Spanningstoename bij het schakelen van parallelle reactors in stroomonderbrekers

Shunt-Reactor Switching: Een Algemene Praktijk bij het Schakelen van Inductieve Lasten

Shunt-reactor schakeling is een van de meest voorkomende praktijken bij het schakelen van inductieve lasten. Shunt reactors worden geïnstalleerd om de capaciteit van bovengrondse lijnen te compenseren en worden ingeschakeld of uitgeschakeld op basis van de momentane lijnlast. Aangezien een shunt reactor als een gesloten schakelingselement met parasitaire capaciteit kan worden beschouwd, kan de equivalente belastingschakeling worden vereenvoudigd tot een eenvoudige LC (inductor-capacitor) schakeling.

Spanningsoscillaties bij Onderbreking

Op het moment van onderbreking, die vaak stroomknippen betreft, produceert de LC-schakeling spanningsoscillaties. De maximale spanning, Ump, bereikt een piek die 1 per unit (p.u.) van de systeemspanning is, verhoogd door de extra bijdrage van het stroomknippen. Meestal is de enkele frequentie oscillatoire tijdelijke herstelspanning (TRV) van hoge frequentie, gestandaardiseerd door IEC 62271-110 op waarden tussen 6,8 kHz bij een nominale spanning van 72,5 kV en 1,5 kHz bij 800 kV.

Korte Boogtijd en Herontstekingsrisico

Net zoals bij het schakelen van capacitaire stromen, is de reactorstroom laag genoeg dat de onderbreking na een zeer korte boogtijd kan plaatsvinden. Deze korte duur impliceert dat de luchtgap van de circuitbreker mogelijk nog geen voldoende afstand heeft bereikt bij het nulpunt van de stroom om de TRV te weerstaan. Als dit gebeurt, vindt er een doorbraak plaats, wat leidt tot een herontsteking. In dit geval wordt de herontsteking een herontsteking genoemd omdat de hoge-frequente TRV ervoor zorgt dat deze binnen een kwart van een netfrequentieperiode na de onderbreking optreedt.

Lage Energie Ontlading bij Inductieve Herontsteking

In tegenstelling tot een restrike in capacitaire schakelingen, is de energie die aan de inductieve herontstekingsontlading wordt toegevoerd relatief laag, voornamelijk de ontlading van de parasitaire capaciteit. Er zal een korte hoge-frequente herontstekingsstroom stromen, en de luchtgap kan wel of niet herstellen van het gebeuren. Tijdens de stroom van de herontstekingsstroom bereikt de openende luchtgap slechts een iets hogere doorbraakspanning. Na de onderbreking van de herontstekingsstroom kan de volgende hogere TRV opnieuw leiden tot herontsteking. Dit is waarschijnlijker omdat, tijdens de korte geleidingstijd, de netfrequentiestroom in de reactor licht toeneemt, waardoor de tweede TRV steiler en potentieel hoger is dan de vorige.

Meerdere Herontstekingen en Spanningsverhoging

De reeks herontstekingen wordt meerdere herontstekingen genoemd, en de geleidelijke toename van de herontstekingspanning wordt (inductieve) spanningsverhoging genoemd. Meerdere herontstekingen kunnen bijzonder uitdagend zijn voor gas- en oliecircuitbrekers, waardoor shunt-reactor schakeling soms "een nachtmerrie voor circuitbrekers" wordt genoemd. Dit is vooral waar omdat shunt-reactor schakeling een dagelijkse operatie is, waardoor het een frequente bron van stress voor deze apparaten is.

Analyse van SF6 Circuitbreker Test met Meerdere Herontstekingen

In de gegeven figuur voor een SF6 circuitbreker test, kunnen zeven herontstekingen worden waargenomen voordat de herstelde staat wordt bereikt. Onmiddellijk na elke herontsteking blijft de luchtgap gedurende ongeveer 100 μs geleidend door een herontstekingsstroom van zeer hoge frequentie. De maximale spanning over de belastingschakeling is 2,3 p.u.. Zonder de herontstekingen zou de maximale spanning 1,08 p.u. zijn geweest, wegens de zeer kleine stroomknippen. De piekwaarde van de tijdelijke herstelspanning (TRV) is 3,3 p.u..

Belangrijkste Waarnemingen:

• Meerdere Herontstekingen: Ondanks de zeer kleine stroomknippen, neemt de belastingspanning significant toe na meerdere herontstekingen. Dit benadrukt de cruciale impact van herontstekingen op de spanningsniveaus van het systeem.

• Hoge-Frequente Herontstekingsstroom: De herontstekingsstroom wordt gekenmerkt door haar zeer hoge frequentie, waardoor de luchtgap gedurende een korte periode (ongeveer 100 μs) geleidend blijft. Deze korte geleidingstijd stelt de spanning in staat om snel op te bouwen, wat leidt tot vervolgens herontstekingen.

• Spanningsverhoging: De maximale spanning over de belastingschakeling bereikt 2,3 p.u., wat meer dan twee keer zo hoog is als de verwachte spanning zonder herontstekingen (1,08 p.u.). De piekwaarde van de TRV van 3,3 p.u. benadrukt nogmaals de ernst van de spanningsverhoging veroorzaakt door meerdere herontstekingen.

Voorkomen van Meerdere Herontstekingen bij Shunt-Reactor Schakeling

Meerdere herontstekingen tijdens shunt-reactor schakeling kunnen effectief worden voorkomen door middel van gecontroleerde schakeling-technieken. In plaats van afhankelijk te zijn van willekeurige contactafscheiding, zorgt gecontroleerde schakeling ervoor dat de contacten zich ruim voor het nulpunt van de stroom scheiden. Deze benadering biedt verschillende voordelen:

• Voorkomen van Korte Boogtijden: Door de contacten vooraf te scheiden, wordt de boogtijd verlengd, waardoor de luchtgap voldoende afstand kan bereiken voordat de stroom natuurlijk nul wordt. Dit vermindert het risico op herontsteking, aangezien de luchtgap beter voorbereid is om de tijdelijke herstelspanning (TRV) te weerstaan.

• Tijdige Onderbreking: Gecontroleerde schakeling zorgt ervoor dat de onderbreking plaatsvindt wanneer de luchtgap al voldoende afstand heeft bereikt. Deze timing minimaliseert de kans op herontsteking en helpt bij het behouden van stabiele systeemprestaties.

• Verlaagde Spanningsverhoging: Door herontstekingen te voorkomen, verminderde gecontroleerde schakeling ook het risico op spanningsverhoging. De systeemspanning blijft dichter bij de verwachte waarden, wat de spanning op isolatie en andere componenten vermindert.

Voordelen van Gecontroleerde Schakeling

• Verbeterde Betrouwbaarheid: Gecontroleerde schakeling verbetert de algemene betrouwbaarheid van de circuitbreker, vooral in toepassingen met shunt reactors. Het reduceert het optreden van meerdere herontstekingen, die anders kunnen leiden tot apparatuurschade of systeeminstabiliteit.

• Verbeterde Prestaties: Door herontstekingen te voorkomen, zorgt gecontroleerde schakeling ervoor dat de circuitbreker binnen zijn ontwerpparameters werkt, waardoor optimale prestaties worden behouden en de levensduur van de apparatuur wordt verlengd.

• Kosteneffectiviteit: Het verminderen van de frequentie van herontstekingen kan leiden tot kostenbesparingen door de onderhoudsvereisten te minimaliseren en potentiële apparatuurfouten te voorkomen.