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DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Einführungsbeitrag

Die Norm IEC 61954 definiert die Typprüfungen der Halbleiter-Schalter von statischen Kompensatoren, die in Drehstromnetzen zur Blindleistungskompensation eingesetzt werden. Die gebräuchlichsten Arten von Kompensatoren sind

• der TSC (Thyristor Switched Capacitor)
• der TSR (Thyristor Switched Reactor) beziehungsweise TCR (Thyristor Controlled Reactor).

Die Halbleiterschalter arbeiten dabei als Wechselwegschalter, müssen also in der Lage sein, Ströme beiderlei Polarität zu führen.

Als Halbleiter-Schaltelemente kommen Hochleistungs-Thyristoren zum Einsatz.

Aufgrund der begrenzten Spannungs-Sperrfähigkeit einzelner Thyristoren müssen mehrere der Halbleiter in Reihe geschaltet werden, um die erforderliche Sperrfähigkeit des Schalters zu realisieren. Da Thyristorenstrom nur in einer Richtung führen kann, müssen die Leistungshalbleiter zudem auch noch (paarweise) antiparallel geschaltet werden.

Die Halbleiterschalter (Ventile) sind meist modular aufgebaut. Eine typische dreiphasige Anordnung besteht aus drei isoliert aufgebauten Modulen, die übereinander angeordnet sind. Jedes Modul dient als Wechselwegschalter für die Kondensatoren beziehungsweise Spulen einer Phase des Kompensators.

In IEC 61954 werden prinzipiell zwei Arten von Typprüfungen unterschieden:

• Die Hochspannungsprüfungen (dielectric type tests) am gesamten Halbleiterschalter-Aufbau, insbesondere die Prüfung der Ventilbasis (valve base), des Ventilturms (multiple valve unit) und des Ventils (valve).

Der Zweck dieser Prüfungen ist der Nachweis der Hochspannungstauglichkeit der Halbleiterschalter-Anordnung. Die Prüfungen erfolgen mit Stoßspannungen (Blitz- und Schaltstoßspannung) und fallweise mit hohen Wechsel- und Gleichspannungen.

• Die Leistungsprüfungen (operational type tests) an repräsentativen Teilen eines Halbleiterschalters.

Der Zweck dieser Prüfungen ist der Nachweis der Funktionsfähigkeit des Schalters im periodischen Betrieb und bei Fehlerfällen (...Fehlertoleranz). Dabei werden auch die Ansteuerung und Überwachung der Thyristorplätze und die Kühlung der Verlustleistungserzeugenden Schalterkomponenten überprüft.

Neben den Typprüfungen wird auch ein Mindestumfang an produktionsbegleitenden Prüfungen an den Halbleiterschalter-Modulen zum Nachweis der Fertigungsqualität definiert.

Diese Systematik findet sich auch in der Kapitel-Strukturierung der Norm wieder und lehnt sich an den Aufbau von IEC 60700-1 an, der die Typprüfungen an Thyristorventilen für Hochspannungs-Gleichstromübertragungs-Anlagen (HGÜ) beschreibt.

Um die Norm der fortschreitenden technischen Entwicklung und den neuesten Erkenntnissen aus der Hochspannungstechnik anzupassen, wurde seitens der IEC das Maintenance Team MT 10 eingesetzt.

Die Arbeit des MT 10 in den Jahren 2008 bis 2010 auf Basis der bei den einzelnen Nationalen Komitees eingereichten Kommentare führte zu einer Überarbeitung der Richtlinie.

Die Veröffentlichung der aktualisierten Fassung der IEC 61954 erfolgte im April 2011.

Im Folgenden werden die wesentlichen Änderungen zur Vorgänger-Ausgabe der Norm erläutert.

1. Atmosphären-Korrektur (Kapitel 4.4.1.2)

• bei einer Bemessung der Isolation nach IEC 60071-1 entfällt die Atmosphärenkorrektur für Aufstellhöhen kleiner als 1 000 m.

Begründung: Die Bemessungs-Prüfspannung einer entsprechend dimensionierten Isolierstrecke nach IEC 60071-1 enthält bereits einen Atmosphären-Korrektur-Faktor für Aufstellhöhen bis 1 000 m.

2. Zulässige Anzahl ausgefallener Thyristorplätze (Kapitel 4.5)

• Definition der zulässigen Anzahl ausgefallener Thyristorplätze in Abhängigkeit von der Anzahl in Reihe geschalteter Thyristoren; übersichtliche Darstellung in einer Tabelle

• zusätzlich Festlegung der zulässigen Anzahl ausgefallener Komponenten, die sich während der Durchführung der Prüfungen nicht in einem Kurzschluss des Thyristorplatzes äußern und erst zum Beispiel bei der erneuten Stückprüfung des Halbleiterschalter-Moduls nach Abschluss der Typprüfungen bemerkt werden

Begründung: Es wurde der Tatsache Rechnung getragen, dass auch Halbleiterschalter mit einer sehr großen Anzahl in Reihe geschalteter Thyristoren zum Einsatz kommen können (ähnlich der Reihenschaltzahlen, die in HGÜ-Thyristor-Ventilen üblich sind). Daher wurde die bewährte Festlegung zulässiger Ausfälle der Norm IEC 60700-1 übernommen.

3. Festlegung einer maximalen Zeit bis zur Einstellung einer Prüfwechselspannung beziehungsweise Prüfgleichspannung (Kapitel 5.1.2, 5.2.2, 5.3.2, 6.1.2, 6.2.2, 6.3.2)

• die maximale Zeit zum Einstellen der Prüfspannung ausgehend vom halben Prüfspannungswert wird auf 10 s festgelegt.

Begründung: Anpassung an die entsprechende Prüfprozedur in IEC 60700-1.

4. Reduktion des Prüfsicherheitsfaktors ks 2 bei der Wechselspannungsprüfung von ursprünglich 1,2 auf 1,15 (Kapitel 6.3.2.2)

Begründung: Anpassung an den Wert des entsprechenden Prüfsicherheitsfaktors in IEC 60700-1.

5. AC-DC-Mischspannungssprüfung am TSC (Ventilbasis, Ventilturm und Ventil) (Kapitel 6.1.2, 6.2.2, 6.3.2)

• AC-DC-Mischspannung erfolgt nur noch während der einminütigen Isolationsprüfung

• bei der anschließenden Teilentladungsprüfspannung wird nur noch mit einer reinen AC-Spannung geprüft; die Prüfzeit reduziert sich von drei Stunden auf zehn Minuten; die TE-Impulsauswertung (üblich bei DC-TE-Prüfungen) entfällt

Begründung: Bei einem blockierenden TSC-Ventil moderner Bauform entlädt sich der TSC-Kondensator innerhalb weniger Minuten, sodass das Ventil anschließend nur mit einer reinen Wechselspannung belastet wird. Es kommt somit nicht zu einer lang andauernden Mischspannungsbelastung.

6. Minimum AC voltage test (Kapitel 5.4.2.2, 6.4.2.2)

• Festlegung eines Prüfsicherheitsfaktors für die Prüfspannung von 0,95

Begründung: bisher war kein Prüfsicherheitsfaktor definiert.

7. Production tests (Kapitel 8.9)

• Ergänzung der Liste der vorgeschlagenen Stückprüfungen an Thyristormodulen um eine Teilentladungsprüfung

Begründung: Anpassung an die bewährte Prüfsystematik der Norm IEC 60700-1.