Entkoppelungsschalter-Gruppierung in Hochspannungs-Gleichstromnetzen

Hochspannungs-Gleichstrom-Abschalter:
Hochspannungs-Gleichstrom-Abschalter (DS) werden verwendet, um verschiedene Schaltkreise in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetzen zu trennen. Beispielsweise wird der HVDC-DS für Schaltvorgänge wie das Schalten von Leitung- oder Kabel-Ladungsströmen, Leerleitungs- oder Kabelübertragungsschaltungen sowie zum Trennen von Geräten einschließlich einer Umrichterbank (Thyristorventil), einer Filterbank und einer Erdleitung eingesetzt. Der HVDC-DS wird auch in Gleichstrom-Schaltanlagen verwendet, um den Rest- oder Leckstrom durch einen Unterbrecher nach dem Abstellen eines Fehlerstroms zu beenden.

Abbildung 1: Beispiel eines Einpolen-Diagramms eines HVDC-Abschaltschalters in einem bipolaren HVDC-System

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel eines Einpolen-Diagramms mit zugehöriger Schalteinrichtung (mit Ausnahme des Metallrückführungswechsels) im bipolaren HVDC-Übertragungssystem in Japan. Im Allgemeinen sind die Anforderungen an HVDC-DS und ES im HVDC-System denen der in Wechselstromsystemen verwendeten HVAC-DS und ES ähnlich, aber einige Geräte haben zusätzliche Anforderungen je nach Anwendung. Tabelle 1 gibt die wesentlichen Schaltvorgänge auf diese HVDC-DS (CIGRE JWG A3/B4.34 2017).

Tabelle 1: Wesentliche Schaltvorgänge des Abschaltschalters (DS) im bipolaren HVDC-System

Gruppen von HVDC-Abschaltschaltern:
Gruppe A: Der DS muss den Leitungsentladungsstrom aufgrund von Restladungen eines Unterseekabels mit relativ großer Kapazität (ca. 20 μF) unterbrechen. Die Restspannung, die in der Leitung nach dem Stillstand des Umrichters induziert wird, wird über eine Dämpfungsschaltung in der Umrichterbank an beiden C/S (Anan C/S und Kihoku C/S) zur Erde geleitet. Die Entladezeitkonstante beträgt etwa 40 s, was einer Entladungszeit von 3 Minuten entspricht. Der Entladungsstrom wurde auf 0,1 A basierend auf dem Wert, der aus der Restspannung von 125 kV und dem Widerstand der Dämpfungsschaltung im Thyristorventil berechnet wurde, festgelegt.

Gruppe B: Der DS wird normalerweise verwendet, um eine defekte Übertragungsleitung zu einer gesunden Neutralleitung zu schalten, um die Neutralleitung temporär oder dauerhaft als Übertragungsleitung zu nutzen, nachdem das System vollständig gestoppt wurde. Dies erfordert dieselben Spezifikationen wie der Gruppe A DS.

Gruppe C: Der DS muss den Nennlaststrom vom DS auf den parallelen Umleitschalter (BPS) übertragen, der mit einer Umrichterbank verbunden ist, um die Bankeneinheit neu zu starten. Die Spezifikation des Übertragungsstroms beträgt 2800 A in diesem Projekt. Abbildung 2 illustriert den Nennstromübertragungsprozess vom DS zum BPS.

Zunächst wird die obere Umrichterbank gestoppt und die untere Umrichterbank betrieben. Um die obere Bank von einem Stillstand aus zu betreiben, wird der DS C1 geöffnet, um den Nennstrom in den BPS zu kommutieren. Basierend auf der Analyse mit einem äquivalenten Schaltkreis des Stromübertragungsprozesses, wie in Abbildung 2c dargestellt, werden die Anforderungen für den Gruppe C DS durch die Spannung von DC 1 V bei einem Nennstrom von 2800 A gegeben, wobei die Spannung mit dem Widerstand und der Induktivität pro Längeneinheit berechnet wurde, die der Stromübertragungslänge einschließlich DC-GIS entsprechen.

Abbildung 2: Stromübertragungsoperation des DS der Gruppe C. (a) DS geschlossen, (b) DS geöffnet, (c) äquivalenter Schaltkreis des DS

Gruppe D: Der DS muss den Ladungsstrom einer Umrichterbank unterbrechen, wenn eine Umrichterbankeinheit gestoppt wird. Selbst wenn das Thyristorventil gestoppt ist, fließt ein Rippelstrom durch die Streukapazität der Umrichterbank. Die Analysergebnisse zeigen, dass es sehr wahrscheinlich ist, dass der Rippelstrom weniger als 1 A abgeschnitten wird und die Wiederherstellungsspannung aufgrund des Unterschieds zwischen der Rest-Gleichspannung der Umrichterseite und der Gleichspannung der Leitungseite, die Rippelkomponenten enthält, weniger als 70 kV beträgt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Spannungsdifferenz zwischen DS-Kontakten

Zusammenfassung der Gruppierung von HVDC-Abschaltschaltern:
Die Schaltleistung aller HVDC-DS der Gruppen A bis D wurde basierend auf dem AC-DS entworfen, und ihre Leistung wurde durch Fabriktests mit den in Tabelle 1 dargestellten Testbedingungen bestätigt. Es gibt keine signifikanten Konstruktionsunterschiede zwischen HVAC-DS und HVDC-DS, außer der Kriechstrecke, die für HVDC-Anwendungen etwa 20% länger ist.

Abbildung 4: DC-DS&ES, DC-CT&VT, DC-MOSA (LA) für 500 kV-DC GIS

Gaseinspeisegeräte (DC-GIS), bestehend aus mehreren HVDC-DS und Erdungsschaltern (ES), werden auch in HVDC-Netzen in der Nähe der Küste eingesetzt. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für DC-GIS, einschließlich DC-DS und DC-ES, die an der Umrichterstation im bipolaren HVDC-System installiert wurden, das 2000 in Betrieb genommen wurde.