Strømskift uden for fase i højspændingsbrydere

Når to dele af et elektrisk netværk med samme driftsspanning er forbundet, forekommer der en faseforskydningsswitching-fænomen, hvis deres ekvivalente kilder har forskellige fasesvinkler, hvor nogle eller alle faser er 180° ude af fase. Under switching-operationen møder kredsløbsbryderen kilde-spændinger med forskellige fasesvinkler, hvilket fører til, at der opstår faseforskydte strømme i forbindelsen. Disse strømme skal pålideligt afbrydes af kredsløbsbryderne på begge sider af forbindelsen.

Specifikt resulterer fasesvinkleforskellen mellem de roterende vektorer, der repræsenterer kilde-spændingerne, i asynkrone øjeblikkelige spændningsbølger, hvilket forårsager betydelige midlertidige strømme og spændningsbelastninger i det øjeblik, hvor switching foretages. For midlertidig genoprettelsesspænding (TRV) er denne switching-opgave karakteriseret ved aktive effektkilder på begge sider af kredsløbsbryderen, hvilket øger kompleksiteten og udfordringerne ved switching-operationen.

Som vist på figur 1, antages det, at effektkilder S1 og S2 repræsenterer to kilder med forskellige fasesvinkler. Når kredsløbsbryderen switcher mellem disse to kilder, kan fasesvinkleforskellen føre til en betydelig stigning i midlertidig strøm, hvilket stiller højere krav til kredsløbsbryderen. Derfor skal kredsløbsbryderen have tilstrækkelig kapacitet til at håndtere disse højestressede forhold for at sikre sikker og pålidelig switching-operation.

Nøglepunkter:

• Faseforskydningsswitching: Forekommer, når der switches mellem to kilder med forskellige fasesvinkler.

• Midlertidige strømme: Betragtelige midlertidige strømme opstår på grund af fasesvinkleforskelle.

• Midlertidig genoprettelsesspænding (TRV): Switching-opgaven involverer aktive effektkilder på begge sider af kredsløbsbryderen, hvilket øger kompleksiteten.

• Krav til kredsløbsbryder: Kredsløbsbryderen skal være i stand til at håndtere højestressede forhold for at sikre sikker og pålidelig switching-operation.

I de tidligere diskuterede fejlswitching-opgaver, går TRV-komponenten på lastside til sidst ned til nul. I faseforskydningsswitching, går TRV-komponenten på S2-side gradvist ned til netspændingsgenoprettelsesspændingen (RV) af S2-kilden. Som vist på figur 2, antages det, at spændingsfasesvinkelforskellen mellem de to kilder er 90°, og kortslutningsreaktorerne har lige impedans.

Derfor er den primære egenskab ved faseforskydningsswitching-operationen ekstremt høje TRV-toppe, mens hastigheden i stigningen af restrikingsspændingen (RRRV) og strømmen forbliver relativt moderate. Efter at TRV-toppen under faseforskydning er den højeste blandt alle switching-operationer, bruges den typisk som reference for at evaluere andre komplekse switching-betingelser, såsom fjernelse af fejl på langafstandsoverføringslinjer eller håndtering af fejl på seriekompenseret linjer.

Nøglepunkter:

• Lastside TRV: I alle tilfælde går TRV-komponenten på lastside ned til nul. S2-side TRV i Faseforskydning: Går ned til netspændingsgenoprettelsesspændingen (RV) af S2-kilden.

• TRV Top: Ekstremt høj under faseforskydningsswitching.

• RRRV og Strøm: Forbliver relativt moderate.

• Referencenorm: TRV-toppen under faseforskydning er den højeste, hvilket gør den til en almindelig reference for at evaluere andre komplekse switching-betingelser.

Egenskaber ved TRV i faseforskydningsswitching

I de tidligere diskuterede fejlswitching-scenarier, går TRV-komponenten på lastside til nul i alle tilfælde. I faseforskydningsswitching, går TRV-komponenten på S2 side ned til netspændingsgenoprettelsesspændingen (RV) af S2 kilden. Dette adfærd er illustreret i figur 2, hvor det antages, at spændingsfasesvinkelforskellen mellem de to kilder er 90°, og kortslutningsreaktorerne er ligeværdige.

Raffineret beskrivelse

I de tidligere diskuterede fejlswitching-scenarier, går TRV-komponenten på lastside altid ned til nul. I faseforskydningsswitching, går TRV-komponenten på S2 side ned til netspændingsgenoprettelsesspændingen (RV) af S2 kilden. Som vist i figur 2, antages der en 90° fasesvinkelforskel mellem de to effektkilder og lige kortslutningsreaktorer.

Derfor er de vigtigste egenskaber ved faseforskydningsswitching-operationen:

• Meget høje TRV-toppe: TRV-topværdierne er betydeligt højere sammenlignet med andre switching-tilstande.

• Moderate RRRV og Strøm: Hastigheden i stigningen af restrikingsspændingen (RRRV) og strømniveauer forbliver moderate, trods de høje TRV-toppe.

Efter at TRV-toppen under faseforskydning er den højeste blandt alle switching-tilstande, bruges dette scenarie ofte som reference for at evaluere andre specielle switching-betingelser, såsom:

• Fjernelse af fejl på lange overføringslinjer

• Håndtering af fejl på seriekompenseret linjer

Nøglepunkter:

• Lastside TRV: Går altid ned til nul i alle fejlswitching-scenarier.

• S2-side TRV i Faseforskydning: Går ned til netspændingsgenoprettelsesspændingen (RV) af S2 kilden.

• TRV Top: Ekstremt høj under faseforskydningsswitching.

• RRRV og Strøm: Forbliver relativt moderate.

• Referencenorm: TRV-toppen under faseforskydning er den højeste, hvilket gør den til en almindelig benchmark for at evaluere andre komplekse switching-betingelser.

Figur 3 viser to scenarier, der kan føre til faseforskydning. I det første scenarie (venstre billede), forbinder en generator forkert til nettet af en kredsløbsbryder ved en forkert fasesvinkel. I det andet scenarie (højre billede), mister forskellige dele af overføringsnettet synkronisering, ofte på grund af en kortslutning et sted i nettet.

I begge tilfælde løber faseforskydte strømme igennem nettet, som må pålideligt afbrydes af kredsløbsbryderne. Disse situationer stiller betydelige udfordringer for effektsystemet, da faseforskydningen kan resultere i høje midlertidige strømme og spændinger, hvilket kræver, at kredsløbsbryderne håndterer disse ekstreme forhold effektivt.

Nøglepunkter:

• Scenarie 1 (Venstre billede): En generator forbinder sig til nettet ved en forkert fasesvinkel, hvilket fører til faseforskydning.

• Scenarie 2 (Højre billede): Forskellige dele af overføringsnettet mister synkronisering, typisk på grund af en kortslutning, hvilket fører til faseforskydning.

• Faseforskydte Strømme: I begge scenarier løber faseforskydte strømme igennem nettet.

• Krav til Kredsløbsbryder: Kredsløbsbryderne må pålideligt afbryde disse faseforskydte strømme for at opretholde systemets stabilitet og sikkerhed.

Switching mellem Generator og System

Når en spændingsforhøjende transformer anvendes, kan switching mellem generatoren og effektsystemet forekomme enten på højspændings (HV) siden eller mediumspændings (MV) siden af transformeren. Denne switching kan ske ikke kun under systemfejl eller kraftværksstop, men også under synkroniserings- og desynkroniseringsbegivenheder.

Sværheden af ude-af-fase-betingelser afhænger af:

• Fasesvinkelforskel: Jo større fasesvinkelforskel mellem generatoren og nettet, jo mere alvorlig er ude-af-fase-betingelsen.

• Rotoropspændingsstatus: Niveauet af opspænding i generatorrotoren påvirker også sværheden af ude-af-fase-betingelsen. Typisk vil opspændingskontrolsystemet hurtigt reducere rotorens magnetfeltstyrke for at minimere effekten af ude-af-fase-betingelsen.

For at tackle disse udfordringer er kraftværker udstyret med forskellige beskyttelses- og kontrolenheder:

• Ude-af-trin beskyttelsesenheder: Disse opdager og forhindrer, at generatoren mister synkronisering med nettet.

• Synkroniseringskontrolenheder: Disse sikrer, at generatoren forbinder sig til nettet ved den korrekte fasesvinkel, hvilket forhindrer ude-af-fase-betingelser.

• Synkroniseringskontrolequipment: Disse hjælper med at opnå en jævn synkronisering mellem generatoren og nettet.

Figur 4 illustrerer dette typiske layout, der viser forbindelsen mellem spændingsforhøjende transformeren, generatoren og effektsystemet, samt konfigurationen af de tilhørende beskyttelses- og kontrolenheder.

Nøglepunkter:

• Switching Placering: Switching mellem generatoren og effektsystemet kan forekomme enten på højspændings (HV) siden eller mediumspændings (MV) siden af spændingsforhøjende transformeren.

• Ude-af-fase Betingelser: Sværheden af ude-af-fase-betingelser afhænger af fasesvinkelforskellen og rotoropspændingsstatus.

• Beskyttelses- og Kontrolenheder: Kraftværker er udstyret med ude-af-trin beskyttelse, synkroniseringskontrolenheder og synkroniseringskontrolequipment for at sikre sikker og pålidelig switching-operation.

2-Switching mellem to Systemer:

Switching mellem to effektsystemer forekommer typisk i situationer med effektmangel og systeminstabilitet. Eksempler refererer til store systemforstyrrelser, situationer under systemgendannelse og på grund af misoperation af beskyttelsessystemer.

De vigtigste overføringslinjer kan være udstyret med ude-af-trin blokering i deres beskyttelsessystem og/eller et specialt systembredt beskyttelsessystem kan anvendes for at forhindre separation af systemerne under alvorlige ude-af-fase-betingelser.

Konklusioner om ude-af-fase-fænomener:

• Den nominerede ude-af-fase-strøm foreslås at være 25% af den nominerede kortslutningsstrøm. Af økonomiske og statistiske årsager er minimumstopværdier fra TRV-analyser foreslået: en RV på 2,0 p.u. og en overspring på 25%.

• Da systemseparation går med kaskaderende stop af overføringslinjer og dermed en stigning i systemimpedansen, ser en maksimal værdi på 25% af den nominerede kortslutningsstrøm ud til at være rimelig, selv i dag. Den maksimale værdi af ude-af-fase-strømmen er en vigtig parameter for højspændingskredsløbsbrydere.

• Store forstyrrelser viser ude-af-fase-vinkler, der er meget større end de 105-115 grader, der er associeret med TRV-topværdierne i standarderne. Dette gælder både for radielle og meshede netværk; dog har historiske begivenheder vist, at store ude-af-fase-vinkler kan forekomme samtidig med lave driftsspændinger. Sammenhængen af en stor ude-af-fase-vinkel og lav driftsspænding resulterer i TRV-topværdier, der er lignende dem, der er nævnt i standarderne for situationer med en relativt lav ude-af-fase-vinkel og nomineret spænding (maksimum driftsspænding).

• Overførings-systemets kredsløbsbrydere, der anvendes til at forbinde eller afbryde konventionelle kraftværker, kan også være udsat for ude-af-fase-switching. For at afbryde kraftværker under ustabile effektsvingninger, er de samme overvejelser gældende som for systemseparation, dog med forsigtighed for muligheden for, at en transformerbegrænset fejltest-betingelse skal specificeres.

• For at afbryde kraftværker på grund af fejlfuld synkronisering, er de samme betingelser og krav gældende som beskrevet for mediumspændingsgenerator-kredsløbsbrydere, og simuleringer er nødvendige for at vurdere, om en design kan opfylde pligten. Simuleringer af sådanne begivenheder bør inkludere reaktionsperioden for beskyttelsessystemer, generatorspændingens depression, og acceleration/deceleration af rotoren for at identificere, om ude-af-fase-strømmen og TRV efter falsk synkronisering af generatorer dækker de betingelser, der er preskriberede af brugeren, for eksempel 180 grader.