werden. Es genügen Trenn¬ schalter. Das leistungsmäßige Zusammenschalten der Versor- gungsnetze erfolgt dann über die Steuerung des Umrichters am Zusatztransformator.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß die Leistungshalb¬ leiter, insbesondere die Thyristoren oder GTO-Thyristören, weit höher ausgenutzt werden können, da die Kurzschlu߬ stromamplitude im Umrichterzwischenkreis bei einem niedrige¬ ren Wert begrenzt werden kann. Mit einer dann entsprechend angepaßten ZwischenkreisSpannung kann wiederum mit einer verringerten Anzahl von Thyristoren gearbeitet werden.
Darüber hinaus ist die vorliegende Lösung ein Schritt in Richtung einer integrierten Schutztechnik für die Energie¬ übertragung, bei der durch die Kopplung der einzelnen Kom¬ ponenten ein optimaler Schutz erzielt wird. Die Erfindung ist auch vorteilhaft bei zukünftigen Energieverteilungs- netzen einsetzbar, bei denen Supraleitung zum Einsatz kommt. Derartige Anwendungen sind nämlich nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nur nach dem Prinzip des gesteuerten "Quenchens" möglich.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den übrigen An¬ sprüchen angegeben. Die Erfindung und weitere Einzelheiten FIG 1 eine Netzanordnung mit Phasenschieber und FIG 2 ein zugehöriges Spannungsdiagramm.
In FIG 1 sind zwei elektrische Versorgungsnetze A und B zu sehen, die über eine elektrische Leitung 3, insbesondere ei¬ ne Hochspannungsleitung, miteinander verbunden sind. Mit 5 ist die zugehörige Leitungsinduktivität bezeichnet. In die Leitung 3 ist seriell ein Zusatztransformator 7 geschaltet, der als Leistungsteil eines Phasenschiebers 8 dient. Er wird von einem Umrichter 9 (mit Zwischenkreis) mit einem zugehö¬ rigem Erregertransformator 11 gesteuert. Der Umrichter 9 ist als Zwischenkreisumrichter mit Halbleiter-Bauelementen, ins¬ besondere mit Leistungshalbleiterbauelementen, z.B. GTO-Thy- ristoren, ausgebildet.
Findet nun auf der Leitung 3 am Ort C ein Kurzschluß statt, so fließt ein nicht unwesentlicher Teil des Kurzschlußstro¬ mes vom Versorgungsnetz B über den Zusatztransformator 7 in den Kurzschluß. Eine zuverlässige Auslösung der am Ende der Leitung 3 angeordneten Netzschutzgeräte 12a, 12b ist unter
Umständen nicht gewährleistet. Der Zusatztransformator 7 muß den Kurzschlußstrom führen.
Dem Umrichter 9 ist eine Fehlererfassungseinrichtung 13 elektrisch zugeordnet, die über geeignete Meßfühler 15a, 15b den Ort und/oder die Richtung des Kurzschlusses feststellt und ein entsprechendes Fehlersignal oder -kommando an eine nicht näher gezeigte Steuereinrichtung des Umrichters 9 ab¬ gibt. Die Richtung kann gegebenenfalls verschlüsselt im Feh- lersignal enthalten sein. Die Fehlererfassungseinrichtung 13 kann auch Teil des Umrichters 13 sein. Der Umrichter 9 ver¬ anlaßt dann umgehend mit dem nächsten Nulldurchgang der Spannung am Zusatztransformator 7 eine Energiebegrenzung (oder Sperrung) , wodurch die Leistungszufuhr für den Kurz- Schluß vom Versorgungsnetz B sofort unterbrochen wird. Gege¬ benenfalls kann die Information über den Fehlerort und/oder die Richtung des Kurzschlusses von bereits vorhandenen Schutzgeräten an der Leitung, z. B. von den vorhandenen benenfalls kann die Information über den Fehlerort und/oder die Richtung des Kurzschlusses von bereits vorhandenen Schutzgeräten an der Leitung, z. B. von den vorhandenen Netzschutzgeräten 12a, 12b, zur Verfügung gestellt werden. Die Einrichtung 13 kann dann entfallen. Als Netzschutzgeräte 12a, 12b kommen beispielsweise ein Distanzschutz oder ein Oberstromschutz zur Anwendung.
FIG 2 zeigt ein einpoliges Spannungsdiagramm für den Fall eines Kurzschlusses im Versorgungsnetz A. Die Spannung U^ ist dabei gegenüber der Spannung Uß durch den Kurzschluß zusammengebrochen. Durch den Phasenschieber 8 wird die Zu¬ satzspannung Uz über den Zusatztransformator 7 eingespeist.
Beim Betrieb des Phasenschiebers 9 als Kurzschlußstrombe- grenzer besteht der unmittelbare Vorteil für den Phasen¬ schieber 8, insbesondere seines Umrichters 9, selbst darin, daß die Leistungshalbleiterbauelemente, die beispielsweise bei einer Stoßkurzschlußstromamplitude im Zwischenkreis von 25 kA für einen stationären Dauerstrom von Ij = IkA ausge¬ legt sind, weit höher ausgenutzt werden können, wenn die Kurzschlußstromamplitude beispielsweise auf 2 x IJJ begrenzt wird. Dabei könnte dann ein Dauerstrom von beispielsweise 1^ = 3 kA zugelassen werden. Dadurch ergibt sich, daß mit einer entsprechend angepaßten Zwischenkreisspannung aufgrund der Reihenschaltung der Leistungshalbleiter nunmehr mit einem Drittel der bisher benötigten Anzahl von Thyristoren gear¬ beitet werden kann.
Existiert bereits ein Phasenschieber für eine Hochspan¬ nungsleitung, so ist für die Realisierung der aufgezeigten Anordnung nur noch eine Erfassung des Kurzschlußortes und/- oder des Kurzschlußstromes und eine entsprechende Steue¬ rungsanpassung beim Umrichter des Phasenschiebers erforder- lieh. Ist dieser mit einem Rechner ausgestattet, so kann dies durch einfache Anpassung der Steuerungssoftware erfol¬ gen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kurzschlußstrombegrenzung auf einer elek¬ trischen Übertragungsleitung (3), in welche ein Zusatz- transformator (7) zur Erzeugung einer Längs-, Quer- oder
Schrägspannung geschaltet ist und die auf einen Kurzschluß überwacht wird, wobei beim Auftreten eines Kurzschlusses ein Fehlersignal an eine Steuereinrichtung des Zusatztrans¬ formators (7) zur Erzeugung der Längs-, Quer- oder Schräg- Spannung einer Gegenspannung zumindest im Sinne Strombe¬ grenzung gegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fehlerrichtung und/oder der Fehlerort des Kurzschlusses erfaßt und im Feh- lersignal verschlüsselt wird, wobei in Abhängigkeit von der Fehlerrichtung eine geeignete Längs-, Quer- oder Schräg- spannungerzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zusatztrans- formator (7) als Leistungsteil eines Phasenverschiebers (8) dient.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Phasenschieber (8) einen Umrichter (9) zur Speisung des Zusatztransformators (7) aufweist und der Umrichter (9) die Steuereinrichtung umfaßt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur Erkennung eines Kurzschlusses ein Distanzschutzgerät (12 a, 12 b) oder ein Überstromschutzgerät dient.
6. Verfahren zur Verwendung eines in eine Obertragungslei¬ tung (3) geschalteten Zusatztransformators (7) für Schräg-, Längs- oder Querregelung als Strombegrenzer, wobei zu in- dest der Strom auf der Obertragungsleitung (3) überwacht wird und beim Erkennen eines Kurzschlußstromes ein Fehler- Signal zur Auslösung einer Gegenspannung im Sinne einer Strombegrenzung am Zusatztransformator (7) ausgelöst wird.
7. Anordnung eines umrichtergesteuerten Zusatztransforma- tors (7) zur Erzeugung einer Längs-, Quer- und Schrägspan¬ nung auf einer elektrischen Obertragungsleitung (3), mit Mitteln zum Erfassen eines Kurzschlusses auf der Obertra¬ gungsleitung (3), die beim Erkennen eines Kurzschlusses ein Fehlersignal an eine Steuerungseinrichtung des Zusatz- transformators (3) geben, wobei der Zusatztransformator (7) unter Erhöhung der erzeugten Spannung auf der Obertragungs¬ leitung (3) als Strombegrenzer dient.
8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei zum Erfassen des Kurz- Schlusses ein Distanzschutzgerät (12a,12b) oder ein Über- stromschutzgerät dient.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Zusatz¬ transformator (7) Bestandteil eines Transformatorensatzes zur Längs-, Schräg- oder Querregelung ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Umrichter (9) die Steuerungseinrichtung umfaßt und als Halbleiterumrichter mit Zwischenkreis ausgebildet ist.
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