Spannungsaufbau bei der Schaltvorgabe von Shunt-Reaktoren in Leistungsschaltern

Feld: Stromschalter

China

Stromabnehmer-Schaltungen: Eine gängige Praxis bei der Schaltung induktiver Lasten

Stromabnehmer-Schaltungen sind eine der häufigsten Praktiken bei der Schaltung induktiver Lasten. Stromabnehmer werden zur Kompensation der Kapazität von Freileitungen installiert und je nach momentaner Leitungslast eingeschaltet oder ausgeschaltet. Da ein Stromabnehmer als gekoppeltes Schaltglied mit Streukapazität betrachtet werden kann, kann das äquivalente Lastschaltkreis auf einen einfachen LC-Schwingkreis (Spule-Kondensator) vereinfacht werden.

Spannungsschwingungen beim Unterbrechen

Im Moment des Unterbrechens, was oft Stromunterbrechung beinhaltet, erzeugt der LC-Schwingkreis Spannungsschwingungen. Die maximale Spannung, $U_{m p}$ , erreicht einen Peak, der 1 per unit (p.u.) der Systemspannung plus dem zusätzlichen Beitrag durch die Stromunterbrechung beträgt. Typischerweise liegt die ein Frequenz schwingende transiente Wiederherstellungsspannung (TRV) in hohen Frequenzen, standardisiert durch IEC 62271-110, zwischen 6,8 kHz bei einer Nennspannung von 72,5 kV und 1,5 kHz bei 800 kV.

Kurze Bogenzeit und Wiederzündungsrisiko

Ähnlich wie bei der Schaltung von kapazitiven Strömen ist der Reaktorstrom niedrig genug, dass das Unterbrechen nach einer sehr kurzen Bogenzeit erfolgen kann. Diese kurze Dauer bedeutet, dass der Schalterluftspalt möglicherweise nicht ausreichend weit geöffnet ist, um die TRV zu überstehen. Wenn dies passiert, tritt ein Durchschlag auf, was zu einer Wiederzündung führt. In diesem Fall wird die Wiederzündung als Wiederzündung bezeichnet, da die hohe Frequenz der TRV dazu führt, dass sie innerhalb eines Viertels der Netzfrequenzperiode nach dem Unterbrechen auftritt.

Niedrige Energieentladung bei induktiver Wiederzündung

Im Gegensatz zu einer Wiederzündung in kapazitiven Schaltkreisen ist die an die induktive Wiederzündung entlieferte Energie relativ gering, da es sich hauptsächlich um die Entladung der Streukapazität handelt. Ein kurzer, hochfrequenter Wiederzündungsstrom fließt, und der Luftspalt kann sich vom Ereignis erholen oder nicht. Während des Flusses des Wiederzündungsstroms erreicht der sich öffnende Luftspalt nur eine leicht höhere Durchschlagspannung. Nachdem der Wiederzündungsstrom unterbrochen wurde, kann die anschließend höhere TRV wieder zu einer Wiederzündung führen. Dies ist wahrscheinlicher, da während der kurzen Leitungsphase der Netzfrequenzstrom im Reaktor leicht ansteigt, was dazu führt, dass die zweite TRV steiler und potenziell höher als die vorherige ist.

Mehrfache Wiederzündungen und Spannungssteigerung

Die Abfolge von Wiederzündungen wird als mehrere Wiederzündungen bezeichnet, und die allmähliche Steigerung des Wiederzündungsspannungswerts wird als (induktive) Spannungssteigerung bezeichnet. Mehrfache Wiederzündungen können besonders herausfordernd für Gase- und Ölschalter sein, weshalb die Stromabnehmer-Schaltung manchmal als "ein Albtraum für Schalter" bezeichnet wird. Dies gilt insbesondere, da die Stromabnehmer-Schaltung eine tägliche Operation ist und daher eine häufige Quelle von Belastung für diese Geräte darstellt.

Analyse eines SF6-Schaltertests mit mehreren Wiederzündungen

In der gegebenen Abbildung für einen SF6-Schaltertest können sieben Wiederzündungen beobachtet werden, bevor eine Erholung erreicht wird. Sofort nach jeder Wiederzündung hält ein Wiederzündungsstrom mit sehr hoher Frequenz den Luftspalt für etwa 100 μs leitfähig. Die maximale Spannung, die am Lastreaktor erreicht wird, beträgt 2,3 p.u.. Ohne die Wiederzündungen wäre die maximale Spannung 1,08 p.u. aufgrund des sehr kleinen Unterbrechungsstroms gewesen. Der Spitzenwert der transienten Wiederherstellungsspannung (TRV) beträgt 3,3 p.u..

Wesentliche Beobachtungen:

Mehrere Wiederzündungen: Trotz des sehr geringen Unterbrechungsstroms steigert sich die Lastspannung nach mehreren Wiederzündungen signifikant. Dies unterstreicht den kritischen Einfluss von Wiederzündungen auf die Spannungsniveaus des Systems.
Hochfrequenter Wiederzündungsstrom: Der Wiederzündungsstrom zeichnet sich durch seine sehr hohe Frequenz aus, die den Luftspalt für eine kurze Zeit (ca. 100 μs) leitfähig hält. Diese kurze Leitungszeit ermöglicht es, dass die Spannung schnell aufbaut, was zu weiteren Wiederzündungen führt.
Spannungssteigerung: Die maximale Spannung am Lastreaktor erreicht 2,3 p.u., was mehr als doppelt so hoch ist wie die erwartete Spannung ohne Wiederzündungen (1,08 p.u.). Der Spitzenwert der TRV von 3,3 p.u. unterstreicht die Schwere der durch mehrere Wiederzündungen verursachten Spannungssteigerung.

Vermeidung von mehreren Wiederzündungen bei der Stromabnehmer-Schaltung

Mehrere Wiederzündungen bei der Stromabnehmer-Schaltung können effektiv vermieden werden, indem kontrollierte Schaltungen angewendet werden. Anstatt auf zufällige Kontakttrennung zu vertrauen, stellt kontrollierte Schaltung sicher, dass die Kontakte gut im Voraus getrennt werden, bevor der Strom den Nullpunkt erreicht. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile:

Vermeidung kurzer Bogenzeiten: Durch die vorzeitige Trennung der Kontakte wird die Bogenzeit verlängert, sodass der Luftspalt ausreichend weit geöffnet ist, bevor der Strom natürlicherweise den Nullpunkt erreicht. Dies reduziert das Risiko einer Wiederzündung, da der Luftspalt besser gerüstet ist, die transiente Wiederherstellungsspannung (TRV) zu überstehen.
Zeitgerechte Unterbrechung: Kontrollierte Schaltung stellt sicher, dass die Unterbrechung erfolgt, wenn der Luftspalt bereits ausreichend weit geöffnet ist. Diese Timing minimiert die Wahrscheinlichkeit einer Wiederzündung und hilft, die Stabilität des Systems aufrechtzuerhalten.
Eingeschränkte Spannungssteigerung: Indem Wiederzündungen verhindert werden, mindert kontrollierte Schaltung auch das Risiko einer Spannungssteigerung. Die Systemspannung bleibt näher an den erwarteten Werten, was die Belastung der Isolierung und anderer Komponenten reduziert.

Vorteile der kontrollierten Schaltung

Erhöhte Zuverlässigkeit: Kontrollierte Schaltung verbessert die Gesamtzuverlässigkeit des Schalters, insbesondere in Anwendungen mit Stromabnehmern. Es reduziert die Häufigkeit mehrerer Wiederzündungen, die andernfalls zu Geräteschäden oder Systeminstabilität führen könnten.
Verbesserte Leistung: Indem Wiederzündungen vermieden werden, sorgt kontrollierte Schaltung dafür, dass der Schalter innerhalb seiner Designparameter arbeitet, die optimale Leistung aufrechterhält und die Lebensdauer der Ausrüstung verlängert.
Kosteneinsparungen: Die Reduzierung der Häufigkeit von Wiederzündungen kann zu Kosteneinsparungen führen, indem Wartungsbedarfe minimiert und potenzielle Geräteausfälle verhindert werden.