Hybrid-HVDC-Schalterdefinitionen

Definitionen für hybride HVDC-Schaltgeräte

Standarddefinitionen für AC-Schaltgeräte

• Einschränkungen: Die Standarddefinitionen für AC-Schaltgeräte lassen sich nicht direkt auf HVDC-Schutz übertragen, da die Zeitrahmen und Dynamiken unterschiedlich sind.
• Zeitrahmen: AC-Schaltgeräte haben im Vergleich zu DC-Schaltgeräten eine relativ lange Reaktionszeit. Normalerweise erreichen die von einem AC-Schaltgerät unterbrochenen Fehlerströme fast den stationären Zustand, wenn der Schutz einsetzt, aber dies ist nicht immer der Fall.

HVDC-Schaltgeräte

• Reaktionszeit: HVDC-Schaltgeräte müssen handeln, bevor der DC-Fehlerstrom einen stationären Wert erreicht, aufgrund der Einschränkungen der Elektronik innerhalb der Schaltgeräte und der Umrichter selbst.

Wichtige Zweige und ihre Funktionen

1. Hauptzweig:

   • Leitet den Strom während des normalen Betriebs.

2. Nebenzweig:

   • Leitet den Fehlerstrom für kurze Zeit.

3. Energieabsorptionszweig:

   • Begrenzt die Spannung über dem Schaltgerät und absorbiert zusätzliche Energie aus dem DC-Netz.

Wichtige Zeitdefinitionen für hybride Schaltgeräte

1. Fehlersignalbeginn (Tf):

   • Der Moment, in dem die elektrischen Bedingungen des Netzwerks ändern, was zu einer Überstrombedingung führt.

2. Erkennungszeit:

   • Die Zeit, die vom Fehlersignalbeginn bis zum Moment verstreicht, in dem das Schutzsystem den Fehler erkennt.

3. Lokalisierungszeit:

   • Die Zeit, die das Schutzsystem benötigt, um zu entscheiden, welche Schaltgeräte geöffnet werden sollen, ab dem Moment, an dem ein Fehler erkannt wird.

4. Betriebszeit:

   • Die Zeit, die das Schaltgerät benötigt, um vom Zustand "Geschlossen" in den Zustand "Geöffnet" zu wechseln.

5. Unterbrechungszeit (Tint):

   • Die Zeit zwischen dem Fehlersignalbeginn und dem Moment, in dem das Schaltgerät eine ausreichende Spannung aufbaut, um den Fehlerstrom wirksam zu bekämpfen.

6. Kommunikationszeit (Tcom):

   • Die Zeit, die benötigt wird, damit der Strom im Hauptzweig auf Null fällt oder so nahe an Null, dass die nächste Stufe des Schaltgerätsbetriebs stattfinden kann.

7. Ausschaltzeit (Tclr):

   • Die Zeit, die vom Fehlersignalbeginn bis zum Moment vergeht, in dem der DC-Leitungstrom Null erreicht oder der Kniestrom der Varistoren (I_knee) erreicht wird.

8. Strombegrenzungs-Betriebszeit (Tlim):

   • Der Zeitpunkt, an dem das Schaltgerät als Fehlerstrombegrenzer beginnt zu arbeiten.

Von ABB entworfenes proaktives hybrides Schaltgerät (PHCB) HVDC

Überblick über den Entwurf

Das proaktive hybride Schaltgerät (PHCB) HVDC, entwickelt von ABB, besteht aus zwei parallelen Zweigen:

1. Normaler Strompfad:

   • Mechanischer Schalter: Bleibt während des normalen Betriebs geschlossen.
   • Lastkommutierungsschalter (LCS): Ein Niederspannungsserienschalter aus Halbleiterbauelementen, der während des normalen Betriebs eingeschaltet ist.

2. Hauptstromunterbrechungselement:

   • Hauptschalter: Ein Stapel aus Halbleiterbauelementen, der während des normalen Betriebs ausgeschaltet ist.

3. Energieabsorptionszweig:

   • In Verbindung mit dem Nebenzweig, um Funktionalität zum Schaltgerät hinzuzufügen. Dies ermöglicht es, Abschnitte des Nebenzweigs unabhängig voneinander zu schalten. Diese Funktion ermöglicht es dem Schaltgerät, in bestimmten Situationen als Fehlerstrombegrenzer zu fungieren.

Normaler Betrieb

• Trennschalter: Geschlossen
• LCS: Eingeschaltet
• Hauptschalter: Ausgeschaltet

Betrieb bei Fehlern

1. Fehlererkennung:

   • Der LCS wird ausgeschaltet.
   • Der Hauptschalter wird eingeschaltet.
   • Der LCS bietet eine ausreichende Spannung, um den Strom vom Hauptzweig in den Nebenzweig zu kommutieren.
   • Der LCS kann vor der Bestätigung des Fehlers ausgelöst werden, sodass der Erkennungsalgorithmus parallel zum Betrieb des Schaltgeräts ausgeführt werden kann.

2. Stromübertragung:

   • Sobald der gesamte Strom durch den Hauptschalter fließt, wird der hochgeschwindigkeitsmechanische Trennschalter geöffnet.
   • Wenn der mechanische Schalter vollständig geöffnet ist, wird der Hauptschalter ausgeschaltet, der Hauptschalterstrom unterbrochen und die Leitungsenergie in den Varistoren abgegeben.
   • Der relativ langsame serienreihige Reststrom-Trennschalter wird verwendet, um den Leckstrom durch den Hauptschalter und die zugehörigen Geräte zu unterbrechen, der je nach Design des Energieabsorptionszweiges signifikant sein kann. Dieser Schalter gewährleistet auch eine vollständige Isolation.

Beispiel

Abbildung 3 zeigt eine typische Fehlerstromform mit gekennzeichneten Zeiten und Stromwerten. Die Dynamik wurde übertrieben, um die Definitionen leichter darstellen zu können:

• Fehlersignalbeginn (Tf): Der Anfangsmoment des Fehlers.
• Erkennungszeit: Die Zeit von Tf bis zur Erkennung des Fehlers.
• Lokalisierungszeit: Die Zeit von der Erkennung bis zur Bestimmung, welche Schaltgeräte geöffnet werden sollen.
• Betriebszeit: Die Zeit, die das Schaltgerät benötigt, um vom Zustand "Geschlossen" in den Zustand "Geöffnet" zu wechseln.
• Unterbrechungszeit (Tint): Die Zeit von Tf bis zum Aufbau einer ausreichenden Spannung, um den Fehlerstrom zu bekämpfen.
• Kommunikationszeit (Tcom): Die Zeit, die der Strom im Hauptzweig braucht, um abzufallen.
• Ausschaltzeit (Tclr): Die Zeit von Tf bis zum Nullstrom oder Iknee.
• Strombegrenzungs-Betriebszeit (Tlim): Die Zeit, zu der das Schaltgerät beginnt, den Fehlerstrom zu begrenzen.

Zusammenfassung

Das proaktive hybride Schaltgerät (PHCB) HVDC, entwickelt von ABB, kombiniert mechanische und Halbleiterschalter, um schnellen, zuverlässigen und effizienten Fehler- und Schutz für HVDC-Systeme zu bieten. Die Definitionen und Zeitrahmen für hybride HVDC-Schaltgeräte heben die einzigartigen Herausforderungen und Anforderungen des DC-Schutzes hervor und betonen die Notwendigkeit schneller und präziser Operation, um die Sicherheit und Stabilität des Systems zu gewährleisten.