Nulstrømme i den spændingsløse pause ved enpolet genindkobling

Transkript

1 Nulstrømme i den spændingsløse pause ved enpolet genindkobling 29. august 2011 TKS/TKS 1. Indledning Baggrund Problemstilling Metode Tidshorisont Den inducerende strøm under enpolet-genindkobling Teoretisk Simulering i PSCAD Resultater af analysen Indvirkningen af det omkringliggende net Konklusion Referencer Indledning 1.1 Baggrund I forbindelse med udførelsen af nærføringsberegninger, beregnes den elektromagnetiske induktion ud fra en antagelse om, at den inducerende strøm i den spændingsløse pause er lig (vektor-)summen af strømmene i de raske faser, svarende til 3 x I 0, og er af samme størrelsesorden som driftsstrømmen før en enfaset fejl til jord. Nærføringsudvalget ønsker, at denne antagelse efterprøves ved gennemførelse af transiente beregninger i PSCAD/EMTDC udført i Netplanlægning ved Energinet.dk. 1.2 Problemstilling Ved én enfaset fejl på en transmissionslinje anvendes enpolet genindkobling. Ved detektering af fejlen udkobles den fejlramte fase, mens de to raske faser stadig er indkoblet. I denne periode er den fejlramte fase i en "spændingsløs Dok /11 v3, Sag 11/676 1/7

2 pause", hvor der pga. usymmetrien i forhold til de øvrige faser vil løbe en inducerende strøm i systemet. Den usymmetriske strøm i systemet kan inducere fejlstrømme/-spændinger i nærliggende metalliske leder, såsom fjernvarmerør og gasrør. Der er tidligere beregnet inducerede spændinger i nærliggende leder ud fra en antagelse om, at den inducerende strøm fra de raske faser er sammenlignelig med driftsstrømmen før fejlen. Nærføringsudvalget ønsker denne antagelse efterprøvet. Der ønskes svar på: - Kan driftsstrømmen før en enfaset fejl anvendes som en passende tilnærmelse til den inducerende strøm fra systemet i den spændingsløse pause? 1.3 Metode Problemstillingen anskueliggøres teoretisk såvel som analytisk ved gennemførelse af simuleringer i PSCAD. 1.4 Tidshorisont Analyser af den inducerende strøm under den spændingsløse pause ønskes gennemført og dokumenteret senest juli 2011 af hensyn til afholdelsen af næste møde i Nærføringsudvalget. 2. Den inducerende strøm under enpoletgenindkobling 2.1 Teoretisk Den inducerende strøm i et trefase system er vektorsummen af strømmene i de tre faser (noteret ved a, b og c) og betegnes jordstrømmen, I n. I I I I (2.1) n a b c Nulstrømmen i et trefase system (a, b, c) er defineret som en tredje del af summen af fasestrømmene [Glover2002]: 1 I0 I a Ib Ic (2.2) 3 Den inducerende strøm (jordstrømmen) i et trefase system er således lig tre gange nulstrømmen: I n 3I 0 (2.3) I et afbalanceret trefasesystem under normal drift vil nulstrømmen i faserne og jordstrømmen i systemet således være lig nul. Dette skyldes, at strømmene i de tre faser er forskudt 120 grader fra hinanden og er af samme amplitude, hvormed summen af strømmene er nul på et hvert givent tidspunkt. I den spændingsløse pause ved enfaset genindkobling vil den ene af de tre faser være udkoblet, hvormed systemet ikke er afbalanceret. Dette vil resultere i, at der løber en jordstrøm i systemet, I n, jf. (2.1) og en nulstrøm i faserne, I 0, jf. (2.2). Finder den enfaset fejl sted i fase a, vil nulstrømmen være lig en tredjedel af strømmene i faserne b og c: Dok /11 v3, Sag 11/676 2/7

3 1 I0 I b I c (2.4) 3 Antages det, at fase b og c forsat er forskudt 120 grader i forhold til hinanden og har samme amplitude, I, efter fejlen i den spændingsløse pause, vil nulstrømmen være: 1 I 0 I180 (2.5) 3 Jordstrømmen vil således være: I n I180 (2.6) Den inducerende strøm vil således have samme størrelse som fase b og c i den spændingsløse pause. For at koble strømmene i fase b og c i den spændingsløse pause til strømmene før fejlen må vi tage udgangspunkt i fasespændingerne, da disse er ens i den stationære tilstand før den enfasede fejl og den stationære tilstand i den spændingsløse pause. Før fejlen og efter fejlen haves følgende spændingsfald langs en transmissionslinje: Vaa' 0 V P, f Vbb', V P, e Vbb' (2.7) Vcc' Vcc' Spændingsfaldene henover de enkelte faser er ens før fejlen og i den spændingsløse pause, med undtagelse af fase a, hvor henover spændingsfaldet vil være nul. I et trefase-system findes følgende forhold mellem spændingerne og strømmene [Glover2002]: Va Zaa Zab Zac Ia Vb Zab Zbb Zbc Ib (2.8) Vc Zac Zbc Zcc Ic I et trefase-system uden kobling mellem faserne bliver (2.8) til: Va Zaa 0 0 Ia Vb 0 Zbb 0 Ib (2.9) Vc 0 0 Zcc Ic Sammenholdes (2.9) med (2.7) vil strømmene før fejlen og i den spændingsløse pause således være lig hinanden, idet impedanserne for de enkelte faser ikke påvirkes af fejlen. Hermed kan ud fra (2.6) konkluderes, at den inducerende strøm i de raske faser vil have samme størrelse som driftsstrømmen før fejlen for en transmissionslinje uden kobling mellem faserne. 2.2 Simulering i PSCAD Ligning (2.6) efterprøves ved simulering i PSCAD ved beregning af enfaset fejl med genindkobling ved forskellige cases angivet herunder. Dok /11 v3, Sag 11/676 3/7

4 Case no. Beskrivelse 1 Linje med modstand og reaktans, hhv. 1,6 Ω og 21 Ω, svarende til Asnæsværket-Bjæverskov (ASV-BJS) uden kobling mellem faserne, fejl i tilkoblingspunkt 2 Frekvensafhængig linjemodel, baseret på ASV-BJS (geometrisk data fra netsys), fejl i tilkoblingspunktet 3 Frekvensafhængig linjemodel, baseret på ASV-BJS (geometrisk data fra netsys), fejl på midten af linjen Den anvendte model består af en transmissionslinje, der enten simuleres som en modstand i serie med en induktans eller som en frekvensafhængig transmissionslinjemodel. Det omkring liggende net er repræsenteret ved to spændingskilder. Modellen er gengivet i Figur 1. Figur 1 Opstillet model i PSCAD til simulering af enfaset fejl og beregning af nulstrømme i systemet (case 3). Spændingskilderne er angivet til 400 kv (fase-fase, rms) kilder med synkronog nulimpedanser sat til 1 Ω, 80. Spændingskilderne er forskudt 1 i forhold til hinanden (det gøres for at øge størrelsen på strømmen i linjen). Fejlen er en enfaset fejl til jord (0,01 Ω). Fejlen påtrykkes til tiden 0,5 s. Fejlen udkobles umiddelbart efter, at den fejlramte fase udkobles. I simuleringerne er fejlen påtrykt fase A. Den fejlramte fase udkobles til tiden 0,56 s, dvs. tre perioder efter fejlen indtræder. Efter udkoblingen genindkobles den (tidligere) fejlramte fase igen efter 0,8 s, dvs. til tiden 1,36 s. Mellem udkoblingen og genindkoblingen befinder den fejlramte fase sig i en "spændingsløspause" Resultater af analysen Strømmene under fejlen og i den spændingsløse pause er illustreret med et eksempel i Figur 2. Dok /11 v3, Sag 11/676 4/7

5 0.50 Strømme under fejlforløbet I1_A I1_B I1_C I2_A I2_B I2_C I1_0 I2_ x Figur 2 Driftsstrømme og nulstrømme under fejlforløbet for skinne 1 og 2 (case no. 2). I Tabel 1 er resultaterne fra simuleringen af en enfaset fejl i case no. 1-3 angivet ved driftsstrømmen før fejlen (I drift_x ) og den inducerende strøm i den spændingsløse pause (3I 0_x ) for transmissionslinjen ved hhv. skinne 1 og skinne 2. Tabel 1 Driftsstrømme før den enfaset fejl og den inducerende strøm i den efterfølgende spændingsløse pause ved enpolet genindkobling ved skinne 1 og skinne 2. Case no. 3I 0_1 3I 0_1 / 3I 0_2 3I 0_2 / 1 0,246 0, ,247 0, ,234 0,145 0,62 0,243 0,155 0,64 3 0,235 0,133 0,56 0,243 0,142 0,58 For case 1 fremgår det, at den inducerende strøm i den spændingsløse pause er lig driftsstrømmen før fejlen. Denne case svarer til en transmissionslinje uden kobling mellem faserne. Resultatet er hermed i overensstemmelse med ligning (2.6). For case 2 og 3, hvor der er anvendte en frekvensafhængig transmissionslinjemodel med kobling mellem faserne, fremgår det, at den inducerende strøm i den spændingsløse pause er lavere end driftsstrømmen. Det skyldes koblingen mellem faserne. Den inducerende spænding i den spændingsløse pause efter en enfaset fejl må herfor under reelle driftsforhold forventes at være lavere end driftsstrømmen før fejlen. Dok /11 v3, Sag 11/676 5/7

6 2.2.2 Indvirkningen af det omkringliggende net I overstående afsnit er det kort analytisk vist, hvordan det kan forventes at forholdet mellem driftsstrømmen og den inducerende strøm i den spændingsløse pause er. Ovenstående giver dog ikke et indblik i, hvordan kortslutningseffekten i det omkringliggende net påvirker forholdet mellem driftsstrømmen før fejlen og den inducerende strøm i den spændingsløse pause. Der gennemføres herfor yderligere beregninger, hvor impedanserne for de to spændingskilder justeres efter følgende: Case no. Beskrivelse 11 Pos. imp. indstilles til 1 Ω, 80, nul imp. indstilles til 3 Ω, 80. Linje med modstand og reaktans (hhv. 1,6 Ω og 21 Ω svarende til ASV-BJS) uden kobling mellem faserne, fejl i tilkoblingspunkt 12 Pos. imp. indstilles til 100 Ω, 80, nul imp. indstilles til 150 Ω, 80. Linje med modstand og reaktans (hhv. 1,6 Ω og 21 Ω svarende til ASV-BJS) uden kobling mellem faserne, fejl i tilkoblingspunkt 21 Pos. imp. indstilles til 1 Ω, 80, nul imp. indstilles til 3 Ω, 80. Frekvensafhængig linjemodel, baseret på ASV-BJS (geometrisk data fra netsys), fejl i tilkoblingspunktet 22 Pos. imp. indstilles til 100 Ω, 80, nul imp. indstilles til 150 Ω, 80. Frekvensafhængig linjemodel, baseret på ASV-BJS (geometrisk data fra netsys), fejl i tilkoblingspunktet Case 11 og case 21 afspejler, at det omkringliggende net er stærkt, der overholder betingelserne X0/X1 < 3 og R0/X1 < 1 for transmissionsnettet [TF2.1.1]. Case 12 og 22 derimod afspejler et svagt omkringliggende net, der dog ikke er repræsentativt for det danske transmissionsnet. Resultaterne af de fire cases er givet i Tabel 2. Tabel 2 Driftsstrømme før den enfaset fejl og den inducerende strøm i den efterfølgende spændingsløse pause ved enpolet genindkobling ved skinne 1 og skinne 2. Case no. 3I 0_1 3I 0_1 / 3I 0_2 3I 0_2 / 11 0,246 0,221 0,90 0,247 0,221 0, ,025 0,020 0,79 0,026 0,020 0, ,244 0,125 0,51 0,254 0,138 0, ,043 0,049 1,14 0,055 0,053 0,95 For case 11 og 21, der er repræsentative for det danske transmissionsnet, kan det ses, at den inducerende strøm (3I 0 ) i begge tilfælde er mindre end driftsstrømmen før fejlen (I drift ). Case 12 og 22 repræsentere et svagt net, der ikke er repræsentativt for det danske transmissionsnet. For case 12 er den inducerende strøm mindre end driftsstrømmen før fejlen, hvorimod for case 22 er den inducerende strøm højere end driftsstrømmen. Dok /11 v3, Sag 11/676 6/7

7 Det omkringliggende net vil således ikke påvirke konklusionerne fra ovenstående afsnit, så længe nettet ikke kan betegnes som svagt, dvs. har lav kortslutningseffekt. 3. Konklusion Det er hidtil antaget, at den inducerende strøm (3I 0 ) i den spændingsløse pause ved en enfaset genindkobling er af samme størrelse som driftsstrømmen før fejlen (se ligning (2.6)). Det er i nærværende notat vist, at denne antagelse kan eftervises teoretisk baseret på en transmissionslinje uden kobling mellem faserne. Endvidere er der udført simuleringer i PSCAD til verificering af ovenstående antagelse vedr. størrelsen af den inducerende strøm i den spændingsløse pause. Af simuleringerne fremgår det, at i de opstillede tilfælde er den inducerende strøm i den spændingsløse pause lig eller mindre end driftsstrømmen før fejlens indtræden. For transmissionslinjer med kobling mellem faserne er den inducerende strøm lavere end driftsstrømmen før den enfasede fejl (med undtagelse af det urealistisk svage net). Det må heraf konkluderes, at driftsstrømmen før en enfaset fejl mod jord kan anvendes som et fornuftigt estimat for den inducerende strøm i transmissionslinjesystemer i den stationære spændingsløse pause, hvor den fejlramte fase er koblet ud. 4. Referencer [Glover2002] Glover, J.D. og Sarma, M.S., "Power System - Analysis and Design", Brooks/Cole, [TF2.1.1] OBG, "Teknisk forskrift - TF 2.1.1", Energinet.dk, Dok /11 v3, Sag 11/676 7/7