Kompendie Slukkespoler og STAT COM anlæg

Transkript

1 Kompendie Slukkespoler og STAT COM anlæg

2 Indhold Slukkespoler... 3 Diagram over kv station... 3 Grundlæggene vekselspændingsteori... 4 Jordingsformer...12 Direkte jordet nulpunkt...12 Slukkespolejordet nulpunkt...13 STAT-COM anlæg...16 El-nettets faseforskydning STAT- COM anlæg - princip...18 Tre faset reaktor for højspænding...19 Trefaset kondensatorbatteri for højspænding...19 Fasekompensering af højspændingskabel med seriekoblede reaktorer...20 Levering af reaktiv effekt ved hjælp af AC-DC konvertere...20

3 Slukkespoler Diagram over kv station

4 Grundlæggene vekselspændingsteori Vektorer Til hjælp for beregninger på vekselstrømskredse tegnes vektordiagrammer, som erstatning for kurver. En vektor angives ligesom en kraft, dvs. i en bestemt længde og en bestemt retning. Vektorens omdrejningsretning er venstre om. Almindeligvis er det effektivværdierne, der benyttes i vektordiagrammerne. Hvis flere vektorer skal sammensættes, skal de tegnes i samme målforhold, herefter kan vektorerne sammenlægges i en resulterende vektor, der angiver den vektorielle sum af vektorerne. Vinkelhastighed Drejes en radius af længden 1 cm en hel omdrejning, vil dens yderste punkt gennemløbe cirklens omkreds. Som vist på figuren svarer en hel omdrejning til 2. Vektoren gennemløber altså en vinkel på 2 for hver er frekvensen. sek., hvor f Vektorens vinkelhastighed pr. sekund betegnes med det græske bogstav lille omega [T]

5 Belastningsformer Der findes tre former for belastninger på vekselstrøm; ohmsk belastning, kapacitiv belastning og induktiv belastning. Ohmsk vekselstrømsbelastning Består belastningen af glødelamper, varmelegemer e.l. uden væsentlig selvinduktion eller kapacitet, vil strøm- og spændingskurverne ligge i fase og benæv- nes ohmsk belastning. Ved ren ohmsk belastning kan beregningerne udføres nøjagtigt som ved jævnstrøm, idet man regner med spændingens og strømmens effektivværdier. Dette gælder for både Ohms lov og formlen for effekt. også være det. Effekten vil da inden for en periode variere efter den på figuren viste kurve, der fremkommer ved at gange Effektkurve Hvis vekselspændingen er sinusformet, vil strømmen sammenhørende øjebliksværdier af strøm og spænding. Strøm og spænding har skiftevis positiv og negativ værdi, men effekten har kun positiv værdi, hvilket er ganske naturligt, da strømmen udvikler varme, uanset i hvilken retning den går i en modstand.

6 Eksempler En varmeovn har en modstand på 30 S og er tilsluttet 230 V AC. Hvor stor er strømmen og effekten? Kapacitiv Tilsluttes en kondensator vekselspænding, vil den vekselstrømsbelastning skiftevis oplades og aflades. Et amperemeter indskudt i serie med kondensatoren vil give udslag svarende til disse lade- og afladestrømme. I kondensatorens tilledninger har vi derfor en vekselstrøm. Når vekselspændingen stiger, går der en ladestrøm til kondensatoren. Denne strøm ophører, når kondensatorspændingen har nået vekselspændingens maksimale værdi. I det øjeblik spændingen aftager, vil kondensatoren aflades. Ved hjælp af et oscilloskop kan vises, at strømmen i kondensatorens tilledninger er faseforskudt ¼ periode forud for klemspændingen. Kondensatoren giver altså 90º kapacitiv faseforskydning. Effektkurve Al den energi kondensatoren modtager fra elektricitetskilden i den del af perioden, hvor spændingen er stigende, sendes tilbage igen i den øvrige del af perioden. Der er her kun tale om energisvingning. Ganger man spændingen med den 90º faseforskudte strøm, får man reaktiveffekten, der måles i volt-ampere-reaktiv [var].

7 Kapacitiv reaktans Strømstyrken i kredsen er bestemt af kondensatorens kapacitet, vekselspændingens størrelse og frekvensen. Kondensatorens vekselstrømsmodstand kaldes den kapacitive reaktans eller blot reaktansen. Reaktansen findes som: XC = reaktansen målt i ohm C = kapacitansen målt i farad f = vekselstrømmens frekvens i Hz Ønskes kapacitansen indsat i :F, bliver udtrykket: Ohms lov Strømmen i kredsen kan findes ved Ohms lov: Kapacitiv effekt En kondensators effekt kaldes kapacitiv effekt eller reaktiv effekt, hvor IC er den strøm, der går i kondensatorens tilledninger.

8 Eksempler Beregn: En kondensator på 10 :F tilsluttes 230 V 50 Hz. strømstyrken IC reaktiveffekten Q Reaktansen XC

9 Induktiv vekselstrømsbelastning Består belastningen af spoler med stålkerne, hvilket er tilfældet i motorer, transformatorer m.v., vil der optræde en betydelig selvinduktion. Er belastningen rent induktiv, vil strømmen blive faseforskudt ¼ periode bagud for spændingen. "Ren" induktiv belastning er dog kun et tænkt tilfælde, da en spole ikke kan fremstilles uden ohmsk modstand. Effektkurve Ved at gange sammenhørende øjebliksværdier af strøm og spænding, kan der tegnes en kurve for effekten P. Det fremgår af figuren, at effekten er skiftevis positiv og negativ. I hver anden halvperiode aftager spolen energi fra generatoren, og i hver anden halvperiode sender den lige så stor energi tilbage til generatoren. Den wattløse effekts gennemsnitlige værdi over flere perioder er nul. Ganger man spænding og strøm ved 90 º faseforskydning, bliver resultatet reaktiveffekten. Reaktiveffekten måles i volt-ampere-aktiv [var]. Tilsluttes en spole med en vis ohmsk modstand til jævnspænding, vil strømmen blive: Tilsluttes samme spole vekselspænding, vil strømmen ikke alene begrænses af den ohmske, men også af den induktive modstand, hvorved strømmen bliver mindre. Den samlede modstand ved vekselspænding kaldes impedansen og betegnes Z.

10 Strømstyrken ved vekselspænding bliver: Spolestrømmens forsinkelse i forhold til klemspændingen, faseforskydningsvinklen n (phi), vil være bestemt af spolens induktive modstand. Den induktive modstand benævnes også induktansen eller reaktansen. Induktiv modstand En spoles induktive modstand XL kan opfattes som en speciel art modstand, men giver ikke som en ohmsk modstand direkte anledning til energitab. f står for strømvariationen pr. tidsenhed, hvor f er frekvensen, og L står for spolens selvinduktionskoefficient. Dvs. jo større frekvens og selvinduktionskoefficient, jo større induktiv modstand. Eksempler En spole har selvinduktionskoefficienten L = 0,05 H og en så lille ohmsk modstand, at der i dette tilfælde ses bort fra den. Spolen tilsluttes 230 V vekselspænding, frekvens 50 Hz. Beregn reaktansen XL og strømstyrken, samt effekten.

11

12 Jordingsformer Der findes hovedsagligt tre forskellige metoder til nulpunkts jording i højspændingsnet: Direkte jordet nulpunkt Isoleret nulpunkt Slukkespolejordet nulpunkt Direkte jordet nulpunkt Transformernes nulpunkt er forbundet til jordet, dette betyder at fejlstrømmen ved en enfaset jordslutning bliver af samme størrelsesorden som en kortslutningsstrøm. Dette grundes at nettets nul impedans bliver ved direkte jording, af samme størrelsesorden som kortslutningsimpedansen. Der er ikke nogen væsentlige driftmæssige fordele ved drift med isoleret nulpunkt, overfor net med slukkespole jording. På mellemspændingsniveau i Danmark bruges der ikke direkte jordet net. Direkte jording bruges på højspænding over kv. Fordelen er simpel relæbeskyttelse og at spændinger på de ikke fejlramte faser, ved enfasede jordslutninger, bliver ikke så høje som ved isoleret eller slukkespole jordet nulpunkt. Derfor kan isolation vælges lavere, f.eks. kan transformerne laves med gradueret isolation mellem fase og nulpunkt og derved laves billigere. Isoleret nulpunkt Nettets nulpunkt er kun forbundet til jord over meget store impedanser, f.eks. en spændingstransformer. Den eneste normale forbindelse mellem faserne og jord repræsenteres derfor af faseledernes kapacitans til jord. Dette resulterer i at nettets nulimpedans Z 0 er næsten en ren kapacitiv impedans. Impedansen kan beregnes med følgende formel 8.1). Kapacitetet til jord er tæt på at være ens for de tre faser og de udkompenserer derfor hinanden ved normale driftsforhold med symmetrisk spænding, således at der vil ikke være nogen resulterende strøm til jord. Ved enfasede jordslutninger bliver fejlstrømmen, på grund af den næsten rene kapacitive nulimpedans, en næsten ren kapacitiv strøm og meget mindre ende en kortslutningsstrøm. Ved en enfaset jordslutning reduceres spændingen til jord i den fejlramte fase, mens de øvrige fases spænding til jord øges. Hvor U er den fejlramte fases spænding før fejl, Z 0 er nulimpedansen og Z f er fejlimpedansen. Systemer med isoleret nulpunkt benyttes i mindre net, ved spændinger mellem 3 og 30 kv. Dette kan kun lade sig gøre i net hvor jordslutningsstrømmen er så lille, at der kan stoles på en slukning uden kompensering. I Danmark må isoleret nulpunkt ikke benyttes i luftledningsnet, hvis jordslutningsstrømmen kan overstige 5 ampere.

13 Slukkespolejordet nulpunkt Slukkespolejording af nulpunkt bygger på det at med isoleret nulpunkt er et nets nulimpedans Z 0, en næsten ren kapacitiv impedans, grundet faseledernes kapacitans til jord. Ved at indsætte en spole, med reaktans af samme størrelse som faseledernes kapacitans, mellem nulpunktet og jord, er det muligt at kompensere for den kapacitive fejlstrøm som opstår ved en enfaset jordslutning. Idet spolen ikke leder strøm ved normale driftsforhold med symmetrisk spænding i nettet behøver den kun at tåle relativt kortvarige belastning ved enfasede jordslutninger. Spolen er i praksis parallel koblet den kapacitive impedans hidrørende fra linierne med en lige så stor reaktans, således at der er resonans imellem linier og spole ved driftsfrekvensen. På den mode bliver kredsløbets impedans uendelig stor, Z 0 og derved bliver jordslutningsstrømmen I 0. V S V T V R-0 I T I S + I T I L V R I S Figur 8-1: Vektor diagram for spændinger og strømme ved enfaset jordslutning. Ved en enfaset jordslutning i et slukkespolejordet net skal slukkespolerne kompensere for hele nettets kapacitive fejlstrøm hidrørende fra faseledernes kapacitans til jord. Figur 8-1 viser vektordiagrammet for hvordan fase R ved enfaset jordslutning går ned til nul-potential, men spændingstrekanten R-S-T bevarer sin form. Strømmen I R er nul, idet kapacitansen mellem fase og jord er kortsluttet. Strømmerne I S og I T er 90º grader forskudt i forhold til de respektive fasespændinger V S og V T. Deres vektor summe er forskudt 90º forud V R-0 spændingen og slukkespolestrømmen, I L er 90º bagud V R-0. Vektor summen af strømmene er derfor lig med nul. Slukkespolen skal kunne kompensere for jordslutningsstrømmen fra faseleder i tilfælde af enfasede jordslutninger, slukkespolestrømmen kan beregnes med følgende formel:

14 Ved afpassning af slukkespolen tilstræbes at summen af I L og I S + I T bliver nul, hvorved fejlstrømmen I f også bliver lig med nul. I virkeligheden er dette dog ikke muligt da der altid er tab i slukkespolen og i nettet på grund af ledningernes resistans, jordens resistans og afledning over endemuffer osv. Derfor vælges der i praksis at drive nettet overkompenseret, altså at slukkespolereaktansen er lidt større end de i nettet indgående faselederes kapacitans. Figur 8-2 viser forholdene ved en enfaset jordslutning i et slukkespolejordet net, slukkespolen, L er tilsluttet en transformers nulpunkt, kapaciteterne, C j repræsenterer hver fases kapacitet til jord og i F er fejlstrømmen. Strømmene i faserne er i R, i S og i T. Figur 8-2: Kompensering af kapacitiv jordslutningsstrøm med en slukkespole. Normalt angives slukkespolers størrelse i ampere, dvs. den størrelse af jordslutningsstrøm de kan kompensere for, den transformers nulpunkt som slukkespolen tilsluttes skal også kunne tåle denne strøm. Det vil sige spændingen i nulpunktet ved fejl, som er lig med fasespændingen, ganget med strømmen. Dette grundes at transformere med mulighed for tilkobling af slukkespoler har en tredje vikling, udover primær og sekundær viklingen. Denne tredje vikling, kaldet udligningsvikling, udgøres af tre trekantkoblede viklinger som har det formål at annullere jordslutningens indflydelse på transformerens sekundær side. Således afhænger størrelsen af slukkespolen af den effekt udligningsviklingen kan håndtere. Figur 8-3 viser skematisk tegning af en YNyn(d) koblet transformer, med en slukkespole tilkoblet primærsidens nulpunkt.

15 Figur 8-3: Strøm i en udligningsvikling ved jordslutning. Af tegningen kan det se at strømmene i udligningsviklingen, inducerede af de kapacitive jordslutningsstrømme i transformerens primærvikling, cirkulerer og vil derfor udligne strømme i sekundærviklingen således at jordslutningen har ingen indflydelse på transformerens sekundærside.

16 STAT-COM anlæg El-nettets faseforskydning. El-nettets faseforskydning er væsentlig mere varierende end tidligere på grund af, at strømmen produceres på forskellig vis, afhængig af hvor meget vind og sol der er til stede. De udenlandske HVDC forbindelsers tilskud til forsyningen har også indvirkning. Højspændingsnettets kabellægning har ændret nettets påvirkning fra altid at ligge til den induktive side til tider at være kapacitiv. Nettets faseforskydningsvinkel udtrykkes ved cosinus φ. (cos φ). Jo tættere cos φ ligger på 1, jo bedre udnyttes el-nettet, da strømmen bliver mindre for at transmittere en given nytteeffekt. Eksempler Et lysstofrør bruger 0,4 A ved 230 V 50 Hz. Effekten for rør og spole udgør tilsammen 47 W. På grund af reaktorspolen i armaturet belaster forbrugeren som det ses af vektordiagrammet, belastes nettet med 0,4 A faseforskydningen er 60 grader og cos φ er 0,5 Efter montage af kondensator parallelt over armaturet er der fasekompenseret til cos φ = 0,85 og netstrømmen er reduceret til 0,24 A

17 Sammenhængen mellem faseforskydningsvinkelen og cos φ Det tilstræbes at der i alle dele af nettet er balance i den reaktive effekt, så cos φ ligger på 0,9 eller større-

18 STAT- COM anlæg - princip De meget omskiftelige forhold på nettet har ført til behovet for af fasekompensere et induktivt eller kapacitivt net. Derfor er der forskellige steder bygget anlæg, der i princippet kan karakteriseres således :

19 Tre faset reaktor for højspænding Trefaset kondensatorbatteri for højspænding

20 Fasekompensering af højspændingskabel med seriekoblede reaktorer Levering af reaktiv effekt ved hjælp af AC-DC konvertere Nettets fasekompensering kan også opnås ved hjælp af den stigende antal AC-DC og DC-AC convertere som findes i nye store vindmøller og i HVDC forbindelserne bl. a mellem Norge og Danmark.