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Thyristorventile für die HGÜ: Aufbau, Kühlung
und Ansteuerung
Peter Lips, Adelsdorf
gekürzt erschienen in: ETG Journal 2019, H. 1, S. 60-65
Inhalt
1. Einführung ................................................................................................................................. 2
2. Aufbau von HGÜ-Thyristorventilen .......................................................................................... 4
2.1 General Electric Co., USA.................................................................................................. 5
2.2 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (AEG, BBC, Siemens) – Übertragung Cahora Bassa ............. 7
2.3 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (AEG, BBC, Siemens):Übertragung Nelson River Bipol 2 .... 9
2.4 ASEA ................................................................................................................................ 12
2.5 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (BBC, Siemens): Übertragung Gezhouba – Shanghai .......... 14
3. Kühlung von HGÜ-Thyristorventilen ...................................................................................... 16
4. Ansteuerung von HGÜ-Thyristorventilen ............................................................................... 20
4.1 Induktive / magnetische Zündimpulsübertragung ............................................................ 22
4.2 Indirekte Lichtzündung ..................................................................................................... 23
4.3 Direkte Lichtzündung ....................................................................................................... 26
5. Stand der Technik von HGÜ-Thyristorventilen im Jahr 2011 ................................................. 29
6. Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................................. 32
7. Literatur .................................................................................................................................... 33
2
1. Einführung
1957 wurde der Thyristor erfunden. 1962 wurde die Wiederaufnahme der HGÜ-Forschung in
Deutschland eingeleitet. 1967 standen die ersten Thyristor-Versuchsventile der
Arbeitsgemeinschaft HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung) in den Forschungsanlagen
der 400-kV-Forschungsgemeinschaft. Auch anderswo in der Welt wurden zur gleichen Zeit HGÜ-
Thyristorventile entwickelt. Die Bilder 1.1 bis 1.9 zeigen einige Beispiele aus den frühen Jahren.
Bild 1.1
Versuchsventil Mannheim Rheinau, 1967
(AEG); Quelle: Autor
Bild 1.2 Versuchsventil Mannheim Rheinau, 1967
(Siemens); Quelle: Autor
Bild 1.3 Versuchsventil Mannheim Rheinau, 1968 (BBC
Brown Boveri); Quelle: Autor
Bild 1.4 Versuchsventil Schenectady, 1968 (General
Electric); Quelle: Autor
3
Bild 1.5
Versuchsventil unter Öl, 1969
(AEG, BBC, Siemens); Quelle: Autor
Bild 1.6 Kabelverbindung Gotland – Schweden,
1970 (ASEA); Quelle: Autor
Bild 1.7 Versuchsventil Stafford, 1971
(English Electric); Quelle: Autor
Bild 1.8 Cahora Bassa, 1977, 1978, 1979
(AEG, BBC, Siemens); Quelle: Autor
Bild 1.9 Nelson River Bipol 2, 1978, 1984, 1985 (AEG,
BBC, Siemens); Quelle: Autor
4
In Deutschland hatten sich die drei Firmen AEG, BBC und Siemens in einem 1965
unterschriebenen Vertrag zur Arbeitsgemeinschaft HGÜ zusammengeschlossen. Ziel war die
gemeinsame und arbeitsteilige Entwicklung der HGÜ-System- und Gerätetechnik zur Marktreife,
um den – nach dem Stillstand in Deutschland infolge des Zweiten Weltkrieges – vom Ausland
erreichten Vorsprung aufzuholen. Die technische Arbeit erfolgte dabei in sogenannten
Fachausschüssen, in denen Aufgabenstellungen festgelegt wurden und in die jeder Partner seine
Lösungsvorschläge einbrachte. Nach Diskussion und Bewertung wurde daraus vom
Fachausschuss im Konsens eine gemeinsame Technik erarbeitet. Jeder Partner kam für seine
Kosten selbst auf; ein Kostenausgleich fand nicht statt. (Siehe auch Bilder 1.1, 1.2, 1.3 im
Vergleich zu den Bildern 1.8 und 1.9.)
Dieser Beitrag stützt sich im Wesentlichen auf die Technik der Arbeitsgemeinschaft HGÜ; zum
Vergleich wird auch auf ausgewählte Beispiele aus anderen Ecken der Welt eingegangen. Eine
vollständige Übersicht ist aber nicht möglich.
2. Aufbau von HGÜ-Thyristorventilen
Trotz der enormen Fortschritte, die die Thyristortechnik in mehr als 50 Jahren gemacht hat,
müssen in einem HGÜ-Ventil immer noch -zig Thyristoren in Reihe geschaltet werden, um die
gewünschte hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen. Der prinzipielle Aufbau von Thyristorventilen
aller Wettbewerber ist deshalb heute noch der gleiche wie vor 50 Jahren (Bild 2).
Bild 2 Prinzipieller Aufbau aller Halbleiterventile für die HGÜ; Quelle: Autor
5
Jeder Thyristor braucht einen Einschaltimpuls, der meist durch eine Thyristorelektronik (TE)
erzeugt wird; er braucht Kühleinrichtungen (KD), um die Verlustwärme abzuführen und er
braucht eine Beschaltung, um das Ausschaltüberschwingen zu bedämpfen und eine gleichmäßige
Spannungsaufteilung in der Reihenschaltung sicherzustellen [1]. Für die Gesamtheit aller dieser
Komponenten hat sich der Begriff Thyristorplatz (TP) eingebürgert.
Um günstig fertigen und prüfen zu können, hat man schon früh begonnen, eine bestimmte Anzahl
von Thyristorplätzen in Ventilabschnitten (VA) zusammenzufassen; diese bestehen aus einer
Anzahl von Thyristorplätzen, einer sättigbaren Drosselspule und einem parallelgeschalteten
Kondensator zur kapazitiven Spannungssteuerung des Ventils.
Das gesamte Ventil besteht dann aus einer Anzahl von Abschnitten, einem System zum Verteilen
der Zündimpulse (ZV), einem System zum Verteilen des Kühlmittels (KV) und einem
Isoliergerüst (IG) um alles zusammenzuhalten.
Wie der Ventilaufbau konstruktiv ausgeführt wird, dafür gab es und gibt es bis heute so viele
Varianten, wie es Hersteller mit ihren Ingenieuren gibt. Dazu zeigen die Bilder in Kap. 2.1 bis
Kap. 2.5 einige Beispiele.
Am Anfang war die Modultechnik. Zu Beginn der Entwicklung gab es weder Erfahrungen mit der
Reihenschaltung von hunderten von Thyristoren, ihrer Beschaltung, ihrer Ansteuerung und ihrer
Kühlung, noch Zuverlässigkeitskennwerte für die vielen hundert Bauteile unter den
Betriebsbedingungen eines HGÜ-Ventils. Einerseits wurden hohe Ausfallraten von Komponenten
befürchtet, andererseits wollte man notwendige Reparaturen unter kontrollierten Bedingungen
durchführen können. Dazu unterteilte man das Ventil in Module: mechanische Einheiten mit einer
Anzahl von Thyristorplätzen (und evtl. Drosseln), die während Wartungspausen ausgetauscht und
nach Wiederaufnahme des Betriebes in einer Werkstatt repariert wurden.
2.1 General Electric Co., USA
Das Modul der General Electric erinnert an eine überdimensionale Leiterplatte. In der Mitte ist die
Reihe der Thyristoren und Kühlkörper angeordnet. Darunter befindet sich für je zwei
Thyristorplätze eine in Reihe geschaltete Mehrwindungsdrossel und im oberen Teil sind die
Widerstände und Kondensatoren der RC-Beschaltung angeordnet.
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Bild 3.1 luftgekühltes Modul mit 12 Thyristorplätzen; Quelle: Autor
Das kastenförmige Gehäuse des Ventilaufbaus (Bild 3.2) ist der Kühltechnik geschuldet: die Luft
wird oben aus der Halle angesaugt, im Innern des Kastens den Modulen parallel zugeführt und
unten von den Ventilatoren im Keller abgesaugt.
Bild 3.2 Gehäuse für die sechs Ventile einer Drehstrombrücke (fünf Module pro Ventil);
Quelle: Autor
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2.2 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (AEG, BBC, Siemens) – Übertragung Cahora Bassa
Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ war der einzige Hersteller, der sich schon Ende der sechziger Jahre
für die Flüssigkeitskühlung der Thyristorventile entschieden hatte. Ziel war, die Ventile in
direkter Nachbarschaft zu den Transformatoren im Freien aufzustellen, deshalb wurde als
Kühlmittel Transformatorenöl gewählt; nach Einbau des Aktivteils in einen ölgefüllten Kessel
diente das Öl auch zur Isolation. Das Aufstellen der Ventile im Freien sollte auch das für die bis
dahin verwendeten Quecksilberdampf-Ventile notwendige, aufwendige klimatisierte Gebäude
einsparen und so die Thyristortechnik wettbewerbsfähiger machen. Tatsächlich wurde die
Übertragung Cahora Bassa – Apollo aus anderen Gründen in Thyristortechnik ausgeführt;
Ölkühlung und -isolation sind später nur noch einmal bei einer Kurzkupplung in Japan verwendet
worden.
Bild 4.1 Ölgekühltes Modul mit 7 Thyristorpaaren; Quelle: Autor
Bild 4.1 zeigt wesentliche Ansichten der Cahora Bassa Ventiltechnik [2]. Im Modul ist die
alternierende Anordnung von Thyristoren und Kühlkörpern in einem säulenförmigen
Spannverband deutlich zu erkennen. Diese platzsparende Anordnung wurde erst viele Jahre später
auch von den Wettbewerbern übernommen. Der Nennstrom von 1.800 A konnte noch nicht von
einem Thyristor beherrscht werden, deshalb sind im Modul zwei parallel geschaltete
8
Thyristorsäulen übereinander angeordnet. Auf der Vorderseite sind die zwei elektrischen
Kontakte zu erkennen, sowie die Schläuche zur Ölzuführung. Die Rückführung erfolgte durch
freien Austritt in den Kessel. Im rückwärtigen Teil des Moduls befinden sich die
Beschaltungselemente.
Bild 4.2 Ventilgerüst für 40 Module vor Einbau in den Ölkessel; Quelle: Autor
Bild 4.2 zeigt das recht komplexe, frei stehende Gerüst aus Isoliermaterial, in das die Module
eingeschoben wurden. Es enthält auch den Zündimpulsübertrager und eine Einrichtung zum
Überprüfen der Thyristorplätze, ohne sie ausbauen zu müssen. Nach Einbau aller Komponenten
und einer "Trockenprüfung" wurde ein Glockenkessel darüber gestülpt, das Ventil mit Öl gefüllt
und mit Hochspannung geprüft. Der Transport erfolgte dann ohne Ölfüllung. Auf der Baustelle
wurde das Ventil nach erneuter Ölfüllung auf einen Isoliertisch gehoben (Bild 4.3). Für
Reparaturen wurde es in eine spezielle Wartungshalle verbracht und dort geöffnet.
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Bild 4.3 drei ölgefüllte Doppelventil-Kessel isoliert für 533 kV; Quelle: Autor
2.3 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (AEG, BBC, Siemens):Übertragung Nelson River Bipol 2
In der Provinz Manitoba in Kanada konnte die ölisolierte Freilufttechnik wegen der kanadischen
Winterverhältnisse nicht eingesetzt werden. In einer Halle wäre die Brandgefahr zu hoch
gewesen. Luftkühlung war daher die naheliegende Technik und wurde auch von allen
Wettbewerbern angeboten. Auf Drängen von BBC Schweiz bot die Arbeitsgemeinschaft HGÜ als
Alternative auch wassergekühlte Ventile an (vgl. Kapitel 3). Wegen der deutlichen Vorteile – u.a.
kompaktere Ventile, deutlich geringeres Hallenvolumen, Hilfsenergie für Pumpen nur 10% des
Energiebedarfs für Lüfter – erteilte der Kunde Anfang 1975 den Auftrag für diese Variante.
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Bild 5.1 Wassergekühltes, luftisoliertes Modul mit sechs Thyristorpaaren für 2.000 A; Quelle:
Autor
Auch beim ersten wassergekühlten Modul der Arbeitsgemeinschaft HGÜ (Bild 5.1) ist die
Thyristorsäule das charakteristische Merkmal für den Modulaufbau; diese Anordnung wurde erst
in den 1980er Jahren von ASEA übernommen und ist mittlerweile Industriestandard. Im
Vordergrund sind die RC-Beschaltung und das Wasserverteilrohr zu sehen, unter der Abdeckung
auf der Rückseite befinden sich die Elektronikbaugruppen für Ansteuerung und Überwachung der
Thyristoren.
Anders als der gesamte Wettbewerb hatte die Arbeitsgemeinschaft HGÜ schon bei Cahora Bassa
erfolgreich auf größere Einheiten für die sättigbaren Ventildrosseln gesetzt und eine Drosselspule
zwei kompletten Thyristormodulen zugeordnet. Bild 5.2 zeigt die wassergekühlte Ausführung, die
bei Nelson River Bipol 2 verwendet wurde.
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Bild 5.2 wassergekühltes Ventildrossel-Modul; Quelle: Autor
Die Konfiguration der HGÜ-Station als Zwölfpuls-Gruppe (12p-Gruppe), bei der zwei
Drehstrombrücken mit ihren sekundärseitig um 30°el phasenverschobenen Transformatoren unter
einem gemeinsamen Leistungsschalter betrieben werden, und bei denen die vier zu einer Phase
gehörenden Ventile in einem gemeinsamen Gerüst übereinander angeordnet werden
(Vierfachventile), ist zuerst von der schwedischen ASEA vorgeschlagen worden. Die
Arbeitsgemeinschaft HGÜ hat diese Anordnung für Nelson River Bipol 2 übernommen und auch
noch den jedem Ventil zugeordneten Überspannungsableiter in das frei stehende Ventilgerüst
integriert. Ein Vierfachventil für 250 kV (Bild 5.3) enthält 64 Thyristormodule und 32
Drosselmodule. Wegen des stufenweisen Ausbaus mit Teil-Inbetriebsetzungen 1978, 1984, 1985
sind zwei Gruppen mit 250 kV in Reihe geschaltet, um die Übertragungsspannung von 500 kV
herzustellen.
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Bild 5.3 Ventilhalle einer 250 kV Zwölfpulsgruppe mit drei Vierfachventilen, 1978;
Quelle: Autor
2.4 ASEA
Die CU-Übertragung im mittleren Westen der USA ging 1979 in Betrieb. Die Ventiltechnik ist
exemplarisch für die ASEA-Technik der 1970er Jahre und wurde noch bei der Inga-Shaba
Übertragung (Inbetriebsetzung 1982/83) verwendet. Im Modul (Bild 6.1) sind zu beiden Seiten
eines konischen Luftkanals je eine Reihe von drei einzeln mit Luftkühlkörpern verspannten
Thyristoren angeordnet, daneben in kompakten Blöcken die RC-Beschaltungen und
Ansteuerungen. Rechts, auf der Innenseite des Moduls, ist eine für drei Thyristoren gemeinsame
Einwindungsdrossel mit Ringbandkernen zu erkennen.
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Bild 6.1 Luftgekühltes Thyristormodul mit 2 x 3 Thyristoren und zwei Ein-Windungsdrosseln;
Quelle: Autor
Charakteristisch für die ASEA-Ventile dieser Zeit waren die Zwischenetagen in den
Vierfachventilen (Bild 6.2), über deren Innenleben es wohl keine veröffentlichten Informationen
gibt, und die mächtigen Luftkanäle im Zentrum. In der CU-Übertragung waren je Ventil 30
Module à sechs Thyristoren in Reihe geschaltet.
Bild 6.2 Ventilhalle der CU-Übertragung mit drei Vierfachventilen für 400 kV; Quelle: Autor
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2.5 Arbeitsgemeinschaft HGÜ (BBC, Siemens): Übertragung Gezhouba – Shanghai
1984 lag in der Arbeitsgemeinschaft HGÜ genügend Betriebserfahrung mit Thyristorventilen vor;
die jetzt verfügbaren Zahlen zu Ausfallraten von Komponenten waren sehr viel niedriger als zu Es
erschien deshalb nicht mehr zwingend, die mechanisch aufwendige Modultechnik beizubehalten.
Auf einer anderen Ebene bereiteten die bei Spannungen von 500 kV sehr hohen und schlanken
Gerüste der Vierfachventile ("Ventiltürme") Schwierigkeiten hinsichtlich ihrer mechanischen
Festigkeit, besonders in erdbebengefährdeten Standorten. Es kam deshalb die Idee auf, die
Thyristorventile an der Decke des Gebäudes aufzuhängen, sodass sie bei einem Erdbeben wie ein
Pendel schwingen können und nicht den mechanischen Belastungen durch die Erdbewegung
ausgesetzt sind.
Bild 7.1 Wassergekühlter Thyristorbaustein mit zwei Ventilabschnitten à 15 Thyristoren und
zwei Ventildrosseln beim Rütteltest; Quelle: Autor
Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ beschloss beim Übergang zum hängenden Aufbau, die
Modultechnik zu verlassen und das Ventilgerüst vollständig zu eliminieren. An die Stelle der
Module traten größere Bausteine (Bild 7.1). Sie enthalten zwei Ventilabschnitte, die
spiegelbildlich zur Mitte angeordnet sind. Der äußere Rahmen aus stranggepresstem
Aluminiumprofil hat zwei Funktionen: er ist ein stabiles Gerüst für alle eingebauten
Komponenten und dient als Äquipotentialfläche der Feldsteuerung im Ventilturm. Das
Wartungskonzept sieht vor, dass von der Überwachung identifizierte Komponenten mittels eines
15
Hubwagens direkt im Ventil ausgetauscht werden. Dazu kann ein Brett quer auf den Rahmen
gelegt werden, wenn Komponenten nicht von außen erreicht werden können. Die Abmessungen
des Bausteins sind bestimmt durch das zulässige Transportprofil, z.B. die verfügbare LKW-
Ladefläche (ca. 5 x 2 m).
Bild 7.2 Hängendes Vierfachventil (Ventilturm) aus Thyristorbausteinen in der
Hochspannungsprüfung; Quelle: Autor
Die selbsttragenden Bausteine sind die zentralen Bauelemente des Vierfachventils (Bild 7.2).
Jeder Baustein hängt an Langstabisolatoren, die nach dem Prinzip der Strickleiter am Baustein
darüber befestigt sind. Auf diese Weise muss die Festigkeit des Bausteinrahmens nur für das
Gewicht seiner eigenen Einbauten bemessen sein. Das Bild macht deutlich, dass es kein
Ventilgerüst mehr gibt, sondern außer den Bausteinen nur noch Langstabisolatoren aus dem
Freileitungsbau, die Rohre für das Kühlwasser und die Kabelkanäle für die Lichtwellenleiter.
Das Bausteinkonzept wurde erstmals von der Arbeitsgemeinschaft HGÜ entwickelt und 1984 für
die Übertragung Gezhouba – Shanghai angeboten [3]. Der Baustein wird im Werk vollständig
montiert und geprüft. Bei der Montage vor Ort werden nur noch die Hängeisolatoren, die
Wasserverteilung und die Lichtleiter hinzugefügt. Mittlerweile haben sich alle Hersteller vom
Aufbaukonzept mit austauschbaren Modulen verabschiedet; ABB scheint aber das eigenständige
Ventilgerüst beibehalten zu haben und kleinere Transporteinheiten zu bevorzugen.
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3. Kühlung von HGÜ-Thyristorventilen
Es gilt, jedem Thyristorplatz auf seinem speziellen Potential ein Kühlmittel zum Abtransport der
Verlustwärme bereit zu stellen und das erwärmte Medium zwecks Rückkühlung wieder auf
Erdpotential zu transportieren. Dafür wurden anfangs zwei Richtungen eingeschlagen.
ASEA, English Electric und General Electric setzten auf forcierte Luftkühlung mit großvolumigen
Kanälen aus Kunststoff zur Luftführung und mit leistungsstarken Gebläsen (siehe Kap. 2.1 und
2.4).
Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ dagegen begann schon 1967 im ersten Versuchsventil der Firma
Siemens (Bild 1.2) mit der Flüssigkeitskühlung; Ziel war, die Ventile wie Transformatoren im
Freien aufzustellen, deshalb wurde Öl als Kühlmedium gewählt, das dann auch in einem Kessel
zur Isolation dienen sollte.
Bild 8 Thyristorspannverband mit 7 Thyristoren und hydraulisch in Reihe geschalteten
Kühldosen für Ölströmung; Quelle: Autor
Der in Bild 8 dargestellte Thyristorspannverband (Thyristorsäule) wurde im "Versuchsventil unter
Öl" (VVÖ; Bild 1.4) eingesetzt, das bereits 1969 in die Prüfanlagen der 400-kV-Forschungs-
Gemeinschaft in Mannheim-Rheinau geliefert wurde. Der Nennstrom des VVÖ war 900 A,
deshalb brauchten keine Thyristoren parallelgeschaltet zu werden. Aus Bild 8 wird deutlich, dass
das Öl von der Mitte zugeführt wurde und an den Kühlkörpern am Ende der Säule frei in den
Kessel austrat.
Schon während der kommerziellen Realisierung dieser Kühltechnik bei der Übertragung Cahora
Bassa wurde klar, dass sie nicht universell einsetzbar sein würde. Luftkühlung, wie von allen
Wettbewerbern verwendet, erschien nicht allen Partnern der Arbeitsgemeinschaft HGÜ als der
Stein der Weisen. Die beste Lösung schien dann die bei Großgeneratoren verwendete
Wasserkühlung zu sein. Bild 9 ist eine Präsentationsgraphik aus der Mitte der 1970er Jahre und
veranschaulicht die relevanten Eigenschaften der Kühlmedien Luft, Öl und Wasser.
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Bild 9 Thermische und elektrische Eigenschaften verschiedener Kühlmedien; Quelle: Autor
Das Bild zeigt im linken Diagramm die Fähigkeit zum Abführen von Verlustwärme in
Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums. Es wird deutlich, dass Öl um
zwei Größenordnungen besser abschneidet als Luft, dass es aber von Wasser noch um eine
weitere Größenordnung übertroffen wird.
Das rechte Diagramm zeigt die elektrische Durchschlagspannung für eine definierte
Elektrodenform. Es ist offensichtlich, dass Öl und Wasser in gleicher Weise der Luft deutlich
überlegen sind. Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ hat sich das 1974 als erste zunutze gemacht: bei
der Ausschreibung für das Projekt Nelson River Bipol 2 in Kanada. 15 Jahre später, 1989, stieg
dann auch der letzte Wettbewerber um auf Wasserkühlung.
Allerdings stellt Wasser als Kühlmedium unter Gleichspannung eine Erschwernis im Vergleich zu
Öl dar, da es einen elektrolytischen Leiter darstellt. In jeder Hochspannungs-Gleichstrom-
Anordnung fließt deshalb ein – wenn auch kleiner – Strom zwischen Anode und Kathode, der je
nach Material der Elektroden zu Korrosion führen kann. Das muss mit geeigneten Maßnahmen
verhindert werden, um eine lange Lebensdauer der Thyristorventile sicherzustellen [4].
Bei allen Herstellern wird das hochreine Wasser in einem geschlossenen Kreislauf in Steigrohren
durch die Ventile gepumpt. Ähnlich wie in einem mehrstöckigen Gebäude wird in den Etagen die
für das Kühlen der dort vorhandenen Thyristorplätze und Ventildrosseln erforderliche
Wassermenge abgezweigt. Innerhalb der Etagen muss das Wasser dann zu den einzelnen
Kühlkörpern der Thyristoren, den Beschaltungswiderständen und den Ventildrosseln verteilt
werden, die alle auf unterschiedlichem Potential liegen.
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Bild 10 Gestaltung der Kühlwasserverbindungen in einer Thyristorsäule; Quelle: Autor
Dazu gibt es zwei Möglichkeiten, die durch die beiden Graphiken in Bild 10 veranschaulicht
werden. Dargestellt ist jeweils eine Thyristorsäule mit den Thyristoren als Wärmequellen (rot)
und den Kühlkörpern (blau). Man kann die Kühlkörper hydraulisch in Reihe schalten (links) oder
parallel (rechts). Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile.
Die hydraulische Reihenschaltung der Kühlkörper wurde und wird von allen Herstellern mit
Ausnahme der Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft HGÜ angewendet. Vorteilhaft ist die geringe
Anzahl der Schlauchverbindungen und damit der Dichtungsstellen. Diese müssen aber für hohen
Wasserdurchsatz ausgelegt sein, damit der Unterschied in der Thyristortemperatur zwischen
Anfang und Ende der Säule nicht zu hoch wird. Das erfordert einen großen Querschnitt. Dadurch
fließt ein relativ hoher elektrolytischer Strom zwischen jeweils benachbarten Kühlkörpern wegen
ihres unterschiedlichen Potentials und es muss durch spezielle Opferelektroden an allen
Verbindungsstellen dafür gesorgt werden, dass die Kühlkörper nicht durch Korrosion zerfressen
werden.
Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ entschied sich dagegen für die hydraulische Parallelschaltung.
Bild 11 Schema der Gestaltung des Kühlkreises mit hydraulischer Parallelschaltung;
Quelle: Autor
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In Bild 11 stehen die schraffierten Blöcke für die Thyristoren; die Kühlkörper sind jeweils mit
einem Verteilrohr und einem Sammelrohr verbunden. In diese beiden Rohre wird gegenüber dem
ersten und dem letzten Kühlkörper je eine Elektrode eingesetzt. Diese sind jeweils miteinander
und dem zugehörigen Kühlkörper elektrisch verbunden. Dadurch befinden sich diese Kühlkörper
mit ihren Wasserschläuchen zwischen zwei Elektroden gleichen Potentials und sind deshalb nicht
durch elektrolytischen Strom gefährdet. Für die übrigen Kühlkörper sind keine Elektroden mehr
nötig, denn die Wassersäulen zwischen den Elektroden an den Enden der Verteilrohre wirken wie
Ohmsche Spannungsteiler, die auch gleiches Potential an Einlauf und Auslauf aller übrigen
Kühlkörper bewirken und elektrolytischen Strom verhindern.
Elektrolytischer Strom fließt jetzt ausschließlich zwischen den Elektroden in den Verteilrohren.
Damit diese nicht durch elektrolytische Korrosion zerstört werden, erhalten sie eine Oberfläche
aus inertem Material, z.B. Platin. Die hydraulische Parallelschaltung der Kühlkörper erfordert
eine größere Zahl von Schlauchverbindungen und damit von Dichtungsstellen. Allerdings hat sich
in mehr als 30 Jahren Anwendung gezeigt, dass Leckagen an Schlauchverschraubungen auch nach
langer Betriebszeit nie ein Problem waren.
Als Vorteil ist zu verbuchen, dass alle Kühlkörper auch langer Säulen von z.B. 15 Thyristoren mit
Einbau von nur vier Elektroden zuverlässig gegen Korrosion geschützt sind. Die
Schlauchverbindungen haben geringen Querschnitt und der Wasserkreis unterstützt eine lineare
Gleichspannungsaufteilung auf die Thyristorplätze.
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Bild 12 Thyristor Baustein mit Parallelkühlung; Quelle: Autor
Die tatsächliche Ausführung ist in Bild 12 erkennbar. Links sind die zwei in Reihe geschalteten
Thyristorsäulen (a), in der Mitte eines der Verteilrohre (b), die parallel zur Thyristorsäule
verlaufen. Rechts sind die RC-Glieder und zwischen Verteilrohr und Thyristorsäule sind deutlich
die parallelen, dünnen Verbindungsschläuche zu erkennen.
Beide Varianten, die Serienkühlung und die Parallelkühlung, haben sich in vielen Anlagen
bewährt und werden von den Kunden akzeptiert.
4. Ansteuerung von HGÜ-Thyristorventilen
Für die Ansteuerung der Ventile gilt für alle Hersteller analog das Gleiche wie für die Kühlung:
alle Maßnahmen müssen für jeden Thyristor auf seinem individuellen Potential angewandt
werden, sei das 5 kV gegen Erde oder 800 kV.
Bei der Ansteuerung spielt aber die Musik auf Erdpotential: die Regelung in der Warte erzeugt in
jeder Periode für jedes Ventil einen Einschaltbefehl zum erforderlichen Zeitpunkt. Dieser Befehl
muss praktisch verzögerungsfrei an alle Thyristoren des Ventils übertragen werden. Als Ergebnis
muss an allen Thyristoren eines Ventils ein Zündimpuls mit ausreichend Energie gleichzeitig
wirksam sein.
Auch die Ansteuertechnik der HGÜ-Thyristorventile ist über die Jahrzehnte ständig weiter
entwickelt worden. In einer historischen Rückschau ist deshalb ein Vortrag mit dem Titel
"Halbleiterstromrichter für die HGUe" interessant, den Herr Peter Knapp von Brown Boveri
Schweiz im Oktober 1967 zu Beginn der Entwicklung bei einem Kolloquium der 400-kV-
Forschungs-Gemeinschaft in Heidelberg gehalten hat. Es ist nicht sicher, ob der Text heute noch
als Quelle verfügbar ist, deshalb sei hier ein Auszug im Wortlaut wiedergegeben:
"Ein weiteres technisches Problem ist die Zündung der HGUe-Ventile. Bisher haben sich zwei
realisierbare Lösungsmöglichkeiten herausgebildet: Die induktive und optische Impuls
Übertragung. Die Schwierigkeit der induktiven Impulsübertragung besteht darin, Wandler zu
bauen, welche bei dem geforderten Isolationsniveau genügend steile Impulse übertragen können.
Die Kabelzündung nach dem Stromwandlerprinzip scheint den Anforderungen zu entsprechen.
Das nachfolgende Bild zeigt eine Prototypkonstruktion einer Kabelzündeinrichtung für ein 200 kV
- Ventil (Bild 9). Jedem Thyristor ist ein über den isolierten Primärleiter geschobener Ringkern
mit seiner Sekundärwicklung zugeordnet. Die Sekundärwicklung ist über eine Entkopplungsdiode
an den Steuerkreis des Thyristors angeschlossen. An dieser Diode kann die negative
Sekundärspannung während der Rückmagnetisierung des Kernes anliegen; an den am Boden des
Oelbehälters herausgeführten Anschlüssen des haarnadelförmigen Primärleiters erfolgt die
Ansteuerung mit kräftigen steilen Stromimpulsen. Wegen der grossen Streuung der Anordnung ist
der Pulswiderstand sehr hoch, deshalb muss ein leistungsfähiger Steuergenerator zur Verfügung
21
stehen. Dauerimpulse können nur als Wechselspannung übertragen werden. Der grosse
Platzbedarf und die unvermeidlichen Erdkapazitäten der Sekundärwicklungen sind Nachteile der
induktiven Impulsübertragung, daher werden gegenwärtig die Möglichkeiten der optischen
Impulsübertragung an jeden einzelnen Thyristor ernsthaft geprüft.
Hier bieten sich wiederum verschiedene Verfahren an. Eines davon kommt mit geringer
Lichtleistung aus und sieht empfindliche Photoelemente vor, welche dem Hauptstromkreis
entnommene Energie während jeder optischen Anregung als Zündimpulse auf das Gate des
Thyristors schalten. Ein zweites Verfahren sieht die direkte optische Anregung des
Hauptthyristors vor. Obwohl beide Verfahren studiert wurden, das erste sogar in mehreren
Varianten, möchte ich hier nur auf das zweite Verfahren eingehen, da es auf weite Sicht wohl das
Vorteilhaftere zu sein verspricht (Bild 10). Die Steuereinrichtungen sind sehr einfach und
übersichtlich. Links sind mehrere in Serie geschaltete Thyristoren dargestellt. Anstelle des
Gateanschlusses an die mittlere n-Schicht ist nur ein Graben durch die Kathodenkontaktierung in
den Emitter geätzt, um die Strahlung möglichst gut in den Thyristor einkoppeln zu können. Zur
Führung der Strahlung von den rechts gezeichneten Lichtquellen sind Faserlichtleiter eingesetzt.
Als Impulslichtquellen dienen GaAs-Lumineszenz-Dioden, deren Infrarotstrahlung mit einer
Wellenlänge von 0,9 µm zur Anregung von Silizium Elementen vorzüglich geeignet ist.
Versuche mit serienmässig hergestellten Tabletten von Leistungsthyristoren, welche anstelle der
Gate-Kontaktierung eine Anätzung des Emitters auf einer Fläche von einigen mm2 erhielten,
zeigten vielversprechende Ergebnisse. Die zur sauberen Zündung erforderliche
Strahlungsleistung liegt in der Grössenordnung 10 bis 100 mW weit unterhalb jener Leistung,
welche zur Stromzündung der Elemente erforderlich wäre. Die ursprünglichen Befürchtungen, die
Thyristoren würden durch die Sensibilisierung in ihren guten elektrischen Eigenschaften leiden,
haben sich nicht bestätigt. Ein Problem stellt gegenwärtig die Lichtquelle dar, da diese wegen des
schlechten Wirkungsgrades der GaAs-Dioden thermisch sehr hoch belastet wird und der Betrieb
gewissen Einschränkungen unterliegt.
Zwei wesentliche Vorteile gegenüber anderen Zündsystemen dürfen bei der Beurteilung der
direkten Lichtzündung nicht übersehen werden:
Die Sicherheit gegen Störimpulse, da überhaupt kein geschlossener Gatestrom-Kreis mehr
existiert, in welchem Störungen eingekoppelt werden könnten.
Die Freiheit von Erdkapazitäten, welche die grösstmögliche Freizügigkeit in der
Thyristorbeschaltung gewährt.
…"
Es erscheint nun interessant, die Aussagen von Herrn Knapp an der tatsächlichen Entwicklung zu
spiegeln: erst 30 Jahre später, 1997, konnte das letzte noch aktive Mitglied der
Arbeitsgemeinschaft HGÜ ein Ventil mit direkt lichtgezündeten Thyristoren kommerziell
erproben.
22
4.1 Induktive / magnetische Zündimpulsübertragung
Die von Herrn Knapp angesprochenen Bilder 9 und 10 sind hier als Bilder 13.1 und 14.1
eingefügt.
Zunächst wurde von allen Herstellern die induktive Zündimpulsübertragung angewendet. In Bild
13.1 ist zu berücksichtigen, dass dort nur die Übertragung im Ventil selbst dargestellt ist, nicht
aber die Übertragung von Erdpotential auf Ventilpotential. Letztere erfolgte bei Cahora Bassa
mittels eines Lichtsignalübertragers: ein Glasfaserleiter, der in einem speziellen Isolierstützer
untergebracht war (Bild 13.2). Auf der Isolierplattform, unterhalb des Ventilkessels, befand sich
der sog. Impulsverstärker: ein elektronischer Mittelfrequenzgenerator, der eine 120° el. lange
Impulskette in das Zündkabel einspeiste. Auf der Sekundärseite erzeugten daraus Puls-
Formungsschaltungen an jedem Thyristorplatz die eigentlichen Zündimpulse. Die Hilfsenergie für
den Impulsverstärker und die verschiedenen Überwachungs- und Schutzeinrichtungen auf
Potential wurde für jeden Ventiltisch durch einen eigenen Hilfsenergietransformator bereitgestellt.
Bild 13.1
Prototypkonstruktion eines magnetischen
Zündimpulsübertragers (ölisoliert) für ein 200-
kV-Ventil, 1967; Quelle: Autor
Bild 13.2 Ringbandkern mit 4 x 7 Sekundärwicklungen
für eine Ventiletage Cahora Bassa mit
4 Modulen, 1977; Quelle: Autor
In der Rückschau ist bemerkenswert, dass die Arbeitsgemeinschaft HGÜ in den frühen Jahren
beim Entwickeln der magnetischen Zündimpulsübertragung für die Primärseite eine Lösung für
das komplette Ventil im Auge hatte und nur auf der Sekundärseite die Modularität
berücksichtigte. Das war keineswegs allgemein üblich.
23
Bild 14.1 Schematische Darstellung der
Lichtleiterführung für direkt lichtgezündete
Thyristoren, 1967; Quelle: Autor
Bild 14.2 Direkt lichtgezündeter 100 mm-Thyristor mit
Wafer und abgewinkeltem Glasfaserleiter für
zentrale Lichteinkopplung, 1997; Quelle: Autor
General Electric verwendete Lichtsignale bis zum Modul; auf diesem befand sich ein
Impulsgenerator für elektrische Zündimpulse, die mit einem magnetischen System – am unteren
Rand des Moduls (Bild 3.1) – zu jedem Thyristorplatz übertragen wurden. Die Hilfsenergie für
dieses System wurde in jedem Modul aus dem Hauptstromkreis ausgekoppelt. Über die
Impulsübertragungssysteme der anderen Hersteller sind wohl keine Einzelheiten veröffentlicht;
sie dürften aber anders gestaltet gewesen sein, als das der Arbeitsgemeinschaft HGÜ. Bekannt ist
lediglich, dass ASEA zumindest in einigen luftgekühlten Anlagen Windturbinen einsetzte, um die
Zündsysteme auf Ventilpotential mit Energie zu versorgen.
4.2 Indirekte Lichtzündung
1974 waren Optoelektronik und faseroptische Lichtwellenleiter weit genug entwickelt, dass die
Arbeitsgemeinschaft HGÜ in das Angebot für das Projekt Nelson River Bipol 2 eine weitere
Innovation aufnehmen konnte: die bereits 1967 im Kolloquium der 400-kV-
Forschungsgemeinschaft genannte optische Impulsübertragung an jeden einzelnen Thyristor. Dies
wurde erleichtert durch die Erkenntnis, dass zum Einschalten und sicheren Betrieb eines
Thyristors kein Dauerimpuls von 120 Grad notwendig ist, sondern ein Steuerimpuls von wenigen
Mikrosekunden Dauer ausreicht. Zwar gab es immer noch keine geeignete Lichtquelle, um direkt
optisch zündbare Thyristoren einsetzen zu können, aber auch die sogenannte indirekte
Lichtzündung [5] versprach deutliche Vorteile hinsichtlich Baugröße, Störsicherheit, Betrieb,
Wartung und natürlich der Kosten.
24
Bild 15 Prinzip der indirekten Lichtzündung elektrisch gezündeter Thyristoren und
erforderliche Funktionen im Ventil; Quelle: Autor
Hierbei wurden die Zündbefehle der Regelung in einem prozessorgesteuerten Elektronikschrank
(„Fußpunktelektronik“) mittels LED in optische Zündsignale für jeden Thyristor umgesetzt,
wobei jedem Thyristor eine LED zugeordnet ist. Diese Signale werden mittels Lichtwellenleitern
zu den einzelnen Thyristorplätzen übertragen und dort in speziellen Elektronikbaugruppen zu
elektrischen Zündimpulsen verarbeitet. Für die Verarbeitung werden auf der Baugruppe selbst
erzeugte Zustandsinformationen für den Thyristorplatz verwendet, wie am Thyristor anliegende
Spannung und Zustand der Hilfsenergieversorgung. Je nach Regelphilosophie können auch noch
weitere Funktionen auf der Baugruppe implementiert sein und in die Verarbeitung der
Zündsignale einfließen. Zusätzlich ist ein Schutzkreis vorhanden, der den Thyristor einschaltet,
wenn seine Vorwärtsspannung den zulässigen Wert überschreitet.
Außerdem erlaubt die indirekte Lichtzündung eine Online-Überwachung jedes Thyristorplatzes.
Dazu werden die an jedem Thyristorplatz erzeugten Zustandsinformationen in einem
Impulstelegramm über einen getrennten Lichtwellenleiter in die Fußpunktelektronik übertragen
und dort ausgewertet. Dem Betriebspersonal stehen damit jederzeit alle Informationen über
Fehlerart, Anzahl und Position ausgefallener Thyristorplätze zur Verfügung, sodass bei
Wartungspausen zielgerichtet Komponenten getauscht werden können. Die erforderliche
Hilfsenergie für den Betrieb der Thyristorelektronik-Baugruppe wird auf dieser selbst aus dem
Hauptstromkreis ausgekoppelt.
Fußpunktelektronik mit LED
niedriger Leistung
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Rückmeldung
Hilfsenergie
Logik
elektr. Zündimpuls
Schutzzündung
Spannungserfassung
Thyristorelektronik
25
Mit der Inbetriebsetzung der ersten Ausbaustufe der Übertragung 1978 wurde die Technik
weltweit erstmals kommerziell angewendet; sie ist heute in teilweise weiterentwickelter Form
einer der beiden Industriestandards. Die Anzahl der Varianten in der Ausgestaltung der
Baugruppen und der auf ihnen implementierten Funktionen ist nur durch die Anzahl der HGÜ
Hersteller und den Erfindungsreichtum ihrer Ingenieure begrenzt, siehe Bild 16.
Bild 16 Eine Aufgabe, drei Lösungen: Thyristorelektronik-Baugruppen für indirekte
Lichtzündung; Quelle: Autor
Als Lichtwellenleiter wurden im Allgemeinen Glasfaserbündel-Lichtleiter und für die
Rückmeldung später auch Kunststofflichtleiter verwendet. Um die Dämpfung des Signals auf dem
Übertragungsweg gering zu halten, wurde die Fußpunktelektronik in der Nähe des Ventils
aufgestellt oder die Warte so im Gebäude angeordnet, dass eine Länge von 50 – 60 m nicht
überschritten wurde.
Die Arbeitsgemeinschaft HGÜ hatte eine besondere Konfiguration der Sendelichtleiter entwickelt,
mit der einerseits redundante Lichtquellen ermöglicht wurden, aber andererseits die Zahl der
benötigten LED deutlich reduziert werden konnte. Hierfür wurde die Tatsache ausgenutzt, dass
die Glasfaserbündel-Lichtleiter aus mehreren hundert Einzelfasern von etwa 50 µm Durchmesser
bestehen. Bei der Fertigung werden die Fasern eines Endes von z.B. acht Bündeln statistisch
gemischt und dann auf zwei Bündel aufgeteilt. In diese wird das Licht von zwei LED
eingekoppelt; diese sind so dimensioniert, dass die Lichtleistung von einer für die Ansteuerung
von z.B. acht Thyristorelektronik-Baugruppen ausreicht.
26
Bild 17 Sendelichtleiter für redundante Lichtquellen mit acht Armen (schematisch);
Quelle: Autor
Die General Electric Co. in den USA hatte einen anderen Weg eingeschlagen und mit
Fördermitteln des Electric Power Research Institute (EPRI) schon früh begonnen, direkt
lichtzündbare Thyristoren und eine geeignete Lichtquelle zu entwickeln, um die induktive
Impulsübertragung ersetzen zu können [6]. Die Entwicklung war jedoch nicht erfolgreich und
resultierte in einer Variante der indirekten Lichtzündung: eine Cäsiumlampe strahlte auf einen
Quarzglasverteiler; von diesem führten Monofasern zu jedem Thyristorplatz. Dort war ein
lichtzündbarer Hilfsthyristor zwischen Anode und Gate des Hauptthyristors geschaltet, der beim
Einschalten durch den Lichtimpuls einen Zündimpuls für jenen erzeugte. Die Technik wurde in
der Übertragung Des Cantons in Québec/Kanada und Comerford in New Hampshire/USA
(Betriebsaufnahme 1986) erstmals eingesetzt. Im Betrieb zeigten sich allerdings Probleme
bezüglich der Lebensdauer und der Wärmeentwicklung der Cäsiumlampen; über deren Lösung
wurde jedoch nichts mehr bekannt, da sich General Electric bald darauf komplett aus dem HGÜ-
Geschäft zurückzog.
4.3 Direkte Lichtzündung
Obwohl die indirekte Lichtzündung entsprechend dem Prinzip nach Bild 15 sich als zuverlässige
Technik bewährt und bei allen Herstellern (außer General Electric) als Standard etabliert hatte,
blieb die Vision der direkten Lichtzündung erhalten. Sie ließ erwarten, dass die Ventile erheblich
vereinfacht werden könnten – durch Wegfall der Elektronik Baugruppe an jedem Thyristorplatz
und dem dafür notwendigen Auskoppeln von Hilfsenergie. Die Entwicklungsarbeiten an
Thyristoren, Lichtquellen und Schutzkonzepten gingen deshalb an verschiedenen Orten weiter.
Die ersten funktionierenden HGÜ-Ventile mit direkt lichtzündbaren Thyristoren wurden 1984
bekannt: je ein Versuchsventil von Hitachi, Mitsubishi (?) und Toshiba in der Kurzkupplung
Sakuma, z.B. [7]. Ab 1992 war direkte Lichtzündung die Standardtechnik in Japan, nicht nur für
HGÜ, sondern für alle Hochspannungsanwendungen von Thyristoren. Für HGÜ-Ventile hatten
die Thyristoren jedoch aus europäischer Sicht einen Schönheitsfehler: sie boten keine Möglichkeit
27
einer individuellen Schutzzündung bei übermäßiger Spannungsbeanspruchung, die inzwischen
zum Standard bei der indirekten Lichtzündung geworden war und von allen Anwendern verlangt
wurde. Die japanischen Hersteller lösten dies im eigenen Land damit, dass sie die Redundanz
erhöhten, d.h. mehr Thyristoren in Reihe schalteten.
In den USA entwickelte neben General Electric auch Westinghouse – ebenfalls mit Förderung
durch EPRI – direkt lichtzündbare Thyristoren [8]. Der kanadische Zweig der Firma hatte Anfang
der 1970er Jahre Entwicklungsarbeiten für HGÜ-Ventile betrieben; die Aktivitäten wurden aber
eingestellt und Westinghouse war in der Folge nur noch im SVC-Markt aktiv. Lichtzündbare
Thyristoren mit integriertem Überspannungsschutz wurden in einem SVC-Ventil erprobt; über
einen kommerziellen Einsatz ist nichts bekannt.
Bild 18 Prinzip der direkten Lichtzündung von Thyristoren und erforderliche Funktionen im
Ventil; Quelle: Autor
Anfang der 1990er Jahre waren Forschung und Entwicklung im Halbleiterbereich der Siemens
AG, der späteren Infineon, soweit gediehen, dass die Technik für einen 100 mm Thyristor mit
direkter Lichtzündung, integrierter Schutzzündung und einer Sperrspannung von 8.000 V an die
Fertigung übergeben werden konnte [9]. Außerdem standen Laserdioden ausreichender Leistung
und Lebensdauer mit der erforderlichen Wellenlänge des abgestrahlten Lichts zur Verfügung. Auf
dieser Grundlage entstand eine Technik von HGÜ- und SVC-Thyristorventilen nach dem in Bild
18 dargestellten Prinzip: Jeder Thyristorplatz verfügt über eine Spannungserfassung und meldet
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Spannungserfassung
Fußpunktelektronik
mit Laserdioden
28
das Vorhandensein positiver Spannung an die Fußpunktelektronik. Beim Eintreffen eines
Zündbefehls von der Regelung prüft die Fußpunktelektronik, ob an genügend vielen Thyristoren
des Ventils positive Spannung vorhanden ist. Ist das der Fall, wird ein kurzer Lichtimpuls direkt
an alle Thyristoren des Ventils übertragen und so deren Einschalten bewirkt [10].
Warte Ventilhalle
n < 16
LZT n
LWL 2
MMV
LD
LD
LWL 1
FPE
LZT 1
LZT 2
LWL 1
LWL 2
LWL 2100 m
FPE : FußpunktelektronikMMV: MultimodeverzweigerLWL: Lichtwellenleiter
LD : LaserdiodeLZT : Lichtzündbarer Thyristor
Bild 19 Prinzip des optischen Systems zum Zünden direkt lichtzündbarer Thyristorventile;
Quelle: Autor
Dabei ist es nicht notwendig, jeden Thyristor mit einer eigenen Laserdiode anzusteuern: es stehen
Dioden zur Verfügung, deren Lichtleistung für das Einschalten einer größeren Zahl von
Thyristoren ausreicht. Die Impulsübertragung erfolgt deshalb nach dem in Bild 19 dargestellten
Prinzip. Dabei wird eine Anzahl von Thyristoren – üblicherweise die eines Ventilabschnitts – von
redundanten Laserdioden angesteuert. Es kann eins-aus-zwei- oder zwei-aus-drei-Redundanz
angewendet werden. Der abgestrahlte Lichtimpuls wird über Monofasern (LWL 1) bis in den
Ventilbaustein übertragen und in einen Multimode-Verzweiger eingespeist. Dort wird er aufgeteilt
und über weitere Lichtwellenleiter (LWL 2) zu den Thyristoren übertragen (siehe Bild 14b).
Der Verzweiger ist eine Standardkomponente aus der Kommunikationstechnik; er ist völlig passiv
und besteht neben den Steckbuchsen für die Lichtwellenleiter im Inneren nur aus Glasfasern und
dem Verteilungselement (Bild 20). Er wird im Baustein in der Mitte zwischen den beiden
Ventilabschnitten eingebaut, die er versorgt und ist in Bild 12 auf der linken Seite innerhalb der
Abschirmung zu erkennen.
29
Bild 20 Multimode-Verzweiger; Quelle: Autor
Ein Prototypventil der hier beschriebenen Technik wurde ab 1997 für zwei Jahre in der Pacific
Intertie im kommerziellen Betrieb erprobt; es ersetzte ein Quecksilberdampfventil mit den
Nenndaten 133 kV, 2.000 A. Während der gesamten Erprobungsdauer gab es keinerlei Ausfälle
oder Störungen und das Ventil wurde anschließend vom Betreiber der Anlage zum dauernden
Gebrauch erworben. Zwei Jahre später wurde mit dem Moyle Interconnector zwischen Nordirland
und Schottland die erste Komplett-Übertragung mit dieser Technik in Auftrag gegeben. Seitdem
ist für HGÜ-Anlagen mit 4"- und 5"-Thyristoren die Technik der direkt lichtgezündeten Ventile
die Standardausführung bei Siemens. Nur bei Anlagen mit 6"-Thyristoren, wenn der Betreiber aus
Volumengründen zwei Hersteller mit der Ventillieferung beauftragt und ein einheitliches
Zündverfahren verlangt, liefert dieser Hersteller noch Ventile mit elektrisch zündbaren
Thyristoren.
5. Stand der Technik von HGÜ-Thyristorventilen im Jahr 2011
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung und mit ihr die Technik der HGÜ-Thyristorventile
hat sich seit den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts zu einer anerkannten, wirtschaftlichen und
zuverlässigen Alternative für die Energieübertragung entwickelt. Derzeit haben sich drei
europäische Hersteller auf dem stark expandierenden Markt für HGÜ-Übertragung etabliert. Der
größte Markt für Anlagen mit Thyristorventilen, gemessen in Übertragungsleistung, ist derzeit in
China, deshalb haben alle Hersteller dort Kooperationspartner. Die Übertragungsleistung erreicht
bis zu 7.600 MW bei 800 kV; dabei werden pro Pol zwei Zwölfpulsgruppen in Reihe geschaltet.
Die weltweit am weitesten verbreitete Übertragungsspannung ist aber 500 kV, nur bei
30
Seekabelverbindungen kleinerer Leistung und Entfernung findet man niedrigere Spannungen. Da
die Nennspannung der eingesetzten Thyristoren je nach Definition des Anwenders zwischen 8,5
und 9,5 kV liegt, beträgt die maximale Zahl der in Reihe geschalteten Thyristorplätze in einem
Ventil heute etwa 80. Je nach Nennstrom finden Thyristoren mit 4"-, 5"-, oder 6"-Silizium-
Durchmesser Anwendung.
Alle Hersteller verwenden Wasserkühlung der Thyristoren, Beschaltungswiderstände und
Ventildrosseln. Ebenso verwenden alle Hersteller eine Ventilanordnung, die an der Hallendecke
aufgehängt ist. Zwei Hersteller verwenden das Bausteinkonzept, aber alle tauschen ausgefallene
Komponenten im Ventil, niemand baut Module zu Reparaturzwecken aus. Einen visuellen
Eindruck von aktuellen Thyristorventilen vermitteln die Bilder 21 bis 23.
Bild 21 Erdnahe 12p-Gruppe der 800-kV-Übertragung Xiangjiaba (ABB), bestehend aus sechs
Doppelventilen mit Erdpotential oben und 400 kV Potential unten; Quelle: Autor
31
Bild 22 Ventilhalle der Übertragung Kontiskan (Alstom): Bei Anlagen niedrigerer
Übertragungsspannung bis herauf zu 600 kV sind Vierfachventile, wie in diesem Bild,
die Standardausführung. Alstom verwendet die Bausteintechnik und hat hier zwei
Bausteine pro Etage angeordnet; Quelle: Autor
Bild 23 Obere (erdferne) 12p-Gruppe der 800-kV-Übertragung Yunang-Guangdong (Siemens),
bestehend aus sechs Doppelventilen in Bausteintechnik. Diese Ventile sind gegen die
Hallendecke für 600 kV isoliert, gegen den Hallenboden aber für 800 kV; Quelle: Autor
32
Am unteren Ende der Leistungsskala hat sich in den letzten Jahren eine neue Technik etabliert:
HGÜ mit Spannungszwischenkreis-Stromrichtern, sogenannte VSC-HGÜ. Die wesentlichen
Unterschiede für den Betrieb sind konstante Spannungspolarität bei Energierichtungswechsel, die
Möglichkeit Blindleistung zu erzeugen und die Möglichkeit, auf harmonische Filterkreise zu
verzichten. Die Ventile dieser Anlagen verwenden statt der Thyristoren Schaltungen aus IGBT
und Dioden, ebenfalls in Vielfachreihenschaltung. Die größte bisher in Auftrag gegebene
Leistung ist 1.000 MW bei 320 kV, begrenzt durch die verwendeten Kunststoffkabel.
6. Zusammenfassung und Ausblick
Seit den ersten HGÜ-Versuchsventilen auf der Basis von Thyristoren in den 60er Jahren des
letzten Jahrhunderts haben sowohl die Halbleitertechnik als auch die Ventiltechnik enorme
Fortschritte gemacht. Wesentliche Elemente aus der Technik der frühen Jahre sind aber noch
heute gültig, z.B. die Reihenschaltung von Thyristoren, die einfache RC-Beschaltung, der
modulare Aufbau. Einige der von den Firmen der Arbeitsgemeinschaft HGÜ eingeführten
Lösungen sind inzwischen Industriestandard, z.B. der säulenförmige Thyristorspannverband, die
Wasserkühlung, die optische Ansteuerung, das Bausteinkonzept.
Durch stetige Evolution der Technik und Weiterentwicklung der verwendeten Komponenten hat
sich die maximale Leistung fast vervierfacht: was im Jahre 1974 2.000 MW war (Angebot Nelson
River Bipol 2 mit zwei Zwölfpulsgruppen in Reihe je Pol für 500kV) sind heute 7.600MW bei
800 kV.
Solange der Bedarf an Gleichstromübertragung von vielen tausend Megawatt über große
Entfernungen besteht, darf erwartet werden, dass die Technik der Thyristorventile ohne
grundlegende Änderungen weiterbestehen wird. Es darf jedoch auch erwartet werden, dass die
VSC-Technik mit IGBT-Ventilen eine ähnliche Evolution durchmachen wird wie bisher die
Thyristor-Ventiltechnik. Als Folge dürften Übertragungen bis etwa 500 kV und einigen tausend
Megawatt in wenigen Jahren überwiegend in dieser Technik ausgeführt werden.
33
7. Literatur
[1] Etter, P.; Hengsberger, J.; Thiele, G.: Besondere Aufgaben und Lösungswege bei der
Beschaltung von Thyristoren in HGÜ-Stromrichtern. In: Depenbrock, M. (Hrsg.):
Dynamische Probleme der Thyristortechnik. Berlin: VDE-Verlag, 1971
[2] F. C. Beriger, F. C.; Hengsberger, J.; Jütte, G.W.: Cabora Bassa Transmission: Oil Cooled
Outdoor Thyristor Valves. In: IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS
94, No. 4, July/August 1975, pp. 1061-1071
[3] Beriger, C.; Kieser, A.; Lips, H. P.; Pauli, M.: State-of-the-Art Thyristor valves for China's
First HVDC Transmission System. In: IEEE/CSEE Joint Conference on High Voltage
Transmission Systems in China. Beijing/China, October 17-22, 1987, pp.520-526
[4] Lips, H. P.: Water Cooling of HVDC Thyristor Valves. In: IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol. 9, No. 4, October 1994, pp. 1830-1837
[5] Lips, H. P.; Pauli, M.: Gating Systems for High Voltage Thyristor Valves. In: IEEE
Transactions on Power Delivery, Vol. 3, No. 3, July 1988, pp. 978-983
[6] Temple, V. A. K.: Light-Triggered Thyristors for HVDC Applications. In: IEEE publication
No. 79 CH 1399-5-PWR, 1979, pp. 213-221
[7] Takahaski, T.; Ino, H.; Tanabe, S.; Kobayashi, S.; Horiuchi, T.; Senda, T.: 125 kV –
1.800 A Light-Triggered Thyristor Valve for HVDC Transmission. In: Proceedings of
IEEE/IREQ International Conference on DC Power Transmission. Montreal/Canada, 1984,
pp. 234-240
[8] Light-Fired Thyristor Development. EPRI Report EL-5125, 1987
[9] Mitlehner, H.; Pfirsch, F.; Schulze, H. J.: A Novel 8 kV Light-Triggered Thyristor With
Overvoltage Self Protection. In: Proceedings of the 2nd
International Symposium on Power
Semiconductor Devices and ICs – ISPSD '90, 1990, pp. 289-294
[10] Lips, H. P.; Matern, J.; Neubert, R.; Popp, L.; Uder, M.: Light Triggered Thyristor Valve
For HVDC Application. In: European Power Electronics Conference, Trondheim/Norway,
September 1997, pp. 1287-1292
