Vorrichtung zum Schalten in einem Gleichspannungsnetz Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten in einem Gleichspannungsnetz sowie ein Verfahren zur Auftrennung eines Leistungsgleichstromnetzes .

Leistungselektronische Systeme in der Energieversorgung - mit sehr hohen erforderlichen Spannungen und Leistungen - gewinnen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere für künftige, räumlich ausgedehnte und verzweigte Hochspannungs-Gleichstrom- Netze (engl.: Multiterminal -HVDC) werden Schaltungsanordnungen benötigt, welche die sichere und schnelle Beherrschung von möglichen Störungsfällen sowie geringste Energieverluste im Normalbetrieb ermöglichen. Diese Anforderungen treten insbesondere bei zukünftigen DC-Netzen mit hohen Spannungen und länderübergreifender Fernübertragung auf. Räumlich ausgedehnte und verzweigte HVDC-Netze werden beispielsweise für ausgedehnte Off-Shore-Windparks und die Nutzung großer Solarkraftwerke in fernen Wüstengebieten künftig benötigt. Insbesondere müssen Kurzschlüsse im HVDC-Netz beherrscht und fehlerbehaftete oder kurzgeschlossene Abschnitte des Netzes freigeschaltet werden können.

Günstige mechanische Schalter für die extrem hohen DC- Spannungen, welche hohe Fehlerströme unter Last schalten können, stehen wegen grundlegender physikalischer Probleme nicht zur Verfügung. Auch die technisch erreichbaren Abschaltzeiten und die Schaltüberspannungen mechanischer Schalter sind extrem störend. Entsprechend dem Stand der Technik sind deshalb mechanische Schalter für diese Anwendungen nur als lastlos (stromlos) schaltende Trenner günstig realisierbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zum Schalten in einem DC-Netz anzugeben. Eine weite- re Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Auftrennung eines Leistungsgleichstromnetzes anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schalten in einem

Gleichspannungsnetz weist eine Schalteinrichtung zum Unterbrechen des Stromflusses in wenigstens einer ersten Leitung des Gleichspannungsnetzes auf. Die Schalteinrichtung ist dabei mit einem ersten und einem zweiten Anschluss in die erste Leitung des Gleichspannungsnetzes einfügbar.

Weiterhin weist die Vorrichtung ein Dämpfungsglied zur Energieaufnahme der anliegenden Klemmenspannung auf. Das Dämpfungsglied wiederum weist einen ersten und einen zweiten Knotenpunkt auf, die elektrisch über ein Dämpfungselement ver- bunden sind. Weiterhin besteht eine elektrische Verbindung vom ersten Knotenpunkt zum ersten Anschluss über ein erstes gesteuertes oder ungesteuertes Schaltelement sowie eine elektrische Verbindung vom ersten Knotenpunkt zum zweiten Anschluss über ein zweites gesteuertes oder ungesteuertes

Schaltelement. Zweckmäßig ist das Dämpfungsglied vom zweiten Knotenpunkt aus mit einer zweiten Leitung des Gleichspannungsnetzes und/oder einem Erdpotential verbindbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Auftrennung eines Gleichstromnetzes wird eine Schalteinrichtung bereitgestellt und mit einem ersten und einem zweiten Anschluss in eine erste Leitung des Gleichspannungsnetzes eingefügt. Weiterhin wird ein Dämpfungselement zur Verfügung gestellt und das Dämpfungselement über ein erstes gesteuertes oder ungesteuer- tes Schaltelement mit dem ersten Anschluss und über ein zweites gesteuertes oder ungesteuertes Schaltelement mit dem zweiten Anschluss verbunden. In einem ersten Schritt wird erfindungsgemäß ein Strompuls durch die Schalteinrichtung erzeugt, so dass kurzzeitig eine Stromumkehr in der Schalteinrichtung hervorgerufen wird. Weiter wird in einem zweiten Schritt die Schalteinrichtung wäh- rend der Stromumkehr abgeschaltet, d.h. der Stromfluss in der ersten Leitung unterbrochen. Schließlich wird in einem dritten Schritt die elektrische Verbindung zwischen dem Dämpfungselement und dem in Stromrichtung liegenden ersten oder zweiten Anschluss der Schalteinrichtung zur Entregung einer verbraucherseitigen Leitungsinduktivität zugeschaltet.

Vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass ein einzelnes Dämpfungselement für beide der möglichen Stromflussrichtungen verwendbar ist. Für die Auftrennung der ersten Leitung wird das Dämpfungselement über die Schaltelemente mit der richtigen Seite der Schalteinrichtung verbunden, so dass eine Entregung der Leitungsinduktivität nach Unterbrechung des eigentlichen Stromflusses ermöglicht wird. Dadurch wird die Verwendung zweier oder noch mehr Dämpfungselemente, jedes für eine Stromflussrichtung, unnötig.

Zweckmäßig umfasst das Dämpfungselement ein oder mehrere nichtlineare Widerstände, insbesondere Varistoren. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste und/oder zweite Schaltelement Halbleiterschalter, insbesondere Thyristoren. Die Verwendung von Halbleiterschaltern erlaubt es, den genauen Zeitpunkt zu steuern, zu dem bei der Trennung der ersten Leitung der Freilaufkreis für den induktiv getriebenen Strom geschaffen wird. Auch lässt sich der Freilaufkreis kontrolliert wieder unterbrechen .

In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das ers- te und/oder zweite Schaltelement ungesteuerte stromrichtungs- abhängige Schaltelemente, insbesondere Halbleiterdioden. Dabei wird zweckmäßig jeweils eine Reihenschaltung von Dioden verwendet. Die Dioden sind dabei zweckmäßig aus Sicht des ersten Knotens leitend geschaltet, d.h. aus Sicht der ersten Leitung sperrend. Dadurch wird erreicht, dass eine aktive An- schaltung des Dämpfungselements bei einer Trennung der ersten Leitung durch die Schalteinrichtung unnötig wird. Eine der unter normalen Umständen blockierenden Dioden wird durch die stromabwärts liegende Leitungsinduktivität leitend geschaltet, da diese den Strom weitertreibt und für eine gewisse Zeit ein entsprechendes Spannungsgefälle erzeugt. So wird ohne ein Zutun durch eine Steuerungsschaltung sicher ein Frei- laufkreis für den Strom geschaffen, was für eine erhöhte Sicherheit und einen einfacheren Aufbau und Betrieb des Schalters sorgt .

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erste und zweite Schaltelement mechanische Schalter. Weiterhin umfasst das Dämpfungselement einen weiteren Halbleiterschalter zwischen dem ersten und zweiten Knotenpunkt. Vorteilhaft lässt sich hierbei beispielsweise eine visuell prüfbare Trennung des Dämpfungselements von der ersten Leitung realisieren. Auch hier, wie bei der ersten Ausgestaltung, lässt sich der genaue Zeitpunkt steuern, zu dem bei der Trennung der ersten Leitung der Freilaufkreis für den induktiv getriebenen Strom geschaffen wird. Wiederum lässt sich der Freilaufkreis kontrolliert wieder unterbrechen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind das erste und zweite Schaltelement Teile eines mechanischen oder leistungselektronischen Umschalters. Mit anderen Worten sind die Schaltelemente nicht separat steuer- bare Schalter, sondern als ein Umschalter realisiert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Umschalter dabei mehr als zwei Schaltpositionen. Dabei ist zweckmäßig einer der elektrischen Abgänge mit Erde oder einer zweiten Leitung des Gleichstromnetzes verbunden. Alle weite- ren elektrischen Abgänge sind zweckmäßig mit der einen oder anderen Seite mehrerer Schalteinrichtungen verbunden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Umschalter als Mehrzahl von parallelen Dioden ausgestaltet. Hierdurch wird wiederum erreicht, dass der Umschalter keine Steuerung benötigt, sondern selbsttätig den Freilaufkreis er- öffnet, sobald eine Trennung durch eine der angeschlossenen Schalteinrichtungen vorgenommen wird.

Zweckmäßig umfasst die Schalteinrichtung zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Hybridschalter, die jeweils eine Parallel- Schaltung eines ungesteuerten stromrichtungsabhängigen Schalters und eines steuerbaren Schalters aufweisen. Die zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Hybridschalter sind dabei wie bereits eingangs beschrieben mit dem ersten und zweiten An- schluss in die erste Leitung des Gleichspannungsnetzes ein- fügbar. Der ungesteuerte stromrichtungsabhängige Schalter ist bevorzugt eine Halbleiterdiode, während der steuerbare Schalter bevorzugt eine Vakuumschaltröhre ist.

Weiterhin umfasst die Schalteinrichtung bevorzugt einen

Stromimpulsgenerator, der auf einen Steuerbefehl hin zum Erzeugen eines Stromimpulses eingerichtet ist, so dass die Stromrichtung in einem der Hybridschalter kurzzeitig umkehrbar ist. Der Stromimpulsgenerator umfasst dabei zweckmäßig mindestens einen kapazitiven Energiespeicher und eine Induktivität, die über einen steuerbaren Schalter kurzzeitig elektrisch miteinander verbunden werden können, sowie einen Schaltungspfad zur Aufladung des kapazitiven Energiespeichers aus der Spannung des Gleichspannungsnetzes und zur Überspannungsbegrenzung, welcher mindestens diesen Energiespeicher und/oder einen Reihenwiderstand und eine Sperrdiode enthält.

Vorteilhaft ist es, wenn dem Stromimpulsgenerator zusätzliche Elemente zur Überspannungsbegrenzung, insbesondere nichtlineare Widerstände wie Varistoren, parallel geschaltet oder in diesen integriert sind. Einen Vorteil stellt in diesem Zusammenhang die Tatsache dar, dass in den beschriebenen Vorrichtungen keine Halbleiter mit fehlerkritischen, nicht stoßstromfesten Kontaktleitungen - wie z. B. Bonddrähte bei IGBT-Transistoren - notwendig sind. Da ausschließlich Halbleiterdioden und Thyristoren verwendet werden, sind Bauelemente mit stoßstromfester Druckkontaktie- rung einsetzbar.

Insbesondere ermöglicht die beliebige Serienschaltbarkeit al- 1er erfindungsgemäßen Subsysteme eine freie Wahl der Nennspannung der eingesetzten Bauelemente unabhängig von der vorgegebenen Spannung des DC-Netzes. Ein Aspekt sind diesbezüglich wirtschaftliche Gründe und die marktübliche Verfügbarkeit der Bauelemente. Ein technisch wichtigerer Freiheits- grad, welcher aus dieser Eigenschaft resultiert, ist jedoch die Optimierung der Schaltgeschwindigkeit der realisierbaren DC-Schalter .

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin- dung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Aus- führungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen. Es zeigen Figur 1 einen Ausschnitt aus einem räumlich ausgedehnten verzweigten Gleichspannungsnetz gemäß dem Stand der Technik, Figuren 2, 3 und 6 prinzipielle DC-Schalteranordnungen,

Figuren 4 und 5 Betriebszustände der DC-Schalteranordnungen, Figur 7 einen Knotenpunkt eines verzweigten Gleichspannungs- netzes, Figur 8 einen alternativen Umschalter für den Knotenpunkt .

Figur 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt 10 aus einem räumlich ausgedehnten verzweigten Gleichspannungsnetz gemäß dem Stand der Technik. Transformatoren 11 erzeugen eine hohe

Gleichspannung auf einer Leitung 21. Die Leitung 21 weist in dem gezeigten Ausschnitt einen DC-Schalter 12 auf, auf dessen einer Seite ein erster Knoten 17 und auf dessen anderer Seite ein Knoten 18 ist. Der DC-Schalter 12 ist ausgestaltet, mittels eines kurzen Strompulses einen DC-Trenner kurzfristig stromlos werden zu lassen, woraufhin eine Trennung der Leitung 21 erfolgen kann.

Nach einer Trennung der Leitung 21 treiben die Leitungsinduktivitäten 15, 16 einen Stromfluss weiter und es muss für einen Abbau der Energie gesorgt werden. Im Aufbau gemäß der Figur 1 sind dafür zwei getrennte Dämpfungsglieder 13, 14 vor- gesehen. Das erste Dämpfungsglied 13 ist bei einem ersten Knoten 17 auf einer ersten Seite des DC-Schalters 12 angeschlossen, während das zweite Dämpfungsglied 14 ist bei einem zweiten Knoten 18 auf einer zweiten Seite des DC-Schalters 12 angeschlossen ist. Je nach der vorigen Stromflussrichtung fließt der Strom nach der Trennung gemäß dem ersten Pfeil 19 oder gemäß dem zweiten Pfeil 20 durch das erste Dämpfungsglied 13 bzw. das zweite Dämpfungsglied 14. Es werden also zwei separate Dämpfungsglieder 13, 14 für die beiden möglichen Stromrichtungen benötigt. Diese sind ggfs. örtlich ge- trennt.

Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für eine erste DC- Schalteranordnung 100 gemäß der Erfindung, wiederum in einem räumlich ausgedehnten verzweigten Gleichspannungsnetz. Ebenso wie in Figur 1 ist hier ein DC-Schalter 12 in der Leitung 21 vorgesehen. Anstelle der separaten Dämpfungsglieder 13, 14 ist in der ersten DC-Schalteranordnung 100 jedoch nur ein erstes Dämpfungsglied 101 vorgesehen. Das erste Dämpfungsglied 101 umfasst einen Varistor 102 und dazu in Reihe einen Thyristor 103. Darauf folgend verzweigt sich das erste Dämpfungsglied 101 zu einem ersten und einem zweiten mechanischen Schalter 104, 105. Der erste mechanische Schalter 104 ist abseits des Thyristors 103 mit dem ersten Knoten 17 verbunden, während der zweite mechanische Schalter 105 abseits des Thy- ristors 103 mit dem zweiten Knoten 18 verbunden ist.

Im normalen Betriebszustand des DC-Netzes sind die mechanischen Schalter 104, 105 offen. Soll jedoch eine Entregung stattfinden, so wird einer der mechanischen Schalter 104, 105 geschlossen und sodann der Thyristor 103 gezündet, sodass ein Stromfluss durch das erste Dämpfungsglied 101 möglich ist. Der Schaltzustand für die Entregung im Falle eines Stromflus- ses vom ersten Knoten 17 zum zweiten Knoten 18 ist in Figur 4 dargestellt. Hier ist der zweite mechanische Schalter 105 geschlossen, während der erste mechanische Schalter 104 offen ist. Der Thyristor 103 wurde hier gezündet, so dass der durch den Pfeil angedeutete Stromfluss ermöglicht ist. Figur 5 wie- derum zeigt den Schaltzustand für die Entregung im Falle eines Stromflusses vom zweiten Knoten 18 zum ersten Knoten 17. Hier ist der erste mechanische Schalter 104 geschlossen, während der zweite mechanische Schalter 105 offen ist. Der Thyristor 103 wurde hier ebenfalls gezündet, so dass der durch den Pfeil angedeutete Stromfluss ermöglicht ist.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel, das ohne mechanische Schalter 104, 105 auskommt, ist in Figur 3 dargestellt. Hier sind wieder die meisten Elemente der Figur 2 wiederholt, je- doch ist statt dem ersten Dämpfungsglied 101 ein zweites

Dämpfungsglied 111 verbaut. Das zweite Dämpfungsglied 111 um- fasst neben dem Varistor 102 einen ersten und zweiten Thyristor 112, 113, wobei der erste Thyristor 112 mit dem ersten Knoten 17 und der zweite Thyristor 113 mit dem zweiten Knoten 18 verbunden ist.

Beim zweiten Dämpfungsglied 111 bleiben im Normalzustand die Thyristoren 112, 113 ungezündet . Soll jedoch eine Entregung stattfinden, so wird einer der beiden Thyristoren 112, 113 entsprechend der Stromrichtung, die vor der Trennung herrschte, gezündet und erlaubt so wieder den Stromfluss zur Entregung .

Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in der Figur 6 skizziert. Hier wird ein drittes Dämpfungsglied 120 verwendet. Das dritte Dämpfungsglied 120 umfasst anstelle der Thyristoren 112, 113 des zweiten Dämpfungsglieds 111 Dioden 121, 122, die aus Sicht der Leitung 21 sperrend geschaltet sind. Sie verhindern damit zu jeder Zeit den Kurzschluss über das dritte Dämpfungsglied, erlauben jedoch im Falle einer nötigen Entregung einen Stromfluss aus Richtung des Varistors 102. Vorteilhaft ist beim dritten Dämpfungsglied 120 keinerlei aktive Schal- tung nötig. Die durch die Leitungsinduktivitäten 15, 16 erzeugte Spannung nach der Trennung sorgt selbständig für eine Leitung über die Dioden 121, 122.

Figur 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel für die Erfin- dung . Figur 7 zeigt einen Knotenpunkt 200 eines DC-Netzwerks . Der Knotenpunkt 200 umfasst einen ersten AC/DC-Transformator 201, dessen DC-Ausgang zu einer Sammelschiene 205 führt. An der Sammelschiene sind drei Abgänge angeschlossen, die über jeweils einen ersten DC-Schalter 214...216 zu jeweils einem zweiten DC-Schalter führen. An die zweiten DC-Schalter schließen sich weiter AC/DC-Transformatoren 202...204 an, deren Ausgänge jeweils zu weiteren, nicht in der Figur 7 gezeigten AC-Netzen führen. Mit anderen Worten sind aus Sicht des ersten Transformators 201 drei DC-Stränge parallel ge- schaltet.

Der Knotenpunkt 200 weist nun als Besonderheit ein schaltbares Dämpfungsglied 210 auf. Das schaltbare Dämpfungsglied 210 weist einen mit Erde verbundenen Varistor 217 und dazu in Se- rie einen Thyristor 218 auf. Dazu in Serie wiederum ist ein

Umschalter 219 angeordnet. Der Umschalter 219 wiederum ist so gestaltet, dass er eine Verbindung zu einem der drei parallelen DC-Stränge zur jeweiligen DC-Leitung 211, 212, 213 herstellen kann. Weiterhin besteht ein Abgriff zur Sammelschiene und ein weiterer Abgriff direkt zu Erde.

Das schaltbare Dämpfungsglied 210 stellt somit für einen Ent- regungsvorgang eines der DC-Schalter 214, 215, 216 das Dämpfungselement 217 zur Verfügung und muss nicht mehrfach ausge- führt werden. Das Dämpfungselement in Form des Varistors 217 wird mit dem jeweiligen Abgang oder mit der Sammelschiene 205 verbunden, um die Entregung zu erlauben. Dabei ist durch die mögliche Verbindung mit der Sammelschiene 205 ebenfalls wie- der eine Entregung für beide möglichen Stromrichtungen möglich.

Eine alternative Ausführungsmöglichkeit für das schaltbare Dämpfungsglied 210 ist als zweites schaltbares Dämpfungsglied 220 in Figur 8 dargestellt. Das zweite schaltbare Dämpfungsglied 220 ist ebenso angeschlossen im Knotenpunkt 200 wie das schaltbare Dämpfungsglied 210 gemäß der Figur 7. Es weist ebenfalls den Varistor 217 auf. Allerdings entfällt beim zweiten schaltbaren Dämpfungsglied 220 der Thyristor 218 und der Umschalter 219 ist durch eine Reihe von aus Sicht des Varistors 217 parallel geschalteten Dioden 221 ersetzt. Die Dioden 221 sind zweckmäßig aus Sicht des Varistors 217 leitend geschaltet, aus Sicht des DC-Netzwerks sperrend. Eine Dioden- Verbindung zu Erde entfällt. Ebenso wie beim dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist nun für die Entregung keine aktive Schaltung mehr nötig, da die von den Leitungsinduktivitäten aufgebaute Spannung die Dioden 221 automatisch in den leitenden Zustand versetzt.