Stroomomschakeling buiten fase in Hoogspanningscircuitschakelaars

Wanneer twee delen van een elektrisch netwerk met dezelfde bedrijfsspanning gekoppeld worden, treedt een faseverschuivingsschakelverschijnsel op als hun equivalente bronnen verschillende faserollen hebben, waarbij enkele of alle fasen 180° uit fase zijn. Tijdens de schakeloperatie ontmoet de stroomonderbreker bronspanningen met verschillende faserollen, wat leidt tot de aanwezigheid van faseverschoven stromen in de verbinding. Deze stromen moeten betrouwbaar onderbroken worden door de stroomonderbrekers aan beide zijden van de verbinding.

Specifiek gezien resulteert het verschil in faserol tussen de draaiende vectoren die de bronspanningen vertegenwoordigen in niet-synchrone instantane spanninggolven, wat significante tijdelijke stromen en spanningsspanningen veroorzaakt op het moment van schakelen. Voor de tijdelijke herstelspanning (TRV) wordt deze schakeltaak gekenmerkt door actieve energiebronnen aan beide zijden van de stroomonderbreker, waardoor de complexiteit en de uitdagingen van de schakeloperatie toenemen.

Zoals weergegeven in figuur 1, neem aan dat energiebronnen S1 en S2 twee bronnen vertegenwoordigen met verschillende faserollen. Wanneer de stroomonderbreker schakelt tussen deze twee bronnen, kan het faserolverschil leiden tot een aanzienlijke toename van de tijdelijke stroom, wat grotere eisen stelt aan de stroomonderbreker. Daarom moet de stroomonderbreker voldoende capaciteit hebben om deze hoge-stresscondities te hanteren, zodat veilige en betrouwbare schakeloperaties verzekerd zijn.

Samenvatting Belangrijkste Punten

• Faseverschuivingsschakeling: Treedt op bij het schakelen tussen twee bronnen met verschillende faserollen.

• Tijdelijke Stromen: Er ontstaan significante tijdelijke stromen als gevolg van faserolverschillen.

• Tijdelijke Herstelspanning (TRV): De schakeltaak omvat actieve energiebronnen aan beide zijden van de stroomonderbreker, wat de complexiteit verhoogt.

• Eisen voor Stroomonderbreker: De stroomonderbreker moet in staat zijn om hoge-stresscondities te hanteren om veilige en betrouwbare schakeloperaties te garanderen.

Bij de eerder besproken foutschakeltaak daalt de TRV-component aan de belastingskant uiteindelijk naar nul. Echter, bij faseverschuivingsschakeling daalt de TRV-component aan de S2-kant geleidelijk naar de netspanningsherstelspanning (RV) van de S2-bron. Zoals weergegeven in figuur 2, wordt aangenomen dat het faserolverschil tussen de twee bronnen 90° is, en dat de korte-sluitreactors gelijke impedantie hebben.

Daarom is het belangrijkste kenmerk van de faseverschuivingsschakeloperatie uitzonderlijk hoge TRV-toppen, terwijl de stijgingssnelheid van de restrikingsspanning (RRRV) en de stroom relatief matig blijven. Aangezien de TRV-top onder faseverschuivingsomstandigheden de hoogste is van alle schakeloperaties, wordt deze meestal gebruikt als referentie voor het evalueren van andere complexe schakelomstandigheden, zoals het verwijderen van storingen op langeafstandsverzendlijnen of het afhandelen van storingen op reeks-gecompenseerde lijnen.

Samenvatting Belangrijkste Punten:

• Belastingskant TRV: In alle gevallen daalt de TRV-component aan de belastingskant naar nul. S2-kant TRV bij Faseverschuiving: Daalt naar de netspanningsherstelspanning (RV) van de S2-bron.

• TRV Top: Uitzonderlijk hoog bij faseverschuivingsschakeling.

• RRRV en Stroom: Blijven relatief matig.

• Referentiestandaard: De TRV-top onder faseverschuivingsomstandigheden is de hoogste, waardoor het een algemene referentie is voor het evalueren van andere complexe schakelomstandigheden.

Kenmerken van TRV bij Faseverschuivingsschakeling

In de eerder besproken foutschakelscenario's daalt de TRV-component aan de belastingskant in alle gevallen naar nul. Echter, bij faseverschuivingsschakeling daalt de TRV-component aan de S2 kant naar de netspanningsherstelspanning (RV) van de S2 bron. Dit gedrag wordt weergegeven in figuur 2, waarbij wordt aangenomen dat het faserolverschil tussen de twee bronnen 90° is, en de korte-sluitreactors gelijkwaardig worden beschouwd.

Geraffineerde Beschrijving

In de eerder besproken foutschakelscenario's daalt de TRV-component aan de belastingskant altijd naar nul. Echter, bij faseverschuivingsschakeling daalt de TRV-component aan de S2 kant naar de netspanningsherstelspanning (RV) van de S2 bron. Zoals weergegeven in figuur 2, wordt hierbij een faserolverschil van 90° tussen de twee energiebronnen en gelijke korte-sluitreactors aangenomen.

Daarom zijn de belangrijkste kenmerken van de faseverschuivingsschakeloperatie:

• Zeer Hoge TRV-Toppen: De topwaarden van de TRV zijn significant hoger vergeleken met andere schakelmodi.

• Moderate RRRV en Stroom: De stijgingssnelheid van de restrikingsspanning (RRRV) en stroomniveaus blijven matig, ondanks de hoge TRV-toppen.

Aangezien de TRV-top onder faseverschuivingsomstandigheden de hoogste is van alle schakelmodi, wordt dit scenario vaak gebruikt als referentie voor het evalueren van andere speciale schakelomstandigheden, zoals:

• Het verwijderen van storingen op lange verzendlijnen

• Het afhandelen van storingen op reeks-gecompenseerde lijnen

Samenvatting Belangrijkste Punten:

• Belastingskant TRV: Daalt altijd naar nul in alle foutschakelscenario's.

• S2-kant TRV bij Faseverschuiving: Daalt naar de netspanningsherstelspanning (RV) van de S2 bron.

• TRV Top: Uitzonderlijk hoog bij faseverschuivingsschakeling.

• RRRV en Stroom: Blijven relatief matig.

• Referentiestandaard: De TRV-top onder faseverschuivingsomstandigheden is de hoogste, waardoor het een algemene benchmark is voor het evalueren van andere complexe schakelomstandigheden.

Figuur 3 illustreert twee scenario's die kunnen leiden tot faseverschuivingssituaties. In het eerste scenario (linker afbeelding) wordt een generator per ongeluk aan het net gekoppeld door een stroomonderbreker op een onjuiste faserol. In het tweede scenario (rechter afbeelding) raken verschillende delen van het transmissienetwerk hun synchronisatie kwijt, vaak als gevolg van een kortsluiting ergens in het netwerk.

In beide gevallen stromen faseverschoven stromen door het netwerk, die betrouwbaar moeten worden onderbroken door de stroomonderbrekers. Deze situaties stellen aanzienlijke uitdagingen voor het energiesysteem, omdat de faseverschuiving kan leiden tot hoge tijdelijke stromen en spanningen, waardoor de stroomonderbrekers deze extreme omstandigheden effectief moeten hanteren.

Samenvatting Belangrijkste Punten:

• Scenario 1 (Linker Afbeelding): Een generator wordt aan het net gekoppeld op een onjuiste faserol, wat leidt tot faseverschuiving.

• Scenario 2 (Rechter Afbeelding): Verschillende delen van het transmissienetwerk raken hun synchronisatie kwijt, meestal als gevolg van een kortsluiting, wat faseverschuiving veroorzaakt.

• Faseverschoven Stromen: In beide scenario's stromen faseverschoven stromen door het netwerk.

• Eis voor Stroomonderbreker: De stroomonderbrekers moeten deze faseverschoven stromen betrouwbaar onderbreken om de systeemstabiliteit en -veiligheid te handhaven.

Schakelen tussen Generator en Systeem

Bij het gebruik van een spanningsverhogende transformator kan het schakelen tussen de generator en het energiesysteem plaatsvinden aan de hoogspannings- (HV) of middelspannings- (MV) kant van de transformator. Dit schakelen kan niet alleen tijdens systeemfouten of energiecentrale trips, maar ook tijdens synchronisatie- en desynchronisatie-evenementen plaatsvinden.

De ernst van out-of-phase-omstandigheden hangt af van:

• Faserolverschil: Hoe groter het faserolverschil tussen de generator en het net, hoe ernstiger de out-of-phase-omstandigheid.

• Rotor Excitatietoestand: Het excitiateniveau in de rotor van de generator beïnvloedt ook de ernst van de out-of-phase-omstandigheid. Meestal zal het excitatiecontrolesysteem snel de magnetische veldsterkte van de rotor verminderen om de impact van de out-of-phase-omstandigheid te minimaliseren.

Om deze uitdagingen te tackelen, zijn energiecentra uitgerust met diverse beschermings- en regelapparatuur:

• Out-of-Step Beschermingsapparatuur: Deze detecteren en voorkomen dat de generator de synchronisatie met het net verliest.

• Synchronisatie Controle Apparatuur: Deze zorgen ervoor dat de generator op de juiste faserol aan het net wordt gekoppeld, waardoor out-of-phase-omstandigheden worden voorkomen.

• Synchronisatie Regelapparatuur: Deze helpen om een soepele synchronisatie tussen de generator en het net te bereiken.

Figuur 4 illustreert deze typische opstelling, waarbij de verbinding tussen de spanningsverhogende transformator, de generator en het energiesysteem, evenals de configuratie van de bijbehorende beschermings- en regelapparatuur, wordt weergegeven.

Samenvatting Belangrijkste Punten:

• Schakellocatie: Schakelen tussen de generator en het energiesysteem kan plaatsvinden aan de hoogspannings- (HV) of middelspannings- (MV) kant van de spanningsverhogende transformator.

• Out-of-Phase-omstandigheden: De ernst van out-of-phase-omstandigheden hangt af van het faserolverschil en de rotor-excitatiestatus.

• Beschermings- en Regelapparatuur: Energiecentra zijn uitgerust met out-of-step-bescherming, synchronisatiecontroleapparatuur en synchronisatieregelapparatuur om veilige en betrouwbare schakeloperaties te waarborgen.

2-Schakelen tussen Twee Systemen:

Schakelen tussen twee energie-systemen vindt doorgaans plaats in situaties met energie-onbalans en systeeminstabiliteit. Voorbeelden hiervan zijn grote systeemstoornissen, situaties tijdens systeemherstel, en door misbruik van beschermingssystemen.

De belangrijkere transmissielijnen kunnen in hun beschermingssysteem zijn uitgerust met een out-of-phase-blokkering, en/of er kan een speciaal systeemwijd beschermingssysteem worden toegepast om de scheiding van de systemen te voorkomen onder ernstige out-of-phase-omstandigheden.

Conclusies over out-of-phase-fenomenen:

• De genormeerde out-of-phase-stromen zijn voorgesteld te zijn 25% van de genormeerde korte-sluitstroom. Om economische en statistische redenen zijn minimale piekwaarden voorgesteld uit de TRV-analyses: een RV van 2,0 p.u. en een overschrijding van 25%.

• Omdat systeemscheiding gepaard gaat met cascade-tripping van bovengrondse lijnen en dus een toename van de systeemimpedantie, lijkt een maximumwaarde van 25% van de genormeerde korte-sluitstroom zelfs vandaag de dag redelijk. De maximale waarde van de out-of-phase-stroom is een belangameter voor de capaciteiten van de hoogspanningsstroomonderbreker.

• Grote stoornissen tonen out-of-phase-hoeken veel groter dan de 105 graden tot 115 graden waarden die gerelateerd zijn aan de TRV-piekwaarden in de normen. Dit geldt zowel voor radiale als voor gemeshde netwerken; echter, historische gebeurtenissen hebben aangetoond dat grote out-of-phase-hoeken kunnen optreden op hetzelfde moment als lage bedrijfsspanningen. De combinatie van een grote out-of-phase-hoek en een lage bedrijfsspanning levert TRV-piekwaarden op die vergelijkbaar zijn met die in de normen voor situaties met een relatief lage out-of-phase-hoek en nominale spanning (maximale bedrijfsspanning).

• Transmissiesysteemstroomonderbrekers die gebruikt worden om conventionele energiecentrales te verbinden of los te koppelen, kunnen ook blootgesteld worden aan out-of-phase-schakeling. Om energiecentrales te ontkoppelen tijdens instabiele energiezwaaien, zijn dezelfde overwegingen van toepassing als voor systeemscheiding, hoewel er rekening moet worden gehouden met de mogelijkheid dat een getransformeerde beperkte fouttestconditie moet worden gespecificeerd.

• Om energiecentrales te ontkoppelen vanwege foutieve synchronisatie, zijn vergelijkbare condities en eisen van toepassing als die voor mediumspanningsgeneratorstroomonderbrekers, en simulaties zijn nodig om te beoordelen of een ontwerp de taak kan vervullen. Simulaties van dergelijke gebeurtenissen moeten de responstijd van beschermingssystemen, het depressieverschijnsel van de generatorenspanning, en de versnelling/vertraging van de rotor omvatten om te identificeren of de out-of-phase-stroom en de TRV na valse synchronisatie van generatoren de door de gebruiker voorgeschreven omstandigheden, bijvoorbeeld 180 graden, dekken.