Переключение тока в разнос фаз в высоковольтных выключателях

Когда две части электрической сети с одинаковым рабочим напряжением соединяются, возникает явление сдвига фаз, если их эквивалентные источники имеют разные фазовые углы, причем некоторые или все фазы находятся в противофазе на 180°. В процессе переключения выключатель сталкивается с источниками напряжения, имеющими разные фазовые углы, что приводит к появлению токов с сдвигом фаз в соединении. Эти токи должны быть надежно прерваны выключателями с обеих сторон соединения.

В частности, разница фазовых углов между вращающимися векторами, представляющими напряжение источников, приводит к несинхронным мгновенным волнам напряжения, вызывая значительные переходные токи и напряжения в момент переключения. Для переходного восстановительного напряжения (TRV) эта задача переключения характеризуется активными источниками мощности с обеих сторон выключателя, что увеличивает сложность и трудности операции переключения.

Как показано на рисунке 1, предположим, что источники питания S1 и S2 представляют два источника с разными фазовыми углами. Когда выключатель переключается между этими двумя источниками, разница фазовых углов может привести к значительному увеличению переходных токов, накладывающих большие требования на выключатель. Поэтому выключатель должен иметь достаточные возможности для работы в условиях высоких нагрузок, обеспечивая безопасные и надежные операции переключения.

Краткий обзор ключевых моментов

• Переключение с сдвигом фаз: происходит при переключении между двумя источниками с разными фазовыми углами.

• Переходные токи: значительные переходные токи генерируются из-за разницы фазовых углов.

• Переходное восстановительное напряжение (TRV): задача переключения включает активные источники мощности с обеих сторон выключателя, что увеличивает сложность.

• Требования к выключателю: выключатель должен быть способен работать в условиях высоких нагрузок, чтобы обеспечить безопасные и надежные операции переключения.

В ранее обсуждаемых задачах переключения при аварийных ситуациях компонент TRV на стороне нагрузки в конечном итоге затухает до нуля. Однако при переключении с сдвигом фаз компонент TRV на стороне S2 постепенно затухает до восстановительного напряжения (RV) источника S2. Как показано на рисунке 2, предполагается, что разница фазовых углов между двумя источниками составляет 90°, а короткозамкнутые реакторы имеют равное сопротивление.

Поэтому основной особенностью операций переключения с сдвигом фаз является чрезвычайно высокие пики TRV, в то время как скорость нарастания повторного напряжения (RRRV) и ток остаются относительно умеренными. Учитывая, что пик TRV при условиях сдвига фаз является самым высоким среди всех операций переключения, он обычно используется в качестве эталона для оценки других сложных условий переключения, таких как очистка аварий на длинных линиях передачи или обработка аварий на серийно компенсированных линиях.

Краткий обзор ключевых моментов:

• TRV на стороне нагрузки: во всех случаях компонент TRV на стороне нагрузки затухает до нуля. TRV на стороне S2 при сдвиге фаз: затухает до восстановительного напряжения (RV) источника S2.

• Пик TRV: чрезвычайно высок при переключении с сдвигом фаз.

• RRRV и ток: остаются относительно умеренными.

• Эталон: пик TRV при условиях сдвига фаз является самым высоким, что делает его общим эталоном для оценки других сложных условий переключения.

Характеристики TRV при переключении с сдвигом фаз

В ранее обсуждаемых сценариях переключения при аварийных ситуациях компонент TRV на стороне нагрузки всегда затухает до нуля. Однако при переключении с сдвигом фаз компонент TRV на стороне S2 затухает до восстановительного напряжения (RV) источника S2. Это поведение показано на рисунке 2, где предполагается, что разница фазовых углов между двумя источниками составляет 90°, а короткозамкнутые реакторы считаются равными.

Уточненное описание

В ранее обсуждаемых сценариях переключения при аварийных ситуациях компонент TRV на стороне нагрузки всегда затухает до нуля. Однако при переключении с сдвигом фаз компонент TRV на стороне S2 затухает до восстановительного напряжения (RV) источника S2. Как показано на рисунке 2, это предполагает разницу фазовых углов между двумя источниками питания 90° и равные короткозамкнутые реакторы.

Следовательно, ключевые характеристики операций переключения с сдвигом фаз:

• Очень высокие пики TRV: пиковые значения TRV значительно выше по сравнению с другими режимами переключения.

• Умеренные RRRV и ток: скорость нарастания повторного напряжения (RRRV) и уровни тока остаются умеренными, несмотря на высокие пики TRV.

Учитывая, что пик TRV при условиях сдвига фаз является самым высоким среди всех режимов переключения, этот сценарий часто используется в качестве эталона для оценки других специальных условий переключения, таких как:

• Очистка аварий на длинных линиях передачи

• Обработка аварий на серийно компенсированных линиях

Краткий обзор ключевых моментов:

• TRV на стороне нагрузки: всегда затухает до нуля во всех сценариях переключения при аварийных ситуациях.

• S2-TRV при сдвиге фаз: затухает до восстановительного напряжения (RV) источника S2.

• Пик TRV: чрезвычайно высок при переключении с сдвигом фаз.

• RRRV и ток: остаются относительно умеренными.

• Эталон: пик TRV при условиях сдвига фаз является самым высоким, что делает его общим эталоном для оценки других сложных условий переключения.

Рисунок 3 иллюстрирует два сценария, которые могут привести к условиям сдвига фаз. В первом сценарии (левое изображение) генератор случайно подключен к сети выключателем при неправильном фазовом угле. Во втором сценарии (правое изображение) разные части сети передачи теряют синхронизацию, обычно из-за короткого замыкания, происходящего где-то в сети.

В обоих случаях через сеть протекают токи с сдвигом фаз, которые должны быть надежно прерваны выключателями. Эти ситуации создают значительные проблемы для системы питания, так как сдвиг фаз может привести к высоким переходным токам и напряжениям, требуя от выключателей эффективной работы в этих экстремальных условиях.

Краткий обзор ключевых моментов:

• Сценарий 1 (левое изображение): генератор подключен к сети при неправильном фазовом угле, что приводит к сдвигу фаз.

• Сценарий 2 (правое изображение): разные части сети передачи теряют синхронизацию, обычно из-за короткого замыкания, что вызывает сдвиг фаз.

• Токи с сдвигом фаз: в обоих сценариях через сеть протекают токи с сдвигом фаз.

• Требования к выключателю: выключатели должны надежно прерывать эти токи с сдвигом фаз, чтобы поддерживать стабильность и безопасность системы.

Переключение между генератором и системой

При использовании повышающего трансформатора переключение между генератором и системой питания может происходить либо на стороне высокого напряжения (HV), либо на стороне среднего напряжения (MV) трансформатора. Это переключение может происходить не только при авариях в системе или остановках электростанций, но также при синхронизации и десинхронизации.

Степень несинхронности зависит от:

• Разница фазовых углов: чем больше разница фазовых углов между генератором и сетью, тем более серьезна несинхронность.

• Состояние возбуждения ротора: уровень возбуждения ротора генератора также влияет на степень несинхронности. Обычно система управления возбуждением быстро снижает магнитное поле ротора, чтобы минимизировать воздействие несинхронности.

Для решения этих проблем электростанции оснащены различными защитными и контрольными устройствами:

• Защитные устройства от потери синхронизации: они обнаруживают и предотвращают потерю синхронизации генератора с сетью.

• Устройства проверки синхронизма: они обеспечивают, что генератор подключен к сети при правильном фазовом угле, предотвращая несинхронность.

• Оборудование для управления синхронизацией: оно помогает достичь плавной синхронизации между генератором и сетью.

Рисунок 4 иллюстрирует эту типичную схему, показывая соединение между повышающим трансформатором, генератором и системой питания, а также конфигурацию соответствующих защитных и контрольных устройств.

Краткий обзор ключевых моментов:

• Место переключения: переключение между генератором и системой питания может происходить либо на стороне высокого напряжения (HV), либо на стороне среднего напряжения (MV) повышающего трансформатора.

• Условия несинхронности: степень несинхронности зависит от разницы фазовых углов и состояния возбуждения ротора.

• Защитные и контрольные устройства: электростанции оснащены устройствами защиты от потери синхронизации, устройствами проверки синхронизма и оборудованием для управления синхронизацией, чтобы обеспечить безопасные и надежные операции переключения.

2-Переключение между двумя системами:

Переключение между двумя энергосистемами обычно происходит в условиях дисбаланса мощности и нестабильности системы. Примеры включают крупные системные нарушения, ситуации при восстановлении системы и вследствие ошибок в работе систем защиты.

Более важные линии передачи могут быть оснащены блокировкой при несинхронности в их системах защиты и/или специальными системными защитами, чтобы предотвратить разделение систем при серьезных условиях несинхронности.

Заключение о явлениях несинхронности:

• Номинальные токи при несинхронности предложено установить на уровне 25% от номинального тока короткого замыкания. По экономическим и статистическим причинам минимальные пиковые значения из анализа TRV предложены: RV 2,0 p.u. и перегрузка 25%.

• При разделении системы, сопровождающемся последовательным отключением воздушных линий и, следовательно, увеличением импеданса системы, максимальное значение 25% от номинального тока короткого замыкания кажется разумным, даже сегодня. Максимальное значение тока при несинхронности является важным параметром для возможностей высоковольтных выключателей.

• Крупные нарушения показывают углы несинхронности, значительно превышающие значения 105-115 градусов, связанные с пиковыми значениями TRV в стандартах. Это относится как к радиальным, так и к сетчатым сетям; однако исторические события показали, что большие углы несинхронности могут происходить одновременно с низкими рабочими напряжениями. Комбинация большого угла несинхронности и низкого рабочего напряжения приводит к пиковым значениям TRV, аналогичным тем, которые упомянуты в стандартах для ситуаций с относительно небольшим углом несинхронности и номинальным напряжением (максимальным рабочим напряжением).

• Выключатели, используемые для подключения или отключения обычных электростанций, также могут подвергаться переключению при несинхронности. Для отключения электростанций при неустойчивых колебаниях мощности применимы те же соображения, что и для разделения системы, хотя следует учитывать возможность необходимости указания условий тестирования при ограниченной аварии трансформатором.

• Для отключения электростанций из-за ошибочной синхронизации применимы такие же условия и требования, как описано для выключателей генераторов среднего напряжения, и необходимы моделирования, чтобы определить, может ли проект выполнить задачу. Моделирование таких событий должно включать время реакции систем защиты, явление депрессии напряжения генератора и ускорение/замедление ротора, чтобы определить, покрывают ли токи при несинхронности и TRV после ложной синхронизации генераторов условия, предписанные пользователем, например, 180 градусов.