Overspenninger Resonanser ved AUS-arbeider i kv-anlegg

Transkript

1 AUS-seminar i Bergen okt Overspenninger Resonanser ved AUS-arbeider i kv-anlegg Vårt mantra: Høyest mulig sikkerhet til lavest mulig kostnad. Foredragsholder: Harald Thomassen Fortum D 1

2 - Resonans i anleggene en fare for AUS? Anonnseringen kunne vært litt annerledes., Overspenninger og / eller resonanser, farlig for montørene og for nettet. Nettkomponenter kan til og med bli påført svekkelser som i sin tur fører til havari på et langt senere tidspunkt! 2

3 Innledning (3 5) Overspenninger ved bryterbetjening. Som vi vet har alle overføringsledninger (og kabler) med en hvis frekvens en kapasitet mellom faser, og mellom faser og jord. For vår del er det i all hovedsak snakk om en frekvens på 50Hz. Disse kapasiteter vil være avhengig av ledningenes designmessige utforming, men i enda større grad avhenging av ledningenes lengder. Kapasiteten vil øke tilnærmet proporsjonalt med lengden av ledningene. De lange høyspenningslinjene med store lengder vil derfor ha de største kapasitetene. Hvis vi i nettet har lange ledninger og kabler med flere transformatorer og da gjerne med Petersen-spoler vil det alltid være en hvis fare for at det oppstår koblingsoverspenninger. Dette forhold er noe vi må "leve med" og det er blant annet slik at som regel vil dertil egnede overspenningsavledere ta seg av slike problemer. 3

4 Overspenninger i radialer ved åpning av loop, enpolet. Ved åpning av en loop som altså gir en en-polet brytning, vil en i et gitt tilfelle kunne få en svært vanskelig "resonans-situasjoner". Ved enpolet brytning vil det i en uheldig situasjon lett kunne oppstå en svingekrets, eller en såkalt serieresonans. Serieresonansen dannes i dette tilfellet mellom Petersen-spolens induktivitet, XLog de kapasitive komponenter som frembringes fra nettet. Dette er noe forenklet fremstilt, men det faktum at en får en typisk XL = XC situasjon er dessverre sannsynlig. Ved enpolet bryting kan en få en seriekrets ved at den frakoblede fase seriekobles over linjens og transformatorens kapasitet mot slukkespolens induktivitet. En forutsetning for en slik konklusjon (kan være) er at brytningen skjer nærme hovedtransformatoren (sek.stasjonen). Imidlertid er det slik at om brytingen skjer lengre ut i nettet vil en kun få en reduksjon av kapasiteten mot jord. Det faktum at en svingekrets kanskje vil oppstå kan fortsatt være tilstede. Om dette er et faktum eller ikke kan først bestemmes når en ser nærmere på hvilke kapasiteter som gjenstår i kretsen. Faren for at serieresonans vil kunne oppstå under selve koblingsforløpet er dessverre sannsynlig fordi en kan få en egenfrekvens i den nydannede kretsen. (varierende frekvenser i det transiente koblingsforløp) 4

5 AMS-arbeide i radialer, og enpolet brytning Ved AMS-arbeider er det som kjent ikke helt uvanlig å foreta enpolede til- og frakoblinger. Slike koblinger foregår i de fleste tilfeller hvor en tilkobler luftledninger eller kabler uten belastning, altså luftledninger / kabler i tomgang. Tar en hensyn til at kablene ikke er for lange vil slike oppdrag gå helt greit. Imidlertid skal vi være svært kritiske hvis det blir snakk om enpolede koblinger hvor brytningen kommer i seriekrets med en fase i en eller flere transformatorer. Hovedregelen skal da være at oppdraget ikke skal utføres en-polet, men at koblingen gjøres all-polig med dertil egnet AMS-verktøy. Skulle det allikevel være ønskelig med gjennomføring av slike oppdrag en-polet må det gjennomføres en mer utførlig opptegnelse av kretsen og at en samtidig også foretar nødvendige beregninger med sikte på avklare at skadelige overspenninger ikke vil oppstå. (ved en slik utredning vil en ofte støte på at en del fysiske verdier kan være nokså vanskelig å fastslå helt nøyaktig, konklusjonen blir derfor: allpolig utførelse) 5

6 Velges feil til- eller frakoblingsmetode risikerer vi at det oppstår skadelige overspenninger, skadelige resonanssituasjoner. 6

7 Ved flerpolede koblinger, gjerne shuntkoblinger vil en ikke få noen problemer. Slike koblinger omtales derfor ikke spesielt her. 7

8 Serieresonans. Serieresonans inntreffer når ωl = 1/ωC Eller: XL = XC Eksempelvis: L vil i et gitt tilfelle være representert av Slukkespolen og C av kapasitet fra en ledning, og i noen tilfeller også fra en spolevikling mot jord (eks. fra en trafo-vikling) Spørsmålet blir nå, kan dette virkelig oppstå i en bestemt situasjon i forbindelse med et AUS-oppdrag? JA, men dette kan med enkle midler ungås 8

9 .. serieresonansen inntreffer altså når ωl = 1/ωC Denne tilstanden kaller vi serieresonans eller gjerne spenningsresonans. Faseforskyvningen er i et slikt tilfelle φ = 0. De spenningene som vil oppstå kan anta høye verdier over reaktansene i en gitt krets. Vi får altså høye spenninger over en induktivitet og over en motsvarende kapasitet som i sum gir 0 spenning i det induktive / kapasitive plan. Strømstyrken blir i et slikt tilfelle I = U/R. Impedansen blir altså ren resistiv.. i realiteten snakker vi om en kortslutning! 9

10 Eksempel, koblingsbilde hvor resonans kan oppstå. Se kretsen, det er det som gjelder. 10

11 Eksempel, Kapasiteten C3 kommer altså fra ledning nr. 3 og fra tilhørende trafovikling LN3. Se den nye kretsen, det er det som gjelder. 11

12 Kapasiteten C3 er representert ved: Den kapasitet som nå er kommet i serie med Slukkespolens induktivitet er kapasiteter fra ledning nr. 3 og fra trafoviklingen. Problemstillingen blir nå om foregående kan gi forutsetning for 1) 50 Hz resonans, eller resonans ved langt 2) høyere frekvenser. Svaret er, ja det er sannynlighet for begge forhold. 12

13 forhold vi skal ta hensyn til. Ved enpolet AUS-brytning vil en som regel få dårlig kvalitet på selve brytningforløpet, og dette vil gjelde både ved inn og utkobling. I det transiente koblingsforløpet vil det derfor oppstå små inn og utkoblinger som vil gi en slags skiftning mellom to vidt forskjellige nettbilder, eksempelvis skiftninger mellom normalt nettbilde opp mot dannelse av resonanssituasjon. Denne skiftning vil variere med koblingsfrekvense som er langt høyere enn driftsfrekvensen. 13

14 og enda flere forhold å ta hensyn til. Ved dårlig koblingskvalitet hvor en-polig koblingen foretas langt ute i nettet vil kapasiteten fra ledning 3 avta, og en vil til slutt kanskje stå igjen med kun induktiv last. I en slik situasjon kan det oppstå overspenninger (gjentenning) som kan skade enkelte nettkomponenter, eksempelvis en transformator. Løsningen på dette problemet kan være bruk av en midlertidig kondensator, imidlertid vil dette være nokså upraktisk i en AUS-situasjon. Risikoen for at det kan oppstå en skadelig, eller farlig situasjon kan reduseres ved at det anvendes bedre koblingsutstyr. 14

15 Oppsummert må vi altså hensynta: Det kan oppstå; 1. skadelig 50Hz resonans situasjon. 2. skadelig resonans situasjon med høy frekvens 3. skadelig spenning ved brytning av induktiv last En kobinasjon av alle forhold (1-3) kan også tenkes. Oppsummert: 15

16 Enpolet inn- og utkobling. skal ikke forekomme når en induktiv last kommer i serie med koblingen, unntak kan være.... skal absolutt ikke forekomme når en autotrafo kommer i serie med koblingen. (radial og maskenett). av kraftledninger og kabler I tomgang kan utføres, se dog anbefalinger I etterkomende bilder. Forøvrig bør en alltid konferere med driftssentralen om hva som er aktuelt nettbilde slik at en kan ta de rette beslutninger om når det kan anvendes enpolede koblinger og når det skal anvendes flerpolet kobling. 16

17 Til- og frakobling av kabler i tomgang: Til- og frakobling enpolet kan i enkelte tilfeller være problematiske. Blant annet skal en ta hensyn til to forhold. Det er 1) sikkerhetsmessig forhold og 2) fare for bryterfall i nettet. Etterfølgende tabeller gir en veiledning for hvordan en skal forholde seg. Verdiene kan imidlertid aldri angis som eksakte verdier fordi nettets beskaffenhet og terrenget omkring ledningene vil varierer både med årstider og faktisk over et døgn. Kapasiteten vil med andre ord aldri kunne fastsettes helt eksakt, og følgelig kan en heller ikke foreta eksakte og nøyaktig beregninger av kabellengdene. 17

18 En-polet til- frakobling av kabel, anbefalte maksimale lengder med hensyn på sikkerhet mot at lysbue ikke kan takles. Tab. 1 Spenning Dim.50 Dim.95 Dim.150 Dim.240 Anm.1 Anm.2 12 kv 2800 m 1900 m 1600 m 1400 m Anvende Visir og hørselvern Papirisolert Red. 35% 24 kv 1800 m 1400 m 1100 m 900 m Anvende Visir og hørselvern Red. 35% 18

19 En-polet til- frakobling av kabel, anbefalte maksimale lengder med hensyn på å unngå bryterfall. Tab.2 Spenning Dim.50 Dim.95 Dim.150 Dim kv 685 m 525 m 450 m 365 m 24 kv 985 m 750 m 655 m 535 m 19

20 Konklusjon angående kabler i tomgang: Med henysn på sikkerhet ser vi at det kan til- og frakobles forholdsvis lange kabler. Det tillates lengre lengder ved 12 enn ved 24 kv. (Tab.1) Ser en på fare for bryterfall er forholdet omvendt, de største lengdene har en ved den høyeste spenningen. (Tab. 2) Fare for bryterfall (Tab.2) vil alltid stå i sammenheng med nettets sammensetning, altså forholdet mellom km-kabel og km-luftledning. Det kan derfor finnes tilfeller hvor en tåler langt større lengder enn hva som er angitt i tabellen. Dog er det altså slik at sannsynligheten for bryterfall er tilstede når lengdene overstiger de lengder som er angitt. 20

21 Til- og frakoblinger ved anvendelse av forskjellige typer av verktøy Koblinger med: 1. uten gnistplate, en-polet 2. med gnistplate, en-polet 3. en-polet knivbryter 4. koblingskammer, en-polet eller fler-polet tilkobling 5. trepolet bryter, i mast 6. trepolet bryter i transportvogn 7. brytere i spenn, ca.1m fra avspenning 21

22 Koblingskvaliteter ut fra hvilke muligheter som finnes: Kobling med TF-klemme 22

23 .. med gnistplate (hvorfor anvendes gnistplate? ) 23

24 . med bryterkammer 24

25 .. med effektbryter, trepolig 25

26 AUS-metoder og koblinger: Koblingsmetoder i forhold til valgt AUS-metode... 26

27 Fare for at det oppstår overspenninger ved brytning av induktiv last I foran beskrevne tilfelle består resonanskretsen av den induktivitet vi får i slukkespolen og den kapasiteten vi frå fra ledning og trafo. Ved brytning av induktiv last, for eksempel til- eller frakobling av en spenningstrafo vil kapasiteten som kobles opp mot induktiviteten i slukkespolen kun være den kapasitet som fremkommer fra trafoviklingen. R, spole + X, spole blir gjennom jord i serie med R, trafo + X, trafo. R vil som kjent være noen lunde konstant og X vil variere med gjeldende frekvens. Krets ved driftsfrekvens, altså ved 50Hz, vil som regel ikke gi noen resonanssituasjon fordi kapasiteten fra en transformators fasevikling ikke vil anta en slik størrelse som motsvarer induktiviteten i slukkespolen. 27

28 Forts.: Fare for at det oppstår overspenninger ved brytning av induktiv last Krets ved variasjon av brytningsfrekvens, Når en utfører en-polede til- og fra koblinger anvendes det som regel ikke kvalitativt gode brytere. Når en-polet kobling utføres vil en få en såkalt uryddig kobling som i det transiente stadiet vil gi en rekke brytninger og slutninger. Disse brytninger og slutninger vil variere i frekvens, og frekvensen her vil være langt større enn driftsfrekvensen. Med en slik variasjon av frekvens kan det være sannsynlighet for at resonans betingelse oppstår. NB, øket frekvens gir lavere XC og høyere XL Om dette kan føre til resonans kan kun bestemmes ut fra en konkret beregning av en gitt situasjon. 28

29 Forts.: Fare for at det oppstår overspenninger ved brytning av induktiv last (se også bilde 14) Når en utfører en-polede til- og fra koblinger anvendes det som regel ikke kvalitativt gode brytere. Når en-polet kobling utføres vil en få en såkalt uryddig kobling som i det transiente stadiet vil gi en rekke brytninger og slutninger. Disse brytninger og slutninger kan gi som resultat svært høye overspenninger, såkalt gjentenninger, over brytningsstedet. Slike overspenninger kan resultere i havari av komponenter som transformatorer og lignende. 29

30 Til- og frakoblinger, kvalitetsbedømmelse i forhold til om det kan genereres overspenninger ved induktiv last. Brytningstype Flerpolet, tre enfase-kammer, eller vanlig trepolet bryter Enpolet i bryterkammer Sannsynlighet for havari 0, ikke sannsynlig (bemerkning) 2, sannsynlig 0-6, fra ikke sannsynlig for havari til stor sannsynlighet for havari Enpolet, med gnistplate 4, sannsynlig Enpolet kobling med TFklemme 6, stor sannsynlighet 30

31 Anleggstype og hvilke koblingsmetoder skal velges: Anleggstype Koblingstype Anm. 1 Autotrafo i radialer og maskenett Allpolig 2 Kondensatorbatterier Enpolig 3 Fordelingstransformatorer Enpolig Kfr. Netteier 4 Transformatorer uten metalkapsling Allpolig høy koblingskavlitet, eks.: b24, b25, NB avstandsposisjon. 5 Luftledninger i tomgang Enpolig 6 Kabler i tomgang Enpolig 7 Luftledninger / Kabler med last Allpolig 8 Åpne, loop, maskenett Enpolig Kfr. 1 9 Vindkraft Kfr. Netteier Koblingskvalitet er minimum anvendelse av gnistplate. Det anbefales dertil egnede brytere med brytekammer. Forøvrig nevnes at allpolig brytning i en eller annen form med bryterkammer er å foretrekke. Eksempel angående byterkammer se bilde 24, enfase eller flerfase. 3) hvis havari, vil energiutløsningen i en stålkapsling ikke volde alvorlige konsekvenser 4) sannsynlighet for havari gjør at allpolig skal anvendes samtidig med riktig avstandsposisojon. 31

32 Amor Electricum nos unit. Lykke til videre med moderne vedlikehold av nett. Takk for oppmerksomheten! 32