WPŁYW SYNCHRONIZACJI ŁĄCZEŃ NA PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE W UKŁADACH ELEKTROENERGETYCZNYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 30 XXI Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE 2011 Oddział Gdański PTETiS Referat nr 8 WPŁYW SYNCHRONIZACJI ŁĄCZEŃ NA PRZEPIĘCIA ŁĄCZENIOWE W UKŁADACH ELEKTROENERGETYCZNYCH Jakub FURGAŁ 1, Piotr TOKARZ 2 1. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, Kraków, tel: (12) fax: (12) , furgal@agh.edu.pl 2. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki, student V roku, tokarzp@gmail.com Streszczenie: W celu ograniczenia przepięć łączeniowych coraz częściej stosowana jest metoda synchronizacji łączeń. Wymaga ona stosowania wyłączników synchronizowanych, umożliwiających łączenie poszczególnych biegunów w ściśle określonych momentach czasowych. W artykule przedstawiono zasadę ograniczania przepięć łączeniowych metodą synchronizacji łączeń oraz analizę wpływu kąta fazowego łączenia baterii kondensatorów i transformatorów 110 kv na wartości przepięć. Słowa kluczowe: przepięcia łączeniowe, wyłączniki synchronizowane, symulacje komputerowe 1. WPROWADZENIE Podczas czynności łączeniowych w układach elektroenergetycznych, szczególnie podczas łączenia urządzeń o charakterze indukcyjnym i pojemnościowym - takich jak np. baterie kondensatorów, transformatory, dławiki - pojawiają się chwilowe napięcia o wartościach szczytowych znacznie większych od wartości maksymalnych napięcia roboczego [1-3]. Przepięcia są Rys. 1. Uproszczone schematy jednofazowych układów z baterią kondensatorów (a) i transformatorem (b): L Z, R Z - indukcyjność i rezystancja sieci zasilającej, C - bateria kondensatorów, L T, C T, R T - parametry schematu zastępczego transformatora na biegu jałowym, W - wyłącznik Rys. 2. Typowe przebiegi napięć podczas załączania baterii kondensatorów (a) i transformatorów (b) efektem stanów przejściowych związanych ze zmianą konfiguracji układów elektrycznych (rys. 1). Typowe przebiegi napięć podczas załączania baterii kondensatorów i transformatorów przedstawiono na rysunku 2. Przepięcia generowane w układach elektroenergetycznych stanowią narażenia układów izolacyjnych i mogą być przyczyną uszkodzeń urządzeń. Dlatego przepięcia są ograniczane przy zastosowaniu różnych metod. Coraz częściej w tym celu stosowana jest metoda synchronizacji łączeń. W artykule przedstawiono analizę wpływu łączeń synchronizowanych baterii kondensatorów i transformatorów 110 kv na wartości przepięć. Podstawą analizy były wyniki symulacji komputerowych przepięć generowanych podczas łączenia urządzeń przy zastosowaniu wyłączników synchronizowanych. Recenzent: Prof. dr hab. inż. Kazimier Jakubiuk Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechnika Gdańska

2 2. CHARAKTERYSTYKA METODY SYNCHRONIZACJI ŁĄCZEŃ Synchronizacja łączeń urządzeń elektroenergetycznych polega na załączaniu lub wyłączaniu poszczególnych faz w odpowiednich momentach czasowych w celu ograniczenia wartości przepięć. Wybór momentu łączenia faz zależy od rodzaju łączonego urządzenia i układu połączeń [4,5,6]. Na przykład synchronizowane załączanie baterii kondensatorów połączonych w gwiazdę z punktem neutralnym uziemionym pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Zasada załączania synchronicznego baterii kondensatorów połączonych w gwiazdę z punktem neutralnym uziemionym W przypadku załączania transformatorów z punktem neutralnym uziemionym załączenie pierwszej fazy następuje w momencie, gdy napięcie fazowe jest w swoim maksimum, a załączenie pozostałych faz następuje w momencie, gdy strumień w rdzeniu, generowany po załączeniu pierwszej fazy, ma taką samą wartość jak podczas pracy transformatora w stanie ustalonym. Gdy punkt neutralny transformatora jest izolowany od ziemi załączenie dwóch faz następuje jednocześnie w momencie, gdy ich napięcie międzyfazowe osiąga wartość maksymalną. Załączenie trzeciej fazy natomiast następuje w momencie, gdy strumień w rdzeniu, pojawiający się po załączenia pierwszych dwóch faz ma taką samą wartość, jak podczas pracy transformatora w stanie ustalonym. Metoda wymaga stosowania wyłączników z napędem oddzielnym dla każdego bieguna i sterowaniem napędami przy zastosowaniu układów elektronicznych, umożliwiających kontrolowane załączanie lub wyłączanie biegunów wyłącznika. 3. CHARAKTERYSTYKA SIECI 110 kv Wykonano symulacje przepięć łączeniowych we fragmencie układu elektroenergetycznego 110 kv z wyłącznikami synchronizowanymi (rys. 4). Wyniki symulacji były podstawą analizy wpływu kąta fazowego łączenia baterii kondensatorów i transformatorów na wartości przepięć Rozdzielnia zasilana jest przez trzy autotransformatory typu TAR /230 o mocy 160 MVA (Atr 1, Atr 2 i Atr 3). W układzie pracują dwa transformatory 110/15 kv typu TORc25000/115F o mocy 25 MVA (Tr 1, Tr 2), zasilane liniami napowietrznymi jednotorowymi 110 kv o długości 10 km. Linie są wykonane na słupach typu B2. Przewody fazowe stanowią z linki typu AFL6 240 mm 2, a przewód odgromowy linka typu AFL6 70 mm 2. W rozdzielni zainstalowano dwie baterie kondensatorów 110 kv (Bat 1, Bat 2) o mocy 136 MVAr w celu kompensacji mocy biernej. Bateria zawiera trzydzieści dwa kondensatory połączone w dwa moduły po szesnaście kondensatorów. Każdy moduł dzieli się na cztery sekcje po cztery kondensatory. Moc pojedynczego kondensatora wynosi 732 kvar, a napięcie znamionowe jest równe 9,75kV. Bateria kondensatorów jest połączona w gwiazdę z punktem neutralnym uziemionym. Do łączenia kondensatorów i transformatorów zastosowano wyłączniki synchronizowane 110 kv (W1, W2, W3 i W4). W celu ograniczania prądów załączania baterii kondensatorów w każdej fazie zastosowano dławiki o indukcyjności 57,96 mh. Baterie zasilane są liniami kablowymi o długości 210 m (Kab 1, Kab 2), wykonanymi przy zastosowaniu kabli typu XRUHKXS 300 mm 2 o napięciu znamionowym 110 kv. Do ochrony urządzeń rozdzielni 110 kv od przepięć zastosowano ograniczniki przepięć typu PEXLIM R 96. Rys. 4. Schemat fragmentu sieci doświadczalnej 220/110kV 42 Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, ISSN , Nr 30/2011

3 Tabela 1: Modele urządzeń w programie EMTP-ATP wykorzystane do modelowania sieci doświadczalnej 110 kv urządzenie modelowane model w EMTP-ATP źródło napięcia AC 3-ph, type 14 autotransformatory BCTRAN linie napowietrzne LCC (JMarti) linie kablowe LCC (JMarti) dławiki przeciwzwarciowe RLC 3-ph baterie kondensatorów RLC-Y 3-ph autotransformatory BCTRAN i transformatory model częstotliwościowoograniczniki przepięć zależny [7] wyłączniki switch time 3-ph Modele urządzeń, zastosowane do modelowania sieci 110 kv, zamieszczono w tabeli 1. napięcia (kąty fazowe: faza A: 90, faza B: 150, faza C: 210 ) pokazano natomiast na rysunku 7. Rys. 6. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach baterii kondensatorów 110 kv (Bat 1 - rys. 3) załączanej wyłącznikiem synchronizowanym przy zerowej wartości napięcia 5. SYMULACJE PRZEPIĘĆ PODCZAS ŁĄCZENIA URZĄDZEŃ 110 kv 5.1. Łączenie baterii kondensatorów 110 kv Wykonano symulacje przepięć podczas załączania baterii kondensatorów 110 kv (Bat 1 - rys. 4). Wyniki symulacji mają postać przebiegów napięć podczas załączania baterii przy różnych kątach fazowych. Wybrane wyniki symulacji przebiegów napięć przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Wyniki obliczeń napięć wykonanych dla baterii załączanej przy wartości zerowej napięcia (kąty fazowe: faza A: 0, faza B: 60, faza C: 120 ) zamieszczono na rysunku 6, a przebiegi napięć na zaciskach baterii po załączeniu przy maksymalnych wartościach Rys. 7. Przebiegi napięć fazowych baterii kondensatorów 110 kv (Bat 1 - rys. 4) załączanej wyłącznikiem synchronizowanym przy wartościach maksymalnych napięcia Rys. 5. Model fragmentu układu elektroenergetycznego 220/110 kv (rys. 4), opracowany w programie EMTP-ATP Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, ISSN , Nr 30/

4 Rys. 8. Zależność wartości współczynnika przepięć łączeniowych k p na baterii kondensatorów od kąta fazowego załączania Z analizy przebiegów napięć, przedstawionych na rysunkach 6 i 7, wynika, że po załączeniu baterii kondensatorów w momencie, gdy wartość napięcia wynosi zero (faza A: 0, faza B: 60, faza C: 120 ) wartości maksymalne napięć przejściowych na baterii są około 1,5 krotnie mniejsze od wartości napięć generowanych po załączeniu baterii przy wartościach maksymalnych napięcia zasilającego. Wykorzystując wyniki obliczeń przebiegów napięć przejściowych, wykonanych dla różnych kątów załączania kondensatorów, wyznaczono zależność wartości współczynnika przepięć k p od kąta fazowego załączania (rys. 8). Z analizy tych zależności wynika, że przy zmianie kąta załączania baterii w zakresie od 0 o do 360 o, wartości k p zamieniają się w przedziale od 1,05 do 1,6. Dla kątów 0 i 180 wartości przepięć są minimalne, a dla kątów 90 i 270 przepięcia są największe Załączanie synchronizowane transformatorów W celu analizy wpływu wyłączników synchronizowanych na wartości przepięć wykonano symulacje przebiegów napięć fazowych na zaciskach transformatora 110/15 kv (Tr 1 - rys. 4) załączanego przy różnych kątach fazowych. Wybrane przebiegi napięć fazowych tj. symulowane po załączeniu transformatora dla następujących kątów fazowych: faza A: 0, faza B: 90, faza C: 90, przedstawiono na rysunku 9, a przebiegi obliczone dla kątów fazowych: faza A: 90, faza B: 180, faza C: na rysunku 10. Rys. 10. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach transformatora 110 kv (Tr1 - rys. 4) załączanego dla kątów fazowych: faza A: 90, faza B: 180, faza C: 180 Rys. 11. Zależność wartości współczynnika przepięć k p podczas załączania transformatora 110 kv od kąta fazowego załączania Wykorzystując wyniki symulacji napięć przejściowych po załączeniu baterii kondensatorów przy różnych kątach fazowych wyznaczono zależność wartości współczynników przepięć k p od kąta fazowego załączania (rys. 11). Zależności te potwierdzają, że przy zmianie kąta fazowego załączania transformatora w zakresie od 0 o do 360 o wartości współczynnika k p zamieniają się w przedziale od 1,02 do 1,37. Przepięcia osiągają wartości minimalne dla kątów fazowych 0 lub Wyłączanie transformatorów Wykonano także symulacje przebiegów napięć fazowych podczas wyłączania transformatora 110 kv (Tr 1 - rys. 4) dla różnych kątów fazowych. Wybrane wyniki symulacji, wykonane podczas wyłączania transformatora dla następujących kątów: faza A: 0, faza B: 90, faza C: 90 przedstawiono na rysunku 12 oraz wykonane dla kątów: faza A: 90, faza B: 180, faza C: pokazano na rysunku 13. Rys. 9. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach transformatora 110 kv (Tr1 - rys. 4) załączanego przy następujących kątach fazowych: faza A: 0, faza B: 90, faza C: 90 Rys. 12. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach transformatora 110 kv (Tr 1 - rys. 4) wyłączanego wyłącznikiem synchronizowanym przy następujących kątach fazowych: faza A: 0, faza B: 90, faza C: Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, ISSN , Nr 30/2011

5 osiągają wartości minimalne nieznacznie przekraczające wartość jeden. 6. PODSUMOWANIE Rys. 13. Przebiegi napięć fazowych na zaciskach transformatora 110 kv (Tr 1 - rys. 4) wyłączanego przy następujących kątach fazowych: faza A: 90, faza B: 180, faza C: 180 Rys. 14. Wartości współczynnika przepięć k p podczas wyłączania transformatora 110 kv (Tr 1 - rys. 4) w funkcji kąta fazowego Wykresy pokazane na rysunkach 12 i 13 ukazują wpływ kąta fazowego wyłączania transformatora na wartości maksymalne przejściowych napięć fazowych generowanych na zaciskach transformatora. Na rysunku 14 zamieszczono wykresy zależności wartości maksymalnych napięć fazowych od kąta fazowego napięcia wyłączania transformatora. Z analizy tych wykresów wynika, że przy zmianie kąta wyłączania wartości współczynnika przepięć k p zmieniają się w przedziale od 1,05 do 1,25. Dla kątów fazowych wyłączania równych 0 lub 180 przepięcia Jedną z metod ograniczania przepięć generowanych podczas łączenia urządzeń, stosowaną coraz częściej w układach elektroenergetycznych, jest metoda synchronizacji łączeń. Wymaga ona stosowania wyłączników synchronizowanych, umożliwiających załączanie i wyłączanie urządzeń w ściśle określonych momentach czasowych. Wyniki symulacji przepięć generowanych podczas łączenia urządzeń potwierdzają wpływ kąta fazowego łączenia na wartości maksymalne przepięć. Przepięcia generowane podczas łączenia baterii kondensatorów lub transformatorów w odpowiednich momentach czasowych wyłącznikami synchronizowanymi mogą być ograniczone do wartości zbliżonych do wartości maksymalnych napięcia zasilającego. LITERATURA 1. Jakubowski J. L.: Podstawy teorii przepięć w układach energoelektrycznych, PWN, Warszawa, Grzybowski S., Kordus A., Królikowski Cz., Seidel S., Zeydler - Zborowski J.: Kondensatory w energoelektryce, WNT, Warszawa, Królikowski Cz.: Technika łączenia obwodów elektroenergetycznych, PWN, Warszawa, Ciok Z.: Przepięcia łączeniowe w układach elektroenergetycznych - badania modelowe, Warszawa, Ciok Z.: Modelowanie procesów przejściowych przy kontrolowanym przełączaniu baterii kondensatorów kompensujących, Przeg. Elekt., 02/2005, s Goldsworthy D., Roseburg T., Tziouvaras D., Pope J.: Controlled Switching of HVAC Circuit Breakers: Application Examples and Benefis, Schweitzer Engineering Laboratories 2007, pp IEEE Working Group : Modeling of Metal Oxide Surge Arresters, IEEE Trans. on Pow. Deliv., Vol. 7, No. 1, Jan. 1992, pp INFLUENCE OF THE SYNCHRONISATION OF SWITCHINGS ON SWITCHING OVERVOLTAGES IN ELECTRICAL POWER SYSTEMS Keywords: switching overvoltages, synchronized circuit breakers, computer simulations In the aim of the limitation of switching overvoltages more and more often is used the controlled switching method. It need using synchronized circuit breakers enabling switching of indywidual poles at exactly determined time moments. The paper presents the principles of reduction for switching overvoltages by use of the controlled switching method and analysis the influence of phase angle of switching of capacitor batteries and transformers of 110 kv on values of overvoltages. Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, ISSN , Nr 30/

6 46 Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki, ISSN , Nr 30/2011