Ang pagpapalit sa kasalukuyang hindi nasa phase sa mga High Voltage Circuit Breakers

Kapag dalawang bahagi ng isang elektrikal na network na may parehong operating voltage ay naka-couple, ang phase displacement switching phenomenon ay nangyayari kung ang kanilang equivalent sources ay may iba't ibang phase angles, kung saan ang ilan o lahat ng phases ay 180° out of phase. Sa panahon ng switching operation, ang circuit breaker ay nakakakontak sa source voltages na may iba't ibang phase angles, nagresulta sa pagkakaroon ng phase-displaced currents sa connection. Ang mga current na ito ay dapat ma-interrupt nang maaring taya ng circuit breakers sa parehong sides ng connection.

Partikular, ang phase angle difference sa pagitan ng mga rotating vectors na kumakatawan sa source voltages ay nagresulta sa out-of-sync instantaneous voltage waveforms, nagdudulot ng significant transient currents at voltage stresses sa oras ng switching. Para sa transient recovery voltage (TRV), ang switching task na ito ay characterized ng active power sources sa parehong sides ng circuit breaker, nagdudulot ng mas mahirap at hamis na switching operation.

Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, i-assume na ang power sources S1 at S2 ay kumakatawan sa dalawang sources na may iba't ibang phase angles. Kapag ang circuit breaker ay nag-switch sa pagitan ng dalawang sources na ito, ang phase angle difference ay maaaring mag-lead sa substantial increase sa transient current, nag-iimpose ng mas mataas na breaking demands sa circuit breaker. Kaya, ang circuit breaker ay dapat may sapat na capability upang makahandle ng mga high-stress conditions, nagsisiguro ng ligtas at reliable switching operations.

Key Points Summary

• Phase Displacement Switching: Nangyayari kapag nag-switch sa pagitan ng dalawang sources na may iba't ibang phase angles.

• Transient Currents: Significant transient currents ang ginagawa dahil sa phase angle differences.

• Transient Recovery Voltage (TRV): Ang switching task ay kasama ang active power sources sa parehong sides ng circuit breaker, nagdudulot ng mas mahirap na complexity.

• Circuit Breaker Requirements: Ang circuit breaker ay dapat may kakayahan upang makahandle ng high-stress conditions upang matiyak ang ligtas at reliable switching operations.

Sa naunang napagusapan na fault switching tasks, ang Transient Recovery Voltage (TRV) component sa load side ay ultimately decays to zero. Gayunpaman, sa phase displacement switching, ang TRV component sa S2 side ay gradual na decays to the power frequency recovery voltage (RV) ng S2 source. Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, ina-assume na ang voltage phase difference sa pagitan ng dalawang sources ay 90°, at ang short-circuit reactors ay may equal impedance.

Kaya, ang primary feature ng phase displacement switching operation ay exceptionally high TRV peaks, habang ang Rate of Rise of Restriking Voltage (RRRV) at current ay nananatiling relatively moderate. Dahil ang TRV peak under phase displacement conditions ay ang pinakamataas sa lahat ng switching operations, ito ay karaniwang ginagamit bilang benchmark para sa pagsusuri ng iba pang complex switching conditions, tulad ng clearing faults sa long-distance transmission lines o handling faults sa series-compensated lines.

Key Points Summary:

• Load-side TRV: Sa lahat ng cases, ang TRV component sa load side ay decays to zero. S2-side TRV in Phase Displacement: Decays to the power frequency recovery voltage (RV) ng S2 source.

• TRV Peak: Exceptionally high under phase displacement switching.

• RRRV and Current: Nananatiling relatively moderate.

• Reference Standard: Ang TRV peak under phase displacement conditions ay ang pinakamataas, kaya ito ay common reference para sa pagsusuri ng iba pang complex switching conditions.

Characteristics of TRV in Phase Displacement Switching

Sa naunang napagusapan na fault switching scenarios, ang Transient Recovery Voltage (TRV) component sa load side ay decays to zero sa lahat ng cases. Gayunpaman, sa phase displacement switching, ang TRV component sa S2 side ay decays to the power frequency recovery voltage (RV) ng S2 source. Ito ay ipinapakita sa Figure 2, kung saan ina-assume na ang voltage phase difference sa pagitan ng dalawang sources ay 90°, at ang short-circuit reactors ay considered equal.

Refined Description

Sa naunang napagusapan na fault switching scenarios, ang Transient Recovery Voltage (TRV) component sa load side ay always decays to zero. Gayunpaman, sa phase displacement switching, ang TRV component sa S2 side ay decays to the power frequency recovery voltage (RV) ng S2 source. Tulad ng ipinapakita sa Figure 2, ito ay ina-assume na 90° phase difference sa pagitan ng dalawang power sources at equal short-circuit reactors.

Kaya, ang key characteristics ng phase displacement switching operation ay:

• Very High TRV Peaks: Ang peak values ng TRV ay significantly higher compared sa iba pang switching modes.

• Moderate RRRV and Current: Ang Rate of Rise of Restriking Voltage (RRRV) at current levels ay nananatiling moderate, bagamat ang high TRV peaks.

Dahil ang TRV peak under phase displacement conditions ay ang pinakamataas sa lahat ng switching modes, ang scenario na ito ay karaniwang ginagamit bilang reference para sa pagsusuri ng iba pang special switching conditions, tulad ng:

• Clearing faults sa long transmission lines

• Handling faults sa series-compensated lines

Key Points Summary:

• Load-side TRV: Always decays to zero sa lahat ng fault switching scenarios.

• S2-side TRV in Phase Displacement: Decays to the power frequency recovery voltage (RV) ng S2 source.

• TRV Peak: Exceptionally high under phase displacement switching.

• RRRV and Current: Nananatiling relatively moderate.

• Reference Standard: Ang TRV peak under phase displacement conditions ay ang pinakamataas, kaya ito ay common benchmark para sa pagsusuri ng iba pang complex switching conditions.

Ang Figure 3 ay nagpapakita ng dalawang scenarios na maaaring mag-lead sa phase displacement conditions. Sa unang scenario (left image), ang generator ay inadvertent na konektado sa grid ng circuit breaker sa incorrect phase angle. Sa ikalawang scenario (right image), ang iba't ibang bahagi ng transmission network ay nawalan ng synchronization, madalas dahil sa short circuit na nangyayari sa network.

Sa parehong cases, ang phase-displaced currents ay lumalabas sa network, kung saan dapat ma-interrupt nang maaring taya ng circuit breakers. Ang mga sitwasyon na ito ay nagbibigay ng significant challenges sa power system, dahil ang phase displacement ay maaaring mag-lead sa high transient currents at voltages, nangangailangan ang circuit breakers na makahandle ng mga extreme conditions nang epektibo.

Key Points Summary:

• Scenario 1 (Left Image): Ang generator ay konektado sa grid sa incorrect phase angle, nag-lead sa phase displacement.

• Scenario 2 (Right Image): Ang iba't ibang bahagi ng transmission network ay nawalan ng synchronization, madalas dahil sa short circuit, nag-cause ng phase displacement.

• Phase-Displaced Currents: Sa parehong scenarios, ang phase-displaced currents ay lumalabas sa network.

• Circuit Breaker Requirement: Ang circuit breakers ay dapat reliably interrupt ang mga phase-displaced currents upang mapanatili ang system stability at safety.

Switching Between Generator and System

Kapag gumagamit ng step-up transformer, ang switching between the generator at the power system ay maaaring mangyari sa high-voltage (HV) side o medium-voltage (MV) side ng transformer. Ang switching na ito ay maaaring mangyari hindi lamang sa panahon ng system faults o power plant trips kundi pati na rin sa synchronization at desynchronization events.

The severity of out-of-phase conditions depends on:

• Phase Angle Difference: Ang mas malaking phase angle difference sa pagitan ng generator at grid, ang mas severe ang out-of-phase condition.

• Rotor Excitation State: Ang level ng excitation sa rotor ng generator ay nag-aapekto sa severity ng out-of-phase condition. Karaniwan, ang excitation control system ay mabilis na reduce ang magnetic field strength ng rotor upang minimize ang impact ng out-of-phase condition.

Upang harapin ang mga hamon na ito, ang power plants ay equipped ng iba't ibang protective at control devices:

• Out-of-Step Protection Devices: Ito ay detect at prevent ang generator mula sa pagkawala ng synchronization sa grid.

• Synchronism Check Devices: Ito ay ensure na ang generator ay konektado sa grid sa correct phase angle, preventing out-of-phase conditions.

• Synchronization Control Equipment: Ito ay tumutulong sa achievement ng smooth synchronization sa pagitan ng generator at grid.

Ang Figure 4 ay nagpapakita ng typical layout, showing the connection between the step-up transformer, the generator, at the power system, as well as the configuration of the associated protective at control devices.

Key Points Summary:

• Switching Location: Ang switching between the generator at the power system ay maaaring mangyari sa high-voltage (HV) side o medium-voltage (MV) side ng step-up transformer.

• Out-of-Phase Conditions: Ang severity ng out-of-phase conditions ay depende sa phase angle difference at rotor excitation state.

• Protective and Control Devices: Ang power plants ay equipped ng out-of-step protection, synchronism check devices, at synchronization control equipment upang matiyak ang ligtas at reliable switching operations.

2-Switching between Two Systems:

Ang switching between two power systems ay karaniwang nangyayari sa sitwasyon na may power unbalance at system instability. Halimbawa, ito ay nangyayari sa large system disturbances, situations during system restoration, at due to the mis-operation ng protection systems.

Ang mas mahalagang transmission lines ay maaaring equipped ng out-of-phase blocking sa kanilang protection system at/o ang special system-wide protection ay maaaring i-apply upang maiwasan ang separation ng systems under severe out-of-phase conditions.

Conclusions of out-of-phase phenomena:

• Ang rated out-of-phase currents ay proposed na 25% ng rated short-circuit current. Para sa economic at statistical reasons, ang minimum peak values mula sa TRV analyses ay proposed: a RV of 2.0 p.u. at an overshoot of 25%.

• Bilang resulta ng system separation na kasama ang cascading tripping ng overhead lines at thus an increase sa system impedance, ang maximum value ng 25% ng rated short circuit current ay reasonable, kahit ngayon. Ang maximum value ng out-of-phase current ay isang important parameter para sa high voltage circuit breaker capabilities.

• Ang large disturbances ay nagpapakita ng out-of-phase angles na mas malaki kaysa sa 105 degree to 115 degree values na associated sa TRV peak values sa standards. Ito ay applicable sa radial at meshed networks; gayunpaman, ang historical events ay nagpapakita na ang large out-of-phase angles ay maaaring mag-occur sa parehong oras ng low operating voltages. Ang combination ng large out-of-phase angle at low operating voltage ay nagbibigay ng TRV peak values na similar sa mga mentioned sa standards para sa situations na may relatively low out-of-phase angle at rated voltage (maximum operating voltage).

• Ang transmission system circuit breakers na ginagamit para konektin o disconnectin conventional power plants ay maaaring maging subjected sa out-of-phase switching din. Upang disconnectin ang power plants sa panahon ng unstable power swings, ang same considerations para sa system separation ay applicable, subalit with care para sa possibility na ang transformer limited fault test condition ay dapat specified.

• Upang disconnectin ang power plants dahil sa faulty synchronization, ang similar conditions at requirements na described para sa medium voltage generator circuit breakers ay applicable, at simulations ay necessary upang judge kung ang design ay makakapag-fulfill ng duty. Ang simulations ng mga event na ito ay dapat kasama ang response time ng protection systems, ang depression phenomenon ng generator voltage, at ang acceleration/deceleration ng rotor upang identify kung ang out-of-phase current at TRV after false synchronization ng generators ay cover ang conditions prescribed ng user, halimbawa, 180 degree.