Prekidanje niske struje izvan faze u visokonaponskim prekidačima

Kada su dvije dijelove električne mreže s istim radnim naponom spojene, javlja se fenomen preklapanja faza ako imaju različite kutove faze, s nekim ili svim fazama koje su 180° izvan faze. Tijekom operacije prebacivanja, prekidač struje susreće naponske izvore s različitim kutovima faze, što dovodi do prisutnosti fazi-izvrnutih struja u vezi. Te struje moraju pouzdano prekinuti prekidači struje na obje strane veze.

Konkretno, razlika u kutu faze između rotirajućih vektora koji predstavljaju naponske izvore rezultira asinkronim trenutnim valnim oblicima napona, što uzrokuje značajne privremene struje i naponske stresove u trenutku prebacivanja. Za privremenu oporavnu napetost (TRV), ova operacija prebacivanja karakterizira se aktivnim naponskim izvorima na obje strane prekidača struje, povećavajući složenost i izazove operacije prebacivanja.

Kao što je prikazano na Slici 1, pretpostavimo da izvori struje S1 i S2 predstavljaju dva izvora s različitim kutovima faze. Kada prekidač struje prebaci između ovih dva izvora, razlika u kutu faze može dovesti do značajnog porasta privremenih struja, čime se povećavaju zahtjevi za prekidanjem prekidača struje. Stoga prekidač struje mora imati dovoljnu sposobnost za obradu tih uvjeta visokog stresa kako bi osigurao sigurne i pouzdane operacije prebacivanja.

Podsumiranje ključnih točaka

• Preklapanje faza: Događa se kada se prebaci između dva izvora s različitim kutovima faze.

• Privremene struje: Značajne privremene struje generiraju se zbog razlike u kutu faze.

• Privremena oporavna napetost (TRV): Operacija prebacivanja uključuje aktivne naponske izvore na obje strane prekidača struje, povećavajući složenost.

• Zahtjevi prekidača struje: Prekidač struje mora biti sposoban obraditi uvjete visokog stresa kako bi osigurao sigurne i pouzdane operacije prebacivanja.

U prethodno raspravljenim zadatacima prebacivanja grešaka, komponenta privremene oporavne napetosti (TRV) na strani opterećenja konačno opada na nulu. Međutim, u preklapanju faza, komponenta TRV na strani S2 postepeno opada na oporavnu napetost (RV) na frekvenciji struje izvora S2. Kao što je prikazano na Slici 2, pretpostavlja se da je razlika u kutu faze između dva izvora 90°, a reaktori kratkog spoja imaju jednaku impedanciju.

Stoga glavna značajka operacije preklapanja faza jest izuzetno visoki vrhovi TRV, dok brzina rasta napetosti ponovnog upaljenja (RRRV) i struja ostaju relativno umjerene. Budući da je vrh TRV pod uvjetima preklapanja faza najviši među svim operacijama prebacivanja, obično se koristi kao referentni standard za procjenu drugih složenih uvjeta prebacivanja, poput isključivanja grešaka na daljinskim linijama prijenosa ili obrade grešaka na serijalno-kompensiranim linijama.

Podsumiranje ključnih točaka:

• TRV na strani opterećenja: U svim slučajevima, komponenta TRV na strani opterećenja opada na nulu. TRV na strani S2 u preklapanju faza: Opada na oporavnu napetost (RV) na frekvenciji struje izvora S2.

• Vrh TRV: Izuzetno visok pod uvjetima preklapanja faza.

• RRRV i struja: Ostaju relativno umjerene.

• Referentni standard: Vrh TRV pod uvjetima preklapanja faza je najviši, što ga čini uobičajenim referentnim standardom za procjenu drugih složenih uvjeta prebacivanja.

Značajke TRV u preklapanju faza

U prethodno raspravljenim scenarijima prebacivanja grešaka, komponenta privremene oporavne napetosti (TRV) na strani opterećenja opada na nulu u svim slučajevima. Međutim, u preklapanju faza, komponenta TRV na strani S2 opada na oporavnu napetost (RV) na frekvenciji struje izvora S2. Ovo ponašanje je prikazano na Slici 2, gdje se pretpostavlja da je razlika u kutu faze između dva izvora 90°, a reaktori kratkog spoja smatraju se jednaki.

Refinirano opis

U prethodno raspravljenim scenarijima prebacivanja grešaka, komponenta privremene oporavne napetosti (TRV) na strani opterećenja uvijek opada na nulu. Međutim, u preklapanju faza, komponenta TRV na strani S2 opada na oporavnu napetost (RV) na frekvenciji struje izvora S2. Kao što je prikazano na Slici 2, pretpostavlja se razlika u kutu faze od 90° između dva izvora struje i jednaki reaktori kratkog spoja.

Stoga su ključne značajke operacije preklapanja faza:

• Izuzetno visoki vrhovi TRV: Vrhovne vrijednosti TRV su značajno više u usporedbi s drugim modovima prebacivanja.

• Umjerene RRRV i struja: Brzina rasta napetosti ponovnog upaljenja (RRRV) i razine struja ostaju umjerene, unatoč visokim vrhovima TRV.

Budući da je vrh TRV pod uvjetima preklapanja faza najviši među svim modovima prebacivanja, ovaj scenarij često se koristi kao referentni standard za procjenu drugih posebnih uvjeta prebacivanja, poput:

• Isključivanje grešaka na dalekim linijama prijenosa

• Obrada grešaka na serijalno-kompensiranim linijama

Podsumiranje ključnih točaka:

• TRV na strani opterećenja: Uvijek opada na nulu u svim scenarijima prebacivanja grešaka.

• S2-strana TRV u preklapanju faza: Opada na oporavnu napetost (RV) na frekvenciji struje izvora S2 izvora.

• Vrh TRV: Izuzetno visok pod uvjetima preklapanja faza.

• RRRV i struja: Ostaju relativno umjerene.

• Referentni standard: Vrh TRV pod uvjetima preklapanja faza je najviši, što ga čini uobičajenim referentnim standardom za procjenu drugih složenih uvjeta prebacivanja.

Slika 3 ilustrira dva scenarija koji mogu dovesti do uvjeta preklapanja faza. U prvom scenariju (lijeva slika), generator je nezamjerno povezan na mrežu prekidačem struje na pogrešnom kutu faze. U drugom scenariju (desna slika), različiti dijelovi mreže prijenosa gube sinhronizaciju, često zbog događaja kratkog spoja negdje u mreži.

U oba slučaja, struje s preklapanjem faza protječu kroz mrežu, koje moraju pouzdano prekinuti prekidači struje. Ovi situaciji predstavljaju značajne izazove za sustav snage, jer preklapanje faza može dovesti do visokih privremenih struja i napona, zahtijevajući da prekidači struje efektivno obrade te ekstremne uvjete.

Podsumiranje ključnih točaka:

• Scenarij 1 (Lijeva slika): Generator je povezan na mrežu na pogrešnom kutu faze, što dovodi do preklapanja faza.

• Scenarij 2 (Desna slika): Različiti dijelovi mreže prijenosa gube sinhronizaciju, obično zbog događaja kratkog spoja, što dovodi do preklapanja faza.

• Struje s preklapanjem faza: U oba scenarija, struje s preklapanjem faza protječu kroz mrežu.

• Zahtjevi prekidača struje: Prekidači struje moraju pouzdano prekinuti te struje s preklapanjem faza kako bi održali stabilnost i sigurnost sustava.

Prebacivanje između generatora i sustava

Kada se koristi transformator za povećanje napona, prebacivanje između generatora i sustava snage može se dogoditi na strani visokog napona (HV) ili srednjeg napona (MV) transformatora. Ovo prebacivanje može se dogoditi ne samo tijekom grešaka u sustavu ili padova elektrane, već i tijekom sinkronizacije i desinkronizacije.

Tezina uvjeta izvan faze ovisi o:

• Razlika u kutu faze: Veća razlika u kutu faze između generatora i mreže, veća je težina uvjeta izvan faze.

• Stanje rotorne pobude: Nivo pobude u rotoru generatora također utječe na težinu uvjeta izvan faze. Obično, sustav kontrole pobude brzo smanji jakost magnetskog polja rotora kako bi smanjio utjecaj uvjeta izvan faze.

Da bi se suočili s ovim izazovima, elektrane su opremljene različitim zaštitnim i kontrolnim uređajima:

• Uređaji za zaštitu od izvanfaznosti: Ovi detektiraju i sprečavaju generator da izgubi sinhronizaciju s mrežom.

• Uređaji za provjeru sinhronizacije: Ovi osiguravaju da generator bude povezan na mrežu na ispravnom kutu faze, sprečavajući uvjete izvan faze.

• Oprema za kontrolu sinhronizacije: Ovi pomažu u postizanju gladke sinhronizacije između generatora i mreže.

Slika 4 ilustrira ovu tipičnu raspodjelu, pokazujući vezu između transformatora za povećanje napona, generatora i sustava snage, kao i konfiguraciju pridruženih zaštitnih i kontrolnih uređaja.

Podsumiranje ključnih točaka:

• Lokacija prebacivanja: Prebacivanje između generatora i sustava snage može se dogoditi na strani visokog napona (HV) ili srednjeg napona (MV) transformatora za povećanje napona.

• Uvjeti izvan faze: Težina uvjeta izvan faze ovisi o razlici u kutu faze i stanju rotorne pobude.

• Zaštitni i kontrolni uređaji: Elektrane su opremljene uređajima za zaštitu od izvanfaznosti, uređajima za provjeru sinhronizacije i opremom za kontrolu sinhronizacije kako bi osigurali sigurne i pouzdane operacije prebacivanja.

2-Prebacivanje između dva sustava:

Prebacivanje između dva sustava snage obično se događa u situacijama s neravnotežom snage i nestabilnosti sustava. Primjeri se odnose na velike perturbacije sustava, situacije tijekom obnovljenja sustava i zbog pogrešnog rada zaštitnih sustava.

Važnije linije prijenosa mogu biti opremljene blokadom izvanfaznosti u njihovim zaštitnim sustavima i/ili se može primijeniti specijalna širokojaminska zaštita kako bi se spriječilo odvajanje sustava pod teškim uvjetima izvanfaznosti.

Zaključci o fenomenima izvan faze:

• Nominirane struje izvan faze predlažu se da budu 25% nominirane struje kratkog spoja. Iz ekonomskih i statističkih razloga, predlažu se minimalne vrhovne vrijednosti iz analiza TRV: RV od 2,0 p.u. i prekorak od 25%.

• Kako se separacija sustava događa uz kaskadno isključivanje nadzemnih linija i time povećanje impedancije sustava, maksimalna vrijednost od 25% nominirane struje kratkog spoja čini se razumnom, čak i danas. Maksimalna vrijednost struje izvan faze je važan parametar za sposobnosti visokonaponskih prekidača struje.

• Velike perturbacije pokazuju kutove izvan faze mnogo veće od vrijednosti 105 stupnjeva do 115 stupnjeva povezanih s vrhovima TRV u standardima. To se odnosi na radijalne i mrežaste mreže; no, povijesni događaji pokazali su da se veliki kutovi izvan faze mogu pojaviti u isto vrijeme kao niske radne napetosti. Kombinacija velikog kuta izvan faze i niske radne napetosti daje vrhove TRV slične onima navedenim u standardima za situacije s relativno niskim kutom izvan faze i nominiranim naponom (maksimalnom radnom napetosti).

• Prekidači struje sustava prijenosa koji se koriste za povezivanje ili odspajanje konvencionalnih elektrana također mogu biti izloženi preklapanju faza. Da bi se odspojile elektrane tijekom nestabilnih oscilacija snage, primjenjuju se iste razmatranje kao za separaciju sustava, iako s pažnjom na mogućnost da mora biti specificiran uvjet ograničenog testa greške transformatora.

• Da bi se odspojile elektrane zbog pogrešne sinhronizacije, primjenjuju se slični uvjeti i zahtjevi kao što su opisani za srednjenvoltni prekidač generatora, a simulacije su potrebne kako bi se procijenilo može li dizajn ispuniti zadatke. Simulacije takvih događaja trebaju uključiti vrijeme odgovora zaštitnih sustava, fenomen depresije napetosti generatora i akceleraciju/dekeleraciju rotora kako bi se identificiralo jesu li struja izvan faze i TRV nakon lažne sinhronizacije generatora pokrivaju uvjete predviđene korisnikom, na primjer, 180 stupnjeva.