Strömskiftning i fas i högspänningsbrytare

När två delar av ett elektriskt nät med samma driftspänning kopplas ihop, uppstår ett fasskalningsfenomen om deras motsvarande källor har olika fasvinklar, med vissa eller alla faser som är 180° ur fas. Under kopplingsoperationen stöter strömbrytaren på källspänningar med olika fasvinklar, vilket leder till att det finns fasförskjutna strömmar i anslutningen. Dessa strömmar måste pålitligt brytas av strömbrytarna på båda sidor av anslutningen.

Specifikt, skillnaden i fasvinkel mellan de roterande vektorerna som representerar källspänningarna resulterar i osynkroniserade momentana spänningskurvor, vilket orsakar betydande ögonblickliga strömmar och spänningsbelastningar vid kopplingsmomentet. För övergångsspänning (TRV) karaktäriseras denna kopplingsuppgift av aktiv effektkälla på båda sidor av strömbrytaren, vilket ökar komplexiteten och utmaningarna i kopplingsoperationen.

Som visas i figur 1, antag att effektkällorna S1 och S2 representerar två källor med olika fasvinklar. När strömbrytaren växlar mellan dessa två källor kan fasvinkelskillnaden leda till en betydande ökning av ögonblickliga strömmar, vilket ger större krav på strömbrytaren. Därför måste strömbrytaren ha tillräcklig kapacitet för att hantera dessa höga belastningsförhållanden, vilket säkerställer säkra och pålitliga kopplingsoperationer.

Sammanfattning av nyckelpunkter

• Fasförskjutningsswitching: Inträffar när man växlar mellan två källor med olika fasvinklar.

• Ögonblickliga strömmar: Betydande ögonblickliga strömmar genereras på grund av fasvinkelskillnader.

• Transient Recovery Voltage (TRV): Kopplingsuppgiften innebär aktiv effektkälla på båda sidor av strömbrytaren, vilket ökar komplexiteten.

• Krav på strömbrytare: Strömbrytaren måste kunna hantera höga belastningsförhållanden för att säkerställa säkra och pålitliga kopplingsoperationer.

I tidigare diskuterade felkopplingsuppgifter, går TRV-komponenten på lastsidan slutligen mot noll. Men vid fasförskjutningsswitching, går TRV-komponenten på S2-sidan gradvis mot nätspänningens återhämtningsspänning (RV) för S2-källan. Som visas i figur 2, antages att spänningsfasvinkelskillnaden mellan de två källorna är 90°, och kortslutningsreaktorerna har lika impedans.

Därför är den huvudsakliga egenskapen vid fasförskjutningsswitching operationen exceptionellt höga TRV-toppvärden, medan Rate of Rise of Restriking Voltage (RRRV) och ström förblir relativt måttliga. Eftersom TRV-toppvärdet vid fasförskjutningsvillkor är det högsta bland alla kopplingsoperationer, används det vanligtvis som en referens för att utvärdera andra komplexa kopplingsvillkor, såsom rensning av fel på långdistansöverföringslinjer eller hantering av fel på seriekomprimerade linjer.

Sammanfattning av nyckelpunkter:

• Lastsidans TRV: I alla fall går TRV-komponenten på lastsidan mot noll. S2-sidans TRV vid fasförskjutning: Går mot nätspänningens återhämtningsspänning (RV) för S2-källan.

• TRV-topp: Exceptionellt hög vid fasförskjutningsswitching.

• RRRV och ström: Förblir relativt måttliga.

• Referensstandard: TRV-topp under fasförskjutningsvillkor är den högsta, vilket gör det till en vanlig referens för att utvärdera andra komplexa kopplingsvillkor.

Egenskaper hos TRV vid fasförskjutningsswitching

I tidigare diskuterade felkopplingsscenarier, går TRV-komponenten på lastsidan alltid mot noll. Men vid fasförskjutningsswitching, går TRV-komponenten på S2-sidan mot nätspänningens återhämtningsspänning (RV) för S2-källan. Detta beteende illustreras i figur 2, där det antas att spänningsfasvinkelskillnaden mellan de två källorna är 90°, och kortslutningsreaktorerna anses vara lika.

Förfinad beskrivning

I tidigare diskuterade felkopplingsscenarier, går TRV-komponenten på lastsidan alltid mot noll. Men vid fasförskjutningsswitching, går TRV-komponenten på S2-sidan mot nätspänningens återhämtningsspänning (RV) för S2-källan. Som visas i figur 2, antas det att fasvinkelskillnaden mellan de två källorna är 90° och kortslutningsreaktorerna anses vara lika.

Därför är de viktigaste egenskaperna vid fasförskjutningsswitching operationen:

• Väldigt höga TRV-toppvärden: TRV-toppvärdena är betydande högre jämfört med andra kopplingslägen.

• Måttliga RRRV och ström: Rate of Rise of Restriking Voltage (RRRV) och strömnivåer förblir måttliga, trots de höga TRV-toppvärdena.

Eftersom TRV-topp under fasförskjutningsvillkor är den högsta bland alla kopplingslägen, används detta scenario ofta som en referens för att utvärdera andra särskilda kopplingsvillkor, såsom:

• Rensning av fel på långa överföringslinjer

• Hantering av fel på seriekomprimerade linjer

Sammanfattning av nyckelpunkter:

• Lastsidans TRV: Går alltid mot noll i alla felkopplingsscenarier.

• S2-sidans TRV vid fasförskjutning: Går mot nätspänningens återhämtningsspänning (RV) för S2-källan.

• TRV-topp: Exceptionellt hög vid fasförskjutningsswitching.

• RRRV och ström: Förblir relativt måttliga.

• Referensstandard: TRV-topp under fasförskjutningsvillkor är den högsta, vilket gör det till en vanlig benchmark för att utvärdera andra komplexa kopplingsvillkor.

Figur 3 illustrerar två scenarier som kan leda till fasförskjutningsvillkor. I det första scenariot (vänster bild) kopplas en generator oavsiktligt till nätet av en strömbrytare vid fel fasvinkel. I det andra scenariot (höger bild) förlorar olika delar av överföringsnätet synkronisering, ofta på grund av ett kortslut någonstans i nätet.

I båda fallen flödar fasförskjutna strömmar genom nätet, vilka måste pålitligt brytas av strömbrytarna. Dessa situationer utgör betydande utmaningar för elförsörjningen, eftersom fasförskjutningen kan resultera i höga ögonblickliga strömmar och spänningar, vilket kräver att strömbrytarna effektivt hanterar dessa extrema förhållanden.

Sammanfattning av nyckelpunkter:

• Scenario 1 (vänster bild): En generator kopplas till nätet vid fel fasvinkel, vilket leder till fasförskjutning.

• Scenario 2 (höger bild): Olika delar av överföringsnätet förlorar synkronisering, vanligtvis på grund av ett kortslut, vilket orsakar fasförskjutning.

• Fasförskjutna strömmar: I båda scenarierna flödar fasförskjutna strömmar genom nätet.

• Krav på strömbrytare: Strömbrytarna måste pålitligt bryta dessa fasförskjutna strömmar för att upprätthålla systemets stabilitet och säkerhet.

Switching mellan generator och system

När en stegupptransformator används, kan switching mellan generatorn och elkraftsystemet ske antingen på högspännings- (HV) sidan eller medelspännings- (MV) sidan av transformatorn. Denna switching kan inträffa inte bara under systemfel eller kraftverksstopp, utan även under synkroniserings- och desynkroniseringshändelser.

Allvarligheten av fasförskjutningsvillkor beror på:

• Fasvinkelskillnad: Ju större fasvinkelskillnaden mellan generatorn och nätet, desto allvarligare är fasförskjutningsvillkoret.

• Rotorernas uppspänningsstatus: Nivån av uppspänning i generatorns rotor påverkar också allvarligheten av fasförskjutningsvillkoret. Vanligtvis kommer uppspänningskontrollsystemet snabbt att minska rotorns magnetfältstyrka för att minimera inverkan av fasförskjutningsvillkoret.

För att hantera dessa utmaningar är kraftverk utrustade med olika skydd- och kontrollenheter:

• Utträdskyddsenheter: Dessa upptäcker och förhindrar att generatorn tappar synkronisering med nätet.

• Synkroniseringskontrollenheter: Dessa ser till att generatorn kopplas till nätet vid rätt fasvinkel, vilket förhindrar fasförskjutningsvillkor.

• Synkroniseringskontrollutrustning: Dessa hjälper till att uppnå smidig synkronisering mellan generatorn och nätet.

Figur 4 illustrerar denna typiska layout, visar anslutningen mellan stegupptransformatorn, generatorn och elkraftsystemet, samt konfigurationen av de associerade skydd- och kontrollenheter.

Sammanfattning av nyckelpunkter:

• Switching-plats: Switching mellan generatorn och elkraftsystemet kan ske antingen på högspännings- (HV) sidan eller medelspännings- (MV) sidan av stegupptransformatorn.

• Fasförskjutningsvillkor: Allvarligheten av fasförskjutningsvillkor beror på fasvinkelskillnaden och rotorernas uppspänningsstatus.

• Skydd- och kontrollenheter: Kraftverk är utrustade med utträdskydd, synkroniseringskontrollenheter och synkroniseringskontrollutrustning för att säkerställa säkra och pålitliga switching-operationer.

2-Switching mellan två system:

Switching mellan två elkraftsystem inträffar vanligtvis i situationer med effektojämlikhet och systeminstabilitet. Exempel refererar till stora systemstörningar, situationer under systemåterställning, och på grund av felaktig drift av skyddssystem.

De viktigare överföringslinjerna kan vara utrustade med fasförskjutningsblockering i deras skyddssystem och/eller ett speciellt systemvidrigt skydd kan tillämpas för att förhindra separation av systemen under allvarliga fasförskjutningsvillkor.

Slutsatser av fasförskjutningsfenomen:

• Den nominella fasförskjutningsströmmen har föreslagits vara 25% av den nominella kortslutningsströmmen. Av ekonomiska och statistiska skäl har minimala toppvärden från TRV-analysen föreslagits: en RV på 2,0 p.u. och en överskridning på 25%.

• Eftersom systemseparation går hand i hand med kaskadstopp av luftledningar och därmed en ökning av systemimpedansen, verkar ett maximalt värde på 25% av den nominella kortslutningsströmmen rimligt, även idag. Det maximala värdet av fasförskjutningsströmmen är en viktig parameter för högspänningsströmbrytarnas kapacitet.

• Stora störningar visar fasförskjutningsvinklar mycket större än de 105-115 grader som är associerade med TRV-toppvärden i standarderna. Detta gäller både för radiella och nätliknande nät; dock har historiska händelser visat att stora fasförskjutningsvinklar kan inträffa samtidigt som låga driftspänningar. Kombinationen av en stor fasförskjutningsvinkel och låg driftspänning ger TRV-toppvärden liknande de nämnda i standarderna för situationer med en relativt låg fasförskjutningsvinkel och nominell spänning (maximal driftspänning).

• Överföringssystemets strömbrytare som används för att ansluta eller koppla ifrån traditionella kraftverk kan utsättas för fasförskjutningsswitching. För att koppla ifrån kraftverk under instabila effektsvingningar gäller samma överväganden som för systemseparation, men med hänsyn till möjligheten att en transformerbegränsad feltestvillkor måste specificeras.

• För att koppla ifrån kraftverk på grund av felaktig synkronisering, gäller liknande villkor och krav som beskrivs för medelspänningsgeneratorströmbrytare, och simuleringar är nödvändiga för att bedöma om ett design kan uppfylla plikten. Simuleringar av sådana händelser bör inkludera skyddssystemens respons tid, generatorspännings depression fenomen, och acceleration/deceleration av roteraren för att identifiera om fasförskjutningsströmmen och TRV efter falsk synkronisering av generatorer täcker de villkor som anges av användaren, till exempel 180 grader.