Stromschaltung bei Phasenversatz in Hochspannungsschaltgeräten

Wenn zwei Teile eines elektrischen Netzes mit dem gleichen Betriebsspannungsniveau gekoppelt werden, tritt ein Phasenversatzschaltvorgang auf, wenn ihre äquivalenten Quellen unterschiedliche Phasenwinkel haben, wobei einige oder alle Phasen um 180° phasenversetzt sind. Während des Schaltvorgangs begegnet der Leistungsschalter Quellenspannungen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln, was zu phasenversetzten Strömen in der Verbindung führt. Diese Ströme müssen von den Leistungsschaltern auf beiden Seiten der Verbindung sicher unterbrochen werden.

Genauer gesagt führt der Phasenwinkeldifferenz zwischen den rotierenden Vektoren, die die Quellenspannungen darstellen, zu ungleichlaufenden Spannungswellenformen, was zu signifikanten Transientströmen und Spannungsspitzen beim Schalten führt. Für die transiente Wiederherstellungsspannung (TRV) ist dieser Schaltvorgang durch aktive Leistungquellen auf beiden Seiten des Leistungsschalters gekennzeichnet, was die Komplexität und die Herausforderungen des Schaltvorgangs erhöht.

Wie in Abbildung 1 gezeigt, nehmen wir an, dass die Stromquellen S1 und S2 zwei Quellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln darstellen. Wenn der Leistungsschalter zwischen diesen beiden Quellen schaltet, kann der Phasenwinkeldifferenz zu einem erheblichen Anstieg des Transientstroms führen, was höhere Unterbrechungsanforderungen an den Leistungsschalter stellt. Daher muss der Leistungsschalter ausreichende Fähigkeiten besitzen, um diese hochbelasteten Bedingungen zu bewältigen und sichere und zuverlässige Schaltvorgänge zu gewährleisten.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte

• Phasenversatzschaltung: Trifft ein, wenn zwischen zwei Quellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln geschaltet wird.

• Transientströme: Durch Phasenwinkeldifferenzen entstehen signifikante Transientströme.

• Transiente Wiederherstellungsspannung (TRV): Der Schaltvorgang beinhaltet aktive Leistungquellen auf beiden Seiten des Leistungsschalters, was die Komplexität erhöht.

• Anforderungen an den Leistungsschalter: Der Leistungsschalter muss in der Lage sein, hochbelastete Bedingungen zu bewältigen, um sichere und zuverlässige Schaltvorgänge zu gewährleisten.

In den zuvor diskutierten Fehlerschaltvorgängen geht die TRV-Komponente auf der Lastseite letztendlich auf Null. Bei der Phasenversatzschaltung hingegen fällt die TRV-Komponente auf der S2-Seite allmählich auf die Netzfrequenz-Wiederherstellungsspannung (RV) der S2-Quelle ab. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird angenommen, dass der Spannungsphasenunterschied zwischen den beiden Quellen 90° beträgt und die Kurzschlussreaktoren gleich hohe Impedanzen haben.

Daher ist das Hauptmerkmal der Phasenversatzschaltoperation außergewöhnlich hohe TRV-Spitzen, während die Steigerungsrate der Restriking-Spannung (RRRV) und der Strom relativ moderat bleiben. Da die TRV-Spitze bei Phasenversatzbedingungen die höchste aller Schaltvorgänge ist, wird sie normalerweise als Referenz für die Bewertung anderer komplexer Schaltbedingungen verwendet, wie zum Beispiel das Beseitigen von Fehlern auf langen Übertragungsleitungen oder das Behandeln von Fehlern auf serienkompensierten Leitungen.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:

• Lastseite-TRV: In allen Fällen fällt die TRV-Komponente auf der Lastseite auf Null. S2-Seiten-TRV bei Phasenversatz: Fällt auf die Netzfrequenz-Wiederherstellungsspannung (RV) der S2-Quelle ab.

• TRV-Spitze: Außergewöhnlich hoch bei Phasenversatzschaltungen.

• RRRV und Strom: Bleiben relativ moderat.

• Referenzstandard: Die TRV-Spitze bei Phasenversatzbedingungen ist die höchste, was sie zu einer gängigen Referenz für die Bewertung anderer komplexer Schaltbedingungen macht.

Merkmale der TRV bei Phasenversatzschaltungen

In den zuvor diskutierten Fehlerschaltvorgängen fällt die TRV-Komponente auf der Lastseite in allen Fällen auf Null. Bei der Phasenversatzschaltung fällt die TRV-Komponente auf der S2-Seite auf die Netzfrequenz-Wiederherstellungsspannung (RV) der S2-Quelle ab. Dieses Verhalten wird in Abbildung 2 veranschaulicht, wobei angenommen wird, dass der Spannungsphasenunterschied zwischen den beiden Quellen 90° beträgt und die Kurzschlussreaktoren als gleich groß betrachtet werden.

Verfeinerte Beschreibung

In den zuvor diskutierten Fehlerschaltvorgängen fällt die TRV-Komponente auf der Lastseite immer auf Null. Bei der Phasenversatzschaltung fällt die TRV-Komponente auf der S2-Seite auf die Netzfrequenz-Wiederherstellungsspannung (RV) der S2-Quelle ab. Wie in Abbildung 2 dargestellt, wird hier ein 90°-Phasenunterschied zwischen den beiden Stromquellen und gleiche Kurzschlussreaktoren angenommen.

Die wesentlichen Merkmale der Phasenversatzschaltoperation sind daher:

• Sehr hohe TRV-Spitzen: Die Spitzenwerte der TRV sind im Vergleich zu anderen Schaltmodi erheblich höher.

• Moderate RRRV und Strom: Die Steigerungsrate der Restriking-Spannung (RRRV) und die Stromwerte bleiben trotz der hohen TRV-Spitzen moderat.

Da die TRV-Spitze bei Phasenversatzbedingungen die höchste aller Schaltmodi ist, wird dieses Szenario oft als Referenz für die Bewertung anderer spezieller Schaltbedingungen verwendet, wie zum Beispiel:

• Beseitigung von Fehlern auf langen Übertragungsleitungen

• Behandlung von Fehlern auf serienkompensierten Leitungen

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:

• Lastseite-TRV: Geht in allen Fehlerschaltvorgängen auf Null.

• S2-Seiten-TRV bei Phasenversatz: Fällt auf die Netzfrequenz-Wiederherstellungsspannung (RV) der S2-Quelle ab.

• TRV-Spitze: Außergewöhnlich hoch bei Phasenversatzschaltungen.

• RRRV und Strom: Bleiben relativ moderat.

• Referenzstandard: Die TRV-Spitze bei Phasenversatzbedingungen ist die höchste, was sie zu einer gängigen Referenz für die Bewertung anderer komplexer Schaltbedingungen macht.

Abbildung 3 zeigt zwei Szenarien, die zu Phasenversatzbedingungen führen können. Im ersten Szenario (linke Abbildung) wird ein Generator versehentlich mit einem Leistungsschalter an das Netzwerk mit einem falschen Phasenwinkel angeschlossen. Im zweiten Szenario (rechte Abbildung) verlieren verschiedene Teile des Übertragungsnetzes die Synchronisation, oft aufgrund eines Kurzschlusses irgendwo im Netzwerk.

In beiden Fällen fließen phasenversetzte Ströme durch das Netzwerk, die von den Leistungsschaltern sicher unterbrochen werden müssen. Diese Situationen stellen erhebliche Herausforderungen für das Energiesystem dar, da der Phasenversatz zu hohen Transientströmen und Spannungen führen kann, was die Leistungsschalter in der Lage sein müssen, diese extremen Bedingungen effektiv zu bewältigen.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:

• Szenario 1 (Linke Abbildung): Ein Generator wird mit einem falschen Phasenwinkel an das Netzwerk angeschlossen, was zu einem Phasenversatz führt.

• Szenario 2 (Rechte Abbildung): Verschiedene Teile des Übertragungsnetzes verlieren die Synchronisation, typischerweise aufgrund eines Kurzschlusses, was zu einem Phasenversatz führt.

• Phasenversetzte Ströme: In beiden Szenarien fließen phasenversetzte Ströme durch das Netzwerk.

• Anforderungen an den Leistungsschalter: Die Leistungsschalter müssen diese phasenversetzten Ströme sicher unterbrechen, um die Systemstabilität und -sicherheit aufrechtzuerhalten.

Schalten zwischen Generator und System

Bei der Verwendung eines Spannungserhöhers kann das Schalten zwischen dem Generator und dem Energiesystem sowohl auf der Hochspannungs- (HV) Seite als auch auf der Mittelspannungs- (MV) Seite des Spannungserhöhers erfolgen. Dieses Schalten kann nicht nur während Systemfehlern oder Kraftwerksausfällen, sondern auch während Synchronisierungs- und Desynchronisierungsvorgängen stattfinden.

Die Schwere der Phasenversatzbedingungen hängt ab von:

• Phasenwinkeldifferenz: Je größer die Phasenwinkeldifferenz zwischen dem Generator und dem Netz, desto schwerwiegender ist die Phasenversatzbedingung.

• Rotoranregungszustand: Der Anregungszustand des Generatorenrotors beeinflusst ebenfalls die Schwere der Phasenversatzbedingung. Typischerweise reduziert das Anregungsregelsystem schnell die magnetische Feldstärke des Rotors, um den Einfluss der Phasenversatzbedingung zu minimieren.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, sind Kraftwerke mit verschiedenen Schutz- und Steuereinrichtungen ausgestattet:

• Aus-der-Schritt-Schutzeinrichtungen: Diese erkennen und verhindern, dass der Generator die Synchronisation mit dem Netz verliert.

• Synchronitätsprüfeinrichtungen: Diese stellen sicher, dass der Generator mit dem korrekten Phasenwinkel ans Netz angeschlossen wird, um Phasenversatzbedingungen zu vermeiden.

• Synchronisationssteuereinrichtungen: Diese helfen, eine reibungslose Synchronisation zwischen dem Generator und dem Netz zu erreichen.

Abbildung 4 illustriert diese typische Anordnung, indem sie die Verbindung zwischen dem Spannungserhöher, dem Generator und dem Energiesystem sowie die Konfiguration der zugehörigen Schutz- und Steuereinrichtungen zeigt.

Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:

• Schaltpunkt: Das Schalten zwischen dem Generator und dem Energiesystem kann sowohl auf der Hochspannungs- (HV) Seite als auch auf der Mittelspannungs- (MV) Seite des Spannungserhöhers erfolgen.

• Phasenversatzbedingungen: Die Schwere der Phasenversatzbedingungen hängt von der Phasenwinkeldifferenz und dem Rotoranregungszustand ab.

• Schutz- und Steuereinrichtungen: Kraftwerke sind mit Aus-der-Schritt-Schutzeinrichtungen, Synchronitätsprüfgeräten und Synchronisationssteuereinrichtungen ausgestattet, um sichere und zuverlässige Schaltvorgänge zu gewährleisten.

2-Schalten zwischen zwei Systemen:

Das Schalten zwischen zwei Energiesystemen findet in der Regel in Situationen mit Leistungsausgleich und Systeminstabilität statt. Beispiele dafür sind große Systemstörungen, Situationen während der Systemwiederherstellung und aufgrund des Fehlfunktionieren von Schutzeinrichtungen.

Wichtige Übertragungsleitungen können mit einem Phasenversatzblock in ihrem Schutzsystem ausgestattet sein und/oder ein spezielles systemweiter Schutz kann angewendet werden, um die Trennung der Systeme unter schweren Phasenversatzbedingungen zu verhindern.

Schlussfolgerungen zu Phasenversatzphänomenen:

• Die nominellen Phasenversatzströme wurden vorgeschlagen, 25% des nominellen Kurzschlussstroms zu betragen. Aus wirtschaftlichen und statistischen Gründen wurden Mindestspitzenwerte aus den TRV-Analysen vorgeschlagen: eine RV von 2,0 p.u. und ein Überschwingen von 25%.

• Da die Systemtrennung mit kaskadierendem Auslösen von Freileitungen und damit einer Erhöhung der Systemimpedanz einhergeht, scheint ein Maximalwert von 25% des nominellen Kurzschlussstroms auch heute noch vernünftig zu sein. Der Maximalwert des Phasenversatzstroms ist ein wichtiger Parameter für die Leistungsfähigkeit von Hochspannungsleistungsschaltern.

• Große Störungen zeigen Phasenversatzwinkel, die viel größer als die 105° bis 115°-Werte sind, die mit den TRV-Spitzenwerten in den Normen verbunden sind. Dies gilt sowohl für radial als auch für verzweigte Netze; jedoch haben historische Ereignisse gezeigt, dass große Phasenversatzwinkel zur gleichen Zeit wie niedrige Betriebsspannungen auftreten können. Die Kombination eines großen Phasenversatzwinkels und einer niedrigen Betriebsspannung ergibt TRV-Spitzenwerte, die denen in den Normen für Situationen mit einem relativ geringen Phasenversatzwinkel und Nennspannung (maximale Betriebsspannung) entsprechen.

• Leistungsschalter im Übertragungssystem, die herkömmliche Kraftwerke verbinden oder trennen, können auch Phasenversatzschaltungen ausgesetzt sein. Um Kraftwerke während unstabiler Leistungsschwankungen zu trennen, gelten die gleichen Überlegungen wie für die Systemtrennung, jedoch mit der Berücksichtigung, dass möglicherweise eine Transformatorbegrenzte Fehlerprüfung angegeben werden muss.

• Um Kraftwerke aufgrund fehlerhafter Synchronisation zu trennen, gelten ähnliche Bedingungen und Anforderungen wie für Mittelspannungs-Generatorleistungsschalter, und Simulationen sind notwendig, um zu beurteilen, ob ein Design seine Aufgabe erfüllen kann. Solche Simulationen sollten die Reaktionszeit der Schutzeinrichtungen, das Absinken der Generatorspannung und die Beschleunigung/Verlangsamung des Rotors berücksichtigen, um festzustellen, ob der Phasenversatzstrom und die TRV nach falscher Synchronisation der Generatoren die vom Benutzer vorgegebenen Bedingungen, wie z.B. 180°, erfüllen.