RESONANSPROBLEM I FORDELINGSNETT KNYTTET TIL KONDENSATORER FOR FASEKOMPENSERING MÅLINGER, SIMULERINGER OG ANALYSER Av: Trond Toftevaag, Atsede Endegnanew, NTNU, Helge Seljeseth, SINTEF Energi, Rune Paulsen, NTE Sammendrag Klager på elkvaliteten fra sluttbrukere i et lavspennings fordelingsnett ga opptakten til en større undersøkelse i det aktuelle forsyningsområdet, der det i første omgang ble foretatt målinger i utvalgte punkter i det aktuelle nettet, både på lavspennings- og høyspenningsnivå. Klagene var relatert til lavfrekvent, godt synlig flimmer i belysningsutstyr med elektroniske dimmere. Frekvensen for flimmeret var på ca. 2 Hz. Målingene avslørte at den synlige 2 Hz flimmerkomponenten skyldtes fluktuasjoner i spenningen der spesielt den 7.harmoniske komponenten varierte ganske kraftig i amplitude. Amplitudevariasjonen foregikk med en frekvens nær 2 Hz. Det viste seg etter hvert at de rapporterte elkvalitetsproblemene kunne knyttes til resonans mellom en nettrelatert harmonisk kilde og kondensatorer for fasekompensering av større, høyspennings asynkronmaskiner installert i en pumpestasjon (som mates via 22 kv) i det aktuelle forsyningsområdet. Rapporten gir en beskrivelse av det aktuelle resonansproblemet, med hovedvekt på de viktigste måle- og analyseresultatene. Målinger i pumpestasjonen uten kondensatorbatterier innkoplet viser at nivået for den 7. harmoniske komponenten er redusert med ca. en faktor 8 sammenlignet med driftssituasjon hvor batteriene var innkoplet. Analyser av resonans gjennomført både via forenklete beregninger og datamaskinbasert modellering/simulering viser at forenklet metode gir resultater i god overensstemmelse med de mer detaljerte beregningene i dette tilfellet. Verdiene for resonansfrekvensen for de ulike analysetilfellene viser imidlertid et avvik i forhold til måleresultatene. Dette vil bli fulgt opp i et videre arbeid. Innledende studier indikerer at den problematiske 2-Hz komponenten i (momentanverdien for) spenningen i det aktuelle nettet skyldes en «interaksjon» mellom stator- og rotorsiden i asynkronmotorene i pumpestasjonen. Dette vil bli fulgt opp i et videre arbeid. Identifisering av den "nett-relaterte" harmoniske kilden er (så langt) ikke foretatt. Dette vil også bli fulgt opp i et videre arbeid. 413
1. INNLEDNING Spenningskvalitetsproblemet presentert i denne rapporten førte til kundeklager til et norsk nettselskap selv om flimmernivå var lavt i henhold til internasjonale standarder. Kundene klagde på veldig synlige lysforstyrrelser i belysningsutstyr bak elektroniske dimmere ved enkelte tidspunkt på døgnet. Nettselskapet i området gjennomførte målinger for å vurdere situasjonen. Målingene ble gjennomført med instrumenter som måler i henhold til den norske «Forskrift om Leveringskvalitet i kraftsystemet» [1] (oppfyller også EN50160 [2]). Målingene som ble gjennomført ved bruk av MedCal instrumenter viste ingen høye flimmernivå eller hurtige spenningsendringer, men kundene hadde klart å filme og bevise det synlige flimmeret i måleperioden. Problemet vedvarte med ujevne mellomrom og SINTEF Energi ble involvert i saken. Nye målinger ble gjennomført hos en av kundene i området med beskjed om at kunden samtidig måtte notere ned tidspunkt når flimmeret oppstod. De nye målingene ble gjennomført ved hjelp av mer avanserte Elspec-instrumenter [5]. Disse målingene ble foretatt i flere uker fra ca. medio oktober 2010. Målingene foregikk samtidig både hos sluttbruker og i det overliggende høyspennings fordelingsnettet. Disse målingene avslørte at den synlige 2 Hz flimmerkomponenten skyldtes fluktuasjoner i spenningen der spesielt den 7.harmoniske komponenten (men også til en viss grad den 5.harmoniske komponenten) varierte ganske kraftig i amplitude. Denne amplitudevariasjonen foregikk med en frekvens nær 2 Hz. Flere målinger ble gjort andre steder i nettet og den samme 7. harmoniske komponenten viste seg ved ulike tidspunkt. Etter hvert oppdaget nettselskapet at tilstedeværelsen av den 7. harmoniske komponenten var 100 % sammenfallende med kjøring av en pumpestasjon i samme nettområde. Når pumpestasjonen var i drift var lysflimmeret synlig og når pumpestasjonen stoppet forsvant lysflimmeret. Det ble gjennomført flere målinger i selve pumpestasjonen, og mistanken ble etter hvert rettet mot motorene i pumpestasjonen. Mye litteratur er studert og flere teorier lansert, men problemet var å bevise hvor den forstyrrende 2 Hz komponenten i spenningen kom fra. (Det var denne 2 Hz komponenten som var synlig i belysningsutstyret hos kundene). Det har ikke vært mulig å finne beskrivelser og/eller teoretisk baserte forklaringer fra undersøkelsene som forklarer at motorene skal kunne generere en (ca.) 2 Hz forstyrrelse i spenning og/eller 414
strøm. (Det har heller ikke vært mulig å få fremskaffet informasjon om design av stator- og rotorviklingene ifra motorfabrikanten). Det ble dernest fremmet en ide om at 2-Hz problemet kunne ha sammenheng med en resonans relatert til en (antatt) harmonisk kilde i det overliggende nettet, nettets impedanser og kondensatorbatteriene for fasekompensering av asynkronmotorene i pumpestasjonen. Dette forhold er blitt undersøkt via følgende innfallsvinkel: forenklet beregning modellering/simuleringer målinger Resultater fra disse analysene og målingene representerer hovedbidraget i nærværende artikkel, og presenteres i egne kapitler nedenfor. Hypotese om primær årsak til 2-Hz problemet er beskrevet (stikkordsmessig) under «Konklusjon». 2. MÅLINGER GJENNOMFØRT I PUMPESTASJONEN I 2012 I samarbeid med netteier gjennomførte SINTEF Energi målinger i pumpestasjonen i 2012 med det mål å samle mer informasjon om de elektriske forholdene for de aktuelle asynkronmotorene under ulike driftsforhold enn det man hadde oppnådd via de tidligere målingene. Målingene ble foretatt med instrumenter av fabrikat Elspec på både 22 kv siden og 6,6 kv siden av transformatoren i pumpestasjonen. Se Figur 1 for nærmere detaljer. Data for asynkronmotorene: Merkespenning: 6.6 kv Merkefrekvens: 50 Hz Merkeeffekt: 1.75 MW Merke rotasjonshastighet: 742 rpm Rotor: viklet rotor og sleperinger Kondensatorer for reaktiv kompensering: 600 kvar (per motor) Startmetode for motorene: motstander (eksterne) i rotorkretsen (motor-kontrollert børsteløfter og 7 trinns startmotstander). Pumpesettene er for øvrig utstyrt med horisontal, tørrmontert, dobbelrotor pumpe. 415
22 kv 6.6 kv IM 1 IM 2 IM 3 PUMP 1 PUMP 2 PUMP 3 = Voltage and current measurement = Current meas. (Sept. 2013) Figur 1. Enlinjeskjema for pumpestasjonen. Målepunktene er angitt i figuren. Målinger utført vha. Elspec G4430 (22 kv) og G4500 (6,6 kv). Hovedobservasjoner fra disse målingene i pumpestasjonen er som følger: Det er en markant 7. harmonisk komponent i både spenning og strøm, både på 6,6 kv nivå og på 22 kv nivå. Figur 2 viser dette mer detaljert referert 6,6 kv. Nivået for den 7. harmoniske komponenten (i både spenning og strøm) øker med antall motorer som er i drift. Se Figur 5 for detaljer (fra september 2013). Dette gjelder også for den 7. harmoniske komponenten i strømmen for motor nr. 1. Det observeres en markant (ca.) 2 Hz variasjon i den 7. harmoniske komponenten. Denne 2 Hz variasjonen er også observerbar i momentanverdien for den grunnharmoniske spenningen; se Figur 2. Frekvensen for 2 Hz variasjonen er ikke konstant over måleperiodens varighet (det ble målt ca. 4 timer i oktober 2012): frekvensen øker fra ca. 1,9 Hz til ca. 2,1 Hz i løpet av måleperioden. Amplituden for denne 2 Hz komponenten, referert den 7. harmoniske komponenten i spenningen på 6,6 kv nivå øker med antall motorer som er i drift, fra ca. 1 % for én motor via ca. 3 % for to motorer til ca. 7 % for tre motorer i drift. Se Figur 5 for detaljer (fra sept. 2013). (For hver motor som settes i drift innkoples også tilhørende kondensatorbatteri). 416
Den 7. harmoniske komponenten (spenning og strøm) viser et markant lavfrekvent «bølgemønster» når hhv. 2 og 3 motorer er i drift. Frekvensen for dette «bølge-fenomenet» er høyere når 3 motorer er i drift enn når to motorer er i drift. Se Figur 3 for detaljer. Et eksempel på tidsplott fra målingene foretatt i oktober 2012 er vist i Figur 2. Analyseresultatene (tidsplottene) er generert via Elspec's egen software. Figur 2. Utsnitt av målinger i pumpestasjonen tirsdag 23. oktober 2012. Fra øverst til nederst: 7. harmonisk komponent i fasespenningen L1 (i %) på 6,6 kv nivå, 7. harmonisk komponent i linjespenningen L12 (i %) på 6.6 kv nivå, momentanverdien av fasespenningen L1 (utsnitt) på 6.6 kv nivå, momentanverdien av fasestrømmen L1 (utsnitt) til én motor (6,6 kv nivå). Figuren viser et utsnitt (med varighet 10 s) av målingene foretatt 23. oktober 2012 på 6,6 kv samleskinne i pumpestasjonen. Strømmålingen omfatter strøm til én av de tre motorene. Alle tre motorene er i drift under denne målingen. Belastningen for motorene tilsvarer ca. merkelast. Det bemerkes at måleresultatene for 7. harmonisk komponent i spenningen ikke representerer høyeste verdi fra disse målingene. Det observeres her et markant "beat"-mønster i momentanverdien for både spenning og strøm. "Beat"-frekvensen er på ca. 2 Hz. I tillegg observeres en tilsvarende "beat" i den 7. harmoniske komponenten av spenningen. 417
Figur 3 nedenfor viser det ovennevnte «bølge-mønsteret» i den 7. harmoniske komponenten i hhv. strøm og spenning på 6,6 kv nivå i pumpestasjonen. Den nevnte 2-Hz variasjonen i signalene er også tydelig. Figur 3. Den 7. harmoniske komponenten i hhv. spenning og strøm målt på 6,6 kv nivå i pumpestasjonen. 2-Hz komponenten er tydelig i dette tidsplottet. Alle tre motorene i drift ved ca. nominell effekt. Måleresultatene viser altså at spenningen på motorklemmene inneholder en markant 7. harmonisk komponent der amplituden kortvarig går opp mot 8 % når alle tre motorene er i drift. Kravene til overharmoniske i FoL og EN50160 baserer seg på 10 minutts gjennomsnittsverdier. Så selv om amplitudeverdien på den 7.harmoniske var opp mot 8 % er 10 minutts gjennomsnittsverdien av den 7.harmoniske under kravet som er 5 %. Utfordringen for belysningsutstyret var altså den betydelige variasjonen med ca. 2 Hz i spesielt den 7.harmoniske komponenten. Strømmen til motorene inneholder en 7. harmonisk komponent som fluktuerer helt fra 0,1 % til 13,4 % av strømmens grunnharmoniske komponent (50 Hz) ved samme driftssituasjon. I tillegg inneholder strøm og spenning en noe lavere 2 Hz variasjon for 5. harmonisk komponent. 3. HARMONISK ANALYSE Resonansfrekvensen for parallell-resonans (strøm-resonans) kan overslagsmessig beregnes via følgende formler [3]: fr = n f (1) 1 418
hvor f = resonansfrekvensen [ Hz] r f1 = grunnharmonisk frekvens [ Hz] n = ordenstallet Ordenstallet kan bestemmes via følgende ligning: n X X = C = k (2) L S Q C hvor X C = reaktansen for kapasitanser i linjer og (f.eks.) utstyr for fasekompensering [Ω] X L = reaktansen for serieimpedansen i (bla.) linjer og transformatorer [Ω] S k = kortslutningsytelsen for det punkt i nettet der fasekompenseringen er installert [VA] Q C = ytelsen for kapasitansene (kondensatorbatteriene) [var] Kortslutningsytelsen S k for det aktuelle tilknytningspunktet for de tre asynkronmotorene og kondensatorbatteriene (6,6 kv samleskinne i pumpestasjonen) er beregnet til 55 MVA, basert bl.a. på informasjon fra nettselskapet angående kortslutningsytelsen på 22 kv nivå i pumpestasjonen. Ytelsen for hvert av kondensatorbatteriene er oppgitt til 0,6 MVAr. Dette gir følgende resultater for resonansfrekvensen i nettet, basert på lign. (1): Tabell 1. Resonansfrekvens for nettet, basert på lign. (1) Antall kondensator- Batterier Resonansfrekvens [Hz] 1 481 2 340 3 278 Disse overslagsberegningene indikerer at det med tre pumper/kondensatorbatterier innkoplet kan forventes resonans «i området» ca. 5.-7. harmoniske (250 350 Hz). Det er også etablert en simuleringsmodell for det aktuelle nettet med det formål å foreta en mer detaljert kartlegging av frekvensresponsen for nettet. Modellen omfatter en større andel av linjer og kabler i det overliggende nettet foran pumpestasjonen (opp til 132 kv nivå). 419
Asynkronmotorene er modellert som passive belastninger (R og X) i dette tilfellet. Modellering/simuleringer er foretatt i SIMPOW [3]. Resultatene fra frekvensanalysen viser at det er god overensstemmelse mellom overslagsberegningene og (de antatt mer nøyaktige) simuleringsresultatene mht. verdien for selve resonansfrekvensen. 350 300 One motor Two motors Three motors 250 Voltage[kV] 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Frequency[Hz] Figur 4. Resultater fra frekvensresponsanalyse for aktuelt nett (SIMPOWsimulering). Injeksjon av 1 pu strøm på 6,6 kv node i pumpestasjon (i simuleringsmodell). Disse resultatene indikerer at det kan forventes høyest verdi for den 7. harmoniske komponenten (350 Hz) for driftstilfellet med to motorer (og to kondensatorbatterier). Målingene viser at den høyeste verdien for den 7. harmoniske komponenten oppstår når tre motorer (med kondensatorbatterier) er i drift. Den 7. harmoniske komponenten er også den desidert mest markante av de overharmoniske komponentene for dette driftstilfellet. Årsaken til denne forskjellen vil bli undersøkt i et oppfølgingsprosjekt. Kurvene viser uansett at det kan forventes en betydelig forsterkning i 7. harmoniske i spenningen ved pumpestasjonen av signalet fra en ytre kilde ved 350 Hz (ca. 10 ganger når 3 motorer er i drift). 4. MÅLINGER I PUMPESTASJONEN I 2013 Det ble foretatt nye målinger i pumpestasjonen i september 2013. Formålet var å klarlegge hvorvidt 2-Hz problemet kunne ha sammenheng med en resonans relatert til en (antatt) harmonisk kilde i det overliggende nettet eller ikke. 420
Noen utvalgte resultater fra disse målingene og målingene gjennomført i oktober 2012 er gjengitt i det følgende. Figur 5. Den 7. harmoniske komponenten i linjespenningen (%) på 6,6 kv i pumpestasjonen. Målinger foretatt i oktober 2012. Kurveformen for strømmen i kondensatorbatteriet for motor M1, for ca. én periode (50 Hz) er vist i Figur 6. Den kraftig deformerte kurveformen forteller tydelig at det her er snakk om et resonansfenomen. (Det er (så langt) ikke foretatt ytterligere analyser av dette signalet). Figur 6. Kurveformen for strømmen til kondensatorbatteri for motor M1 i pumpestasjonen. Måling er foretatt i september 2013. Tidsaksen: ca. 25 ms. 421
Figur 7 viser utviklingen for den 7. harmoniske komponenten i spenningen i relasjon til antall motorer og kondensatorbatterier som er innkoplet i anlegget. Den siste delen av kurven (til høyre) viser at den 7. harmoniske komponenten i spenningen er redusert til ca. 0,7 % når 2 motorer og ingen kondensatorbatterier er innkoplet. Figur 7. Den 7. harmoniske komponenten i linjespenningen (%) på 6,6 kv nivå i pumpestasjonen. Målinger foretatt i september 2013. Figur 8 viser den 7. harmoniske komponenten i spenningen når 3 motorer og ingen kondensatorbatterier er innkoplet. Nivået er redusert til under 1 %, altså med en faktor på ca. 8 i forhold til driftssituasjonen der alle kondensatorbatteriene (og motorene var innkoplet). 422
Figur 8. Den 7. harmoniske komponenten i linjespenningen (%) på 6,6 kv nivå. Alle 3 motorer i drift uten kondensatorbatteriene. September 2013. Observasjoner hos sluttbruker etter at kondensatorbatteriene i pumpestasjonen er tatt ut av drift, viser at den problematiske 2 Hz komponenten fortsatt ikke er borte, men nå med lavere intensitet. Forholdene har altså blitt betydelig bedre, men fremdeles kan det observeres godt synlige lysvariasjoner hos sluttbruker når pumpene er i drift, spesielt når dimmer er innstilt lavt og det er ellers er mørkt i rommet. Dette vil bli fulgt opp i et videre arbeid. 5. KONKLUSJON Den målte 7. harmoniske komponenten i klemmespenningen for asynkronmotorene i pumpestasjonen skyldes resonans mellom overliggende nett og kondensatorbatteriene for fasekompensering av motorene. Målingene i anlegget uten kondensatorbatterier innkoplet viser at nivået for den 7. harmoniske komponenten er redusert med ca. en faktor 8. Det observeres imidlertid fortsatt godt synlige lysvariasjoner med frekvens ca. 2 Hz hos sluttbruker når pumpene er i drift (uten kondensatorbatterier). Den harmoniske analysen indikerer at overslagsberegninger kan gi en god pekepinn på forventet verdi for resonansfrekvensen i et gitt nett der det anvendes kondensatorer for fasekompensering. Et faktisk resonansproblem vil først oppstå når det eksiterer en harmonisk kilde i det aktuelle nettet med «riktig» frekvens. Denne kilden er ikke identifisert i den aktuelle saken. Innledende studier og analyser indikerer at den problematiske 2-Hz komponenten i (momentanverdien for) spenningen i det aktuelle nettet 423
(og hos den aktuelle sluttbrukeren) skyldes en «interaksjon» mellom stator- og rotor siden i asynkronmotorene i pumpestasjonen, ved at (særlig) den 7. harmoniske komponenten i spenningen gir opphav til rotor-genererte overharmoniske komponenter i klemmespenningen med en frekvens som er «i nærheten» av frekvensen for den 7. harmoniske, og at disse komponentene interfererer på en slik måte at det oppstår en lavfrekvent forstyrrelse i nettspenningen. Denne antakelsen vil bli fulgt opp i et videre arbeid. Resultatene planlegges publisert. 6. REFERANSER [1] «Forskrift om Leveringskvalitet i kraftsystemet», FoL. Norges vassdrags- og energidirektorat, NVE. [2] EN50160 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution networks CENELEC 2010. [3] Kjell Sand: Overharmoniske i kraftnett. Notat datert 2008-04-14. SINTEF Energiforskning AS. Trondheim. [4] SIMPOW http://simpow.com/ [5] Elspec instrumenter: http://www.elspec-ltd.com/ 424