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Dokumentenidentifikation DE10016216A1 11.10.2001
Titel Verfahren zum Reduzieren von elektrischen Verlusten in einer Hochspannungsübertragungsleitung
Anmelder ABB Hochspannungstechnik AG, Zürich, CH
Erfinder Arangeh, Dordaneh, Zürich, CH
Vertreter Zimmermann & Partner, 80331 München
DE-Anmeldedatum 31.03.2000
DE-Aktenzeichen 10016216
Offenlegungstag 11.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2001
IPC-Hauptklasse H02J 3/00
IPC-Nebenklasse H01B 9/06   
Zusammenfassung Der Leitungsabschnitt der Hochspannungsübertragungsleitung (10) enthält eine elektrisch leitfähige Kapselung (12), ein in der Kapselung (12) angeordneter stromführender Leiter (11) sowie zwei mit der Kapselung (12) elektrisch leitend verbundene Erdleiter (20, 21). Zwischen der Kapselung (12) und einem der Erdleiter (21) ist eine Stromregelungseinheit (31) angeordnet.
Ein Verluststrom (I0), welcher durch den Leiterstrom (IL) zwischen den Erdleitern (20, 21) in der Kapselung (12) induziert wird, wird durch die Stromregelungseinheit (31) geführt und durch die Stromregelungseinheit (31) gesteuert.
Die durch den Verluststrom (I0) verursachten elektrischen Verluste in dem Leitungsabschnitt werden ohne unerwünschte Nebenwirkungen wie etwa eine überhöhte Spannung in der Kapselung oder ein überhöhtes Magnetfeld entlang der Leitung reduziert.

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum Reduzieren von elektrischen Verlusten in einem Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Weiter wird ausgegangen von einem zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeigneten Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung.

STAND DER TECHNIK

Hochspannungsübertragungsleitungen mit einem isoliergasgefüllten, elektrisch leitenden Kapselungsrohr um einen stromführenden Leiter unterliegen elektrischen Verlusten, die einen wesentlichen Anteil der Betriebskosten einer solchen Übertragungsleitung ausmachen. Je nach Material und Ausführungsform des Kapselungsrohrs sind bis zu 40% dieser Verluste durch vom Magnetfeld um den Stromleiter im Kapselungsrohr induzierte Verlustströme verursacht. Stahl, als meistverwendetes Kapselungsmaterial, weist einen relativ hohen Wiederstandswert auf und hat entsprechend hohe Verluste zur Folge. Materialien wie beispielsweise Aluminium, welche dank guter Leitfähigkeit geringere Verluste verursachen, eignen sich wegen geringer Gasdichtigkeit und/oder sehr hohen Anschaffungskosten nur bedingt als Kapselungsmaterialien.

In US 4,372,043 (Cookson) ist eine Möglichkeit zum Reduzieren der Verluste durch das Einbringen einer in regelmässigen Abschnitten geerdeten Aluminiumschicht zwischen dem Stromleiter und der Stahlkapselung. In der Aluminiumschicht werden vom Magnetfeld um den Stromleiter Ströme induziert. Diese fliessen mit relativ geringem Widerstand in der Aluminiumschicht zwischen den Erdungen. Das Magnetfeld wird dadurch soweit abgeschwächt, dass in der die Aluminiumschicht umgebenden Stahlkapselung praktisch keine Ströme mehr fliessen.

Eine weitere Möglichkeit zum Reduzieren der Verluste in einer Stahlkapselung, welche in regelmässigen Abständen mit Erdleitern versehen ist, ergibt sich, wenn einzelne Abschnitte der Kapselung durch Schottstellen voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind und jeweils mit nur einem Erdleiter ausgebildet sind. Dies verhindert zwar die Entstehung von Verlustströmen, führt jedoch zu wenig vorteilhaften Sekundärwirkungen. Insbesondere führt dies zu einer sehr hohen Spannung in der Kapselung am nichtgeerdeten Ende des Leitungsabschnitts und zu einer Überhöhung des Magnetfeldes entlang des Leitungsabschnitts.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die obengenannten Sekundärwirkungen weitgehenst wegfallen, und zugleich einen Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung zu schaffen, der zur Durchführung dieses Verfahrens geeignet ist.

Die Aufgabe wird gemäss dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass ein in der leitfähigen Kapselung zwischen zwei mit der Kapselung elektrisch leitend verbundenen Erdleitern durch den Leiterstrom induzierter Verluststrom durch eine Stromregelungseinheit geführt wird, und dass der Verluststrom durch die Stromregelungseinheit gesteuert, insbesondere ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch werden die durch den Verluststrom verursachten Verluste reduziert und gleichzeitig können durch die Stromregelungseinheit die Spannung in der Kapselung und das Magnetfeld über der Leitung gesteuert werden.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird mit einem Leiterstromsensor die Amplitude und/oder die Phase des Leiterstroms erfasst und wird der Verluststrom durch die Stromregelungseinheit abhängig von der Amplitude und/oder der Phase des Leiterstroms gesteuert. Dadurch lässt sich der gegenüber dem Leiterstrom um einen konstanten Winkel phasenverschobene Verluststrom mit grosser Genauigkeit steuern. Zudem können Änderungen im Leiterstrom direkt erfasst und der Verluststrom entsprechend schnell gesteuert werden.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird vom Leiterstromsensor ein Strom abgegeben und wird eine elektronische Komponente vom Sensorstrom gespiesen. Dadurch kann eine elektronische Komponente, insbesondere die Stromregelungseinheit, ohne eine externe Energiespeisung betrieben werden.

Die Aufgabe, einen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Leitungsabschnitt zu schaffen, wird gemäss Patentanspruch 5 dadurch gelöst, dass zwischen die elektrisch leitfähige Kapselung des eingangs genannten Leitungsabschnitts und einen der Erdleiter eine Stromregelungseinheit zum Steuern eines in der Kapselung induzierten Verluststromes geschaltet ist. Mit dieser Stromregelungseinheit lässt sich der Effektivwert des Verluststroms prinzipiell beliebig steuern, insbesondere reduzieren.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Leitungsabschnitts enthält die Stromregelungseinheit Leistungshalbleiter, insbesondere Thyristoren oder abschaltbare Thyristoren. Mit Leistungshalbleitern lassen sich selbst grössere Verlustströme im Bereich von einigen kA steuern, insbesondere durch schnelles und verlustarmes Ein- und Ausschalten.

Besonders vorteilhaft sind zwei parallel geschaltete, entgegengesetzt gerichtete Thyristoren zum Ein- und Ausschalten von positiven und negativen Verlustströmen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Leitungsabschnitts ist die Stromregelungseinheit mit einem Leiterstromsensor verbunden ist, welcher vorteilhafterweise im Bereich eines isolierten Kapselungsabschnitts angeordnet ist. Mit dem Leiterstromsensor wird der Leiterstroms erfasst und aufgrund des erfassten Signals der Verluststrom gesteuert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung mit Erdleitern,

Fig. 2 und Fig. 3 zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäss mit einer Stromregelungseinheit erweiterten Leitungsabschnitts nach Fig. 1,

Fig. 4 eine vergrössert dargestellte Ansicht der Stromregelungseinheit nach Fig. 2, und

Fig. 5 ein Diagramm mit in der Stromregelungseinheit nach Fig. 4 fliessenden Strömen.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleichwirkende Teile.

Fig. 1 zeigt einen Leitungsabschnitt einer mit Isoliergas (beispielsweise SF6 und/oder N2) gefüllten Hochspannungsübertragungsleitung 10. Die Leitung umfasst eine rohrförmig ausgebildete, elektrisch leitfähige Kapselung 12. Im Innern der Kapselung 12 wird ein Stromleiter 11 mittels nicht dargestellten Stützisolatoren zentral gehalten. Im Bereich der Enden des Leitungsabschnitts sind Erdleiter 20 angeordnet. Der Abstand der Erdleiter 20 beträgt beispielsweise 0.01 bis 2 km.

Im Betriebszustand fliesst im Stromleiter 11 ein Strom IL von einigen kA. Dieser Strom induziert in der Kapselung 12 einen Verluststrom I0, da diese zusammen mit den Erdleitern 20 den Stromleiter 11 wie die Sekundärwicklung eines Stromwandlers umschliessen.

Der Verluststrom I0 hat im Idealfall die gleiche Amplitude wie der Leiterstrom IL und ist 180° phasenverschoben. Der Effektivwert des Verluststroms I0 ist praktisch gleich dem Effektivwert des Leiterstroms IL. Aus dem Flächenwiderstandswert R' der Kapselung 12 und der Leitungslänge L zwischen den Erdleitern 20 lässt sich der Kapselungsverlust P0 bestimmen.





Fig. 2 zeigt den mit einer zwischen die Kapselung 12 und einen der beiden Erdleiter 21 geschalteten Stromregelungseinheit 31 erweiterten Leitungsabschnitt 10. Die in Fig. 4 detailiert dargestellte Stromregelungseinheit 31 umfasst im wesentlichen mindestens ein Halbleiterelement 33, beispielsweise ein Thyristor oder ein abschaltbarere Thyristor (GTO). Das Halbleiterelement 33 ist direkt in den Verluststrompfad zwischen der Kapselung 12 und dem einen Erdleiter 21 geschaltet. Zur Ansteuerung des Halbleiterelements 33 enthält die Stromregelungseinheit 31 eine Synchronisationseinheit 32. Die Synchronisationseinheit 32 bezieht über einen im Bereich eines isolierten Kapselungsabschnitts 12" angeordneten Stromsensor 34 ein zum Leiterstrom IL synchrones Signal IS, aufgrund dessen sie Impulsströme IG zur Zündung des Halbleiterelement 33 erzeugt. Ist der Stromsensor 34 nach Art eines Stromwandlers ausgebildet, kann der vom Stromsensor 34 abgegebene Strom IS zur Speisung der Stromregelungseinheit 31 oder einer elektronischen Komponente 35, beispielsweise einer Messelektronik zum Überwachen der Gasdichte der Leitung, verwendet werden. Ein in der Synchronisationseinheit 32 enthaltener Gleichrichter erzeugt dafür ein entsprechender Speisestrom IS'.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Hochspannungsübertragungsleitungsabschnitts 10. Die Kapselung ist durch drei Schottstellen 15 in elektrisch voneinander isolierte Abschnitte 12' unterteilt. An den Enden der Kapselungsabschnitte 12' sind im Bereich der Schollstellen 15 Erdleiter 20 angebracht. Bei jeder zweiten Schottstelle 15 ist den beiden beidseits der Schottstelle angeordneten Erdleitern 21 eine gemeinsame Stromregelungseinheit 31 vorgeschaltet. Diese gemeinsame Stromregelungseinheit 31 enthält im wesentlichen zwei unabhängig ansteuerbare Leistungshalbleiter mit denen die Verlustströme I0 gesteuert werden.

Aus den in Fig. 5 dargestellten Stromverläufen ist die Funktionsweise der Stromregelungseinheit 31 ersichtlich. Der gegenüber dem Leiterstrom IL um 180° phasenverschobene Verluststrom I0 wird mittels dem Halbleiterelement 33 periodisch unterbrochen.

Ist beispielsweise als Halbeiterelement 33 ein einzelner Thyristor angeordnet, wird der Effektivwert des Verluststroms I0 um die Hälfte reduziert, da der Thyristor nur bei positiver Vorwärtsspannung, und somit maximal während der Hälfte einer Periode, leitfähig ist. Der Verluststrom beträgt





Bei ausgeschaltetem Thyristor fliesst kein Verluststrom (I0 = 0) dafür baut sich über dem Thyristor eine induktive, gegenüber dem Leitungsstrom um 90° phasenverschobene Überspannung auf. Sobald diese Spannung positiv am Thyristor anliegt, kann dieser mit einem Impulsstrom IG gezündet werden. Mehrere aufeinanderfolgende Stromimpulse garantieren dabei ein sicheres Zünden des Thyristors. Der Verluststrom I0 nimmt solange zu, bis er praktisch die gleiche Amplitude hat wie der um 180° phasenverschobene Leitungsstrom IL. Der Verluststrom I0 fliesst solange bis der Thyristor beim nächsten Nulldurchgang des Verluststromes I0 wieder ausschaltet. Sind als Leistungshalbleiter abschaltbare Thyristoren vorgesehen, kann der Verluststrom I0 bereits vor dem nächsten Nulldurchgang ausgeschaltet werden.

Eine erfolgreiche Zündung ist abhängig von der Spannung über dem Thyristor und vom Leitungsstrom IL. Der Thyristor kann nur bei positiver Vorwärtsspannung gezündet werden. Falls zudem der durch den Leiterstrom IL in der Kapselung induzierte Strom nicht positiv ist, wird die Spannung über dem Thyristor sehr schnell abgebaut, wodurch kein Strom durch den Thyristor fliesst und dieser gleich wieder ausschaltet. Eine erfolgreiche Zündung ist somit nur bei positiver Spannung und positivem Strom I0 möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Stromregelungseinheit 32 sind als Halbleiterelement 33 zwei entgegengesetzt gerichtete Thyristoren parallel angeordnet. Damit kann sowohl ein positiver als auch ein negativer Verluststrom I0 durch die Stromregelungseinheit gesteuert werden. Bezugszeichenliste 10 Hochspannungsübertragungsleitung

11 Stromleiter

12 Kapselung

12' Kapselungsabschnitt

12" Isolierter Kapselungsabschnitt

15 Schottstelle

20, 21 Erdleiter

31 Stromregelungseinheit

32 Synchronisationseinheit

33 Halbleiterelement

34 Stromsensor

35 Elektronische Komponente

IG Steuerstrom

IL Leitungsstrom

IS Sensorstrom

IS' Speisestrom

I0 Verluststrom

L Leitungslänge zwischen zwei Erdleitern

P0 Kapselungsverlust

R Kapselungswiderstand


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Reduzieren von elektrischen Verlusten in einem Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung, welcher
    1. - eine elektrisch leitfähige Kapselung (12),
    2. - mindestens einen in der Kapselung (12) angeordneten stromführenden Leiter (11), und
    3. - mindestens zwei mit der Kapselung (12) elektrisch leitend verbundene Erdleiter (20, 21)
    enthält, wobei
    1. - in der Kapselung (12) zwischen den Erdleitern (20, 21) durch den Leiterstrom (IL) ein Verluststrom (I0) induziert wird, und
    2. - die elektrischen Verluste zumindest teilweise durch den Verluststrom (I0) verursacht werden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - der Verluststrom (I0) durch eine Stromregelungseinheit (31) geführt wird, und dass
    2. - der Verluststrom (I0) durch die Stromregelungseinheit (31) gesteuert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - mit einem Leiterstromsensor (34) die Amplitude und/oder die Phase des Leiterstroms (IL) erfasst wird, und
    2. - der Verluststrom (I0) durch die Stromregelungseinheit (31) abhängig von der Amplitude und/ oder der Phase des Leiterstroms (IL) gesteuert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - vom Leiterstromsensor (34) ein Strom (IS) abgegeben wird, und dass
    2. - eine elektronischen Komponente (35) mit einem Speisestrom (IS') aus dem Sensorstrom (IS) gespiesen wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - der Verluststrom (I0) durch die Stromregelungseinheit (31) ein- und ausgeschaltet wird.
  5. 5. Leitungsabschnitt einer Hochspannungsübertragungsleitung (10) mit
    1. - einer elektrisch leitfähigen Kapselung (12),
    2. - mindestens einem in der Kapselung (12) angeordneten stromführenden Leiter (11), und
    3. - mindestens zwei mit der Kapselung (12) elektrisch leitend verbundenen Erdleitern (20, 21),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - zwischen der Kapselung (12) und mindestens einem der Erdleiter (21) eine Stromregelungseinheit (31) angeordnet ist.
  6. 6. Leitungsabschnitt nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die Stromregelungseinheit (31) Leistungshalbleiter (33) enthält, insbesondere Thyristoren undl oder abschaltbare Thyristoren.
  7. 7. Leitungsabschnitt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die Stromregelungseinheit (31) mindestens zwei parallel geschaltete, entgegengesetzt gerichtete Leistungshalbleiter (33) enthält.
  8. 8. Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die Kapselung durch Schottstellen (15) in mehrere, elektrisch isolierte Abschnitte (12') unterteilt ist,
    2. - an beiden Enden der Kapselungsabschnitte (12') ein Erdleiter (20, 21) angeordnet ist, und
    3. - pro Kapselungsabschnitt (12') eine Stromregelungseinheit (31) angeordnet ist.
  9. 9. Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die Kapselung durch Schottstellen (15) in mehrere, elektrisch isolierte Abschnitte (12') unterteilt ist,
    2. - an beiden Enden der Kapselungsabschnitte (12') ein Erdleiter (20, 21) angeordnet ist, und
    3. - im Bereich jeder zweiten Schottstelle (15) eine Stromregelungseinheit (31) zwischen den zwei angrenzenden Kapselungsabschnitten (12') und einem Erdleiter (21) angeordnet ist.
  10. 10. Leitungsabschnitt nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    1. - die Stromregelungseinheit (31) mit einem Leiterstromsensor (34) verbunden ist.






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