Synkron koppling av effektbrytare

Transkript

1 ABB Power Products, HV Products - Page 1 Forum for koblingsanlegg, Oslo oktober 2008 Synkron koppling av effektbrytare Carl E Sölver ABB High Voltage Products Ludvika 400 kv strömbrytare typ HPL

2 ABB Power Products, HV Products - Page 2 Inledning, synkron koppling Kopplingsmanöver Transienter Påkänningar på: Systemisolation Transformatorer Reaktorer Kondensatorbatterier Strömbrytare Avsikten med synkron koppling är att eliminera skadliga transienter! Störning av: Telekommunikation Datorer Kontrollsystem i ställverk

3 ABB Power Products, HV Products - Page 3 Vad är synkron koppling? En metod att eliminera skadliga transienter genom tidsstyrda kopplingsmanövrer Fördröj öppningsimpuls (eller slutimpuls) till brytaren så att brytning (eller slutning) sker i optimalt tidsögonblick REFERENS VÄNTETID + MANÖVERTID MÅL Kan ersätta dämpreaktorer, inkoppingsmotstånd, etc

4 ABB Power Products, HV Products - Page 4 Funktionsprincip Exempel: Spänningssättning av kondensatorbatteri T F : Tidsåtgång för att bestämma tidsreferens (=spänningsnoll) T V : Väntetid T M : Förväntad sluttid för brytaren

5 ABB Power Products, HV Products - Page 5 Adaptiv styrning Exempel på adaptiv styrning: Spänningssättning av shuntkondensator Mäter tidsåtgången för genomförd manöver Justerar väntetiden om så behövs

6 ABB Power Products, HV Products - Page 6 Krav på strömbrytaren Stabila manövertider; endast små variationer med omgivningsförhållanden och manöverspänning Hög och stabil dynamisk spänningshållfasthet mellan kontakterna Synkron koppling är olämplig i kombination med inkopplingsmotstånd

7 ABB Power Products, HV Products - Page 7 Lämpliga strömbrytare Stabila manövertider Endast små variationer med omgivningsförhållanden och manöverspänning Endast små variationer efter långt stillestånd Exempel på uppmätta öppningtider vid ett mekaniskt manöveruthållighetsprov. Diagrammet visar extremvärden där manöverspänningen varierats mellan 70 och 110%.

8 ABB Power Products, HV Products - Page 8 Lämpliga strömbrytare Hög och stabil dynamisk spänningshållfasthet mellan kontakterna RDDS: Rate of Decrease of Dielectric Strength RRDS: Rate of Rise of Dielectric Strength Exempel på uppmätt RRDS (Rate of Rise of Dielectric Strength) X : prov som gett spänningssammanbrott en viss tid efter kontaktseparation O: prov som ej gett spänningssammanbrott

9 ABB Power Products, HV Products - Page 9 Synkron koppling - tillämpningar Etablerade tillämpningar: Shuntkondensatorer; inrusningsström 60% Shuntreaktorer; nytändningar, inrusningsström 25% Transformatorer; inrusningsström 15% Ytterligare tillämpningar: Transformatorer; inrusningsström, remanens uppmätt Transmissionslinjer; kopplingsöverspännningar Switchsync controllers

10 ABB Power Products, HV Products - Page 10 Kondensatorbatteri - inkoppling Primärt problem: Inrusningsström, Spänningstransienter Speciellt uttalat för parallella batterier Synkron koppling: Inkoppling då momentana spänningen över brytarens kontakter är noll Osynkroniserad inkoppling vid spänningsmax Synkroniserad inkoppling vid spänningsnoll

11 ABB Power Products, HV Products - Page 11 Principen för inkoppling vid spänningsnoll Dielectric and mechanical scatter Voltage withstand of breaker contacts during closing (RDDS) Max. pre-striking voltage at delayed target Busbar voltage

12 ABB Power Products, HV Products - Page 12 Inkoppling; enpoligt och trepoligt manövrerad brytare Vid synkron koppling skall brytarens tre poler slutas eller öppnas í olika tidsögonblick. Tidsdifferenserna beror på applikationen. Metoder: - Enpoligt manövrerad brytare med indviduell kontroll av varje pol - Trepoligt manövrerad brytare med mekaniskt justerade, snedställda poler Exempel, inkoppling av kondensatorbatteri Jordad nollpunkt: De tre polerna skall kopplas in med tidsmellanrum 1/6 period (3.33 ms vid 50 Hz) Ojordad nollpunkt: Två poler skall kopplas in samtidigt, och den sista polen 1/4 period senare (5 ms vid 50 Hz)

13 ABB Power Products, HV Products - Page 13 Användning av snedställda brytare Snedställningen beror av - Nollpunktens jordning - Nätfrekvensen; 50 eller 60 Hz Snedställningen påverkar både brytarens öppningstid och sluttid Varning: - I fallet med jordat kondensatorbatteri finns det risk att vända den snedställda brytaren fel i ställverket!

14 ABB Power Products, HV Products - Page 14 Kondensatorbatteri - urkoppling Strömbrytare konstrueras och provas för att ge låg eller mycket låg sannolikhet för återtändningar (Class C1 or C2) En användare kan dock vilja ha ökad säkerhetsmarginal Synkroniserat frånslag kan användas för att minimera risken för återtändningar Korta ljusbågstider elimineras Används normalt tillsammans med synkroniserat tillslag

15 ABB Power Products, HV Products - Page 15 Synkron koppling av krafttransformatorer Synkroniserad koppling används för att begränsa inrusningsströmmen vid inkoppling Det finns många olika arrangemang av lindningar och kärnor I vissa fall påverkar koppling av en enskild fas de övriga faserna, i andra fall inte Algoritmen för synkroniserade koppling anpassas till lindnings- och kärnarrangemang 420:132 kv, 750 MVA transformer in test area, Ludvika, Sweden

16 ABB Power Products, HV Products - Page 16 Stationärtillstånd, tomgång 1. Symmetrisk spänning över transformatorlindningen 2. Symmetriskt magnetiskt flöde genererat av den pålagda spänningen 3. Flödet avgör hur stor del av järnets magnetiseringskurva som utnyttjas 4. Den resulterande magnetiseringsströmmen bestäms av magnetiseringskurvans form

17 ABB Power Products, HV Products - Page 17 Asymmetriskt flöde - inrusningsström Exemplet visar hur en hög inrusningsström uppkommer vid ett illa valt inkopplingsögonblick: Inget remanent flöde vid inkoppling Inkoppling vid spänningsnoll

18 ABB Power Products, HV Products - Page 18 Följder av hög inrusningsström Inrusningsström vid mättad kärna Höga elektromekaniska påkänningar Hög nollföljdström Obefogade reläfunktioner Minska inrusningsströmmen med hjälp av synkron koppling!

19 ABB Power Products, HV Products - Page 19 Idealt inkopplingsögonblick Inrusningsströmmen minimeras då inkoppling sker i det ögonblick då remanensen möter det prospektiva symmetriska flödet

20 ABB Power Products, HV Products - Page 20 Metod 1. Inkoppling utan hänsyn till remanens Metoden är bäst i fall utan remanens men kan också användas i fall med (okänd) remanens Inkopplingen styrs enbart av fasläget på matningsspänningen Metoden begränsar de högsta inrusningsströmmarna, även i fall med remanens Första inkoppling skall ske i en fas vid max fas-jord spänning (för jordad nollpunkt) eller i två faser vid max fas-fas spänning (för ojordad nollpunkt) Inkoppling av återstående fas eller faser skall ske i det ögonblick då flödet i respektive kärna eller kärnor, orsakat av den första inkopplingen, är lika med det stationärtillstånd som skall uppstå

21 ABB Power Products, HV Products - Page 21 Metod 2. Synkroniserad urkoppling och inkoppling Synkron urkoppling används för att åstadkomma bestämd och repeterbar remanens Proceduren är normalt att bryta tomgångsströmmen nära dess naturliga nollgenomgång, varvid remanensen blir nära noll Den efterföljande inkopplingen baseras på att remanensen nu är känd Metoden lämpar sig väl för situationer med regelmässiga planerade kopplingar med transformatorns i tomgång

22 ABB Power Products, HV Products - Page 22 Metod 3. Inkoppling med hjälp av uppmätt remanens Öppningsmanövrer görs slumpmässigt (dvs osynkroniserade), varvid remanensen bestäms genom integration av spänningen Signalerna kan tas från normala magnetiska eller kapacitiva spänningstransformatorer anslutna till transformatorn Den efterföljande inkopplingen styrs av den beräknade remanensen, så att inrusningsströmmen minimeras Metoden är väl lämpad för situationer med oplanerade manövrer, under varierande förhållanden Exempel på remanens efter urkoppling, bestämd genom integration av transformatorspänningen. Lindningarna är D-kopplade och därför blir summan av de tre remanensflödena lika med noll.

23 ABB Power Products, HV Products - Page 23 Synkron koppling av shuntreaktorer Synkron koppling används för att eliminera nytändningar vid urkoppling Synkron koppling används också för att begränsa inkopplingsströmmen vid inkoppling Strömbrytare för shuntreaktorer är normalt enpoligt manövrerade (p.g.a. den höga märkspänningen) Synkron koppling av trepoligt manövrerad brytare kräver mekaniskt justerade poler; snedställd brytare Det är normalt inte möjligt att synkronisera både in- och urkoppling med snedställda brytare

24 ABB Power Products, HV Products - Page 24 Shuntreaktorer, transienter vid urkoppling Klippningsöverspänningar Alstras på grund av att strömmen klipps av något före sin naturliga nollgenomgångar (current chopping) Klippningsöverspänningar är normalt begränsade både i branthet och amplitud, och kan accepteras Nytändningar Nytändningar uppstår då brytarens kontaktavstånd är för litet för att hålla för den återvändande spänningen efter att strömmen brutits. Detta inträffar vid korta ljusbågstider. Nytändningar ger transienter med hög frekvens och branthet. Ventilavledare ger ej tillräckligt skydd. Nytändningar kan elimineras genom synkroniserat frånslag

25 ABB Power Products, HV Products - Page 25 Shuntreaktorer; synkroniserad urkoppling Styrning av ljusbågstiden vid urkoppling Mål för kontaktskiljning Ström Kontaktskiljning i detta tidsintervall leder inte till nytändningar Kritiskt tidsintervall för nytändningar Tid

26 ABB Power Products, HV Products - Page 26 Overvoltage/Inrush current, pu Shuntreaktorer; synkroniserad inkoppling Synkroniserad inkoppling begränsar inrusningsströmmen, med tillhörande elektromekaniska påkänningar och nollföljdström Används normalt som komplement till synkroniserad urkoppling Inkoppling vid spänningens toppvärde minimerar inrusningsströmmen och reducerar: Elektromekaniska påkänningar på reaktorn Felfunktion för reläskydden MEN: De elektriska påkänningarna på reaktorns isolation maximeras Synkroniserad inkoppling är användbar, men användaren måste bestämma vilken strategi som är lämplig i varje given situation Deviation from optimum switching instant, ms Inkoppling vid spänningsnoll minimerar påkänningen på isolationen, men maximerar inrusningsströmmen

27 ABB Power Products, HV Products - Page 27 Inkoppling/återinkoppling av luftlinjer Spänning på skenan Vandringsvåg Reflekterad våg Linje Öppen ände Ställverk Kvarvarande laddning på linjen Viktigt för systemspänningar över 300 kv Traditionellt har inkopplingsmotstånd använts för att begränsa kopplingsöverspänningarna Idag kan synkron koppling användas, gärna i kombination med ventilavledare

28 ABB Power Products, HV Products - Page 28 Kopplingsalgoritmer, okompenserade linjer Metod 1. Bortse från ev. kvarvarande laddning på linjen Method 2. Mät upp kvarvarande laddning på linjen, och ta hänsyn till den Bästa resultatet fås vid kombination med ventilavledare Linjeavledare, AEP 800 kv linje

29 ABB Power Products, HV Products - Page 29 Bestämning av kvarvarande laddning Utsignaler från CVT:er vid urkoppling av tomgående, okompenserad luftlinje Magnetkretsen i transformatordelen går i mättning en viss tid efter urkoppling Utsignalen ligger dock kvar så länge att kvarvarande spänning/laddning kan bestämmas

30 ABB Power Products, HV Products - Page 30 Overvoltage (p.u.) Linjekoppling jämförelse av överspänningar 3-Phase Fast Re-closing of 200 km, 550 kv Noncompensated Line After 1-Phase Ground Fault Range of SIWL used for lines No Control Closing Resistors Line Ends Line Ends & Mid-point F F236, Line Ends F236, Line Ends & Mid-point 1.50 L Distance in Percentage of Line Length (%)

31 ABB Power Products, HV Products - Page 31 Sammanfattning Synkron koppling är en effektiv, väl beprövad metod att minska oönskade transienter i ett antal viktiga fall Kondensatorbatterier Transformatorer Shuntreaktorer EHV linjer Brytarna måste ha god mekanisk och elektrisk stabilitet