FI59686B - Anordning foer att hoeja stabiliteten i hoegspaenda kraftnaet - Google Patents

Description

—I rRl KUULUTUSJULKAISU γλ/ö ,

LbJ (11) UTLÄGGN I NCSSKRIFT ^ ® ° ® •g® (45> ^ (51) Kv.ik.3/irrt.ci.3 H 02 H 7/16 SUOMI —FINLAND (21) Pttuttlhtktmut — Pmwtw5to>m 3872/73 (22) HakemlapUvl —Antdknlngadtg 17*12.73 ' (23) AlkupilvA—GUtlgh«c*d«t 17.12.73

(41) Tullut lulkbaksi — Blhrlt offtmllf 23.O6.7U

Patentti- )* rckisterihallitu· (44) NihUviiuipuon i· kuuLhilluiaun pvm.—

Patant· och ragietarstyraitan ' ' Amok·» utiatd edi udjknrtwi pubtinrad 29.05.81 (32)(33)(31) tyydetqr etuoUciu»—Begird prtoritac 22.12.72 Ruotsi-Sverige(SE) 16863/72 (71) ASEA Aktiebolag, Kopparbergsvägen 2, S-721 83 Västeräs, Ruotsi-Sverige(SE) (72) Nils Fahlen, Västeräs, Asle Schei, Ludvika, Ruotsi-Sverige(SE) .(7*0 Berggren Oy Ab (5U) Laite s uur j arm i t e voimaverkkoj en vakavuuden suurentamiseksi -Anordning för att höja stabiliteten i högspända kraftnät

Esillä oleva keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista laitetta suurjänniteisten sähkövoimaverkkojen käyttö-olosuhteen jatkuvan vakavuuden ylläpitämiseksi.

Vakavuuden tai siirtokyvyn suurentamiseksi suurjännittei-sissä sähkövoimaverkoissa pysyttäen sen vakavuuden ennallaan käytetään sarjakondensaattoreita, jotka pienentävät induktiivista johto-reaktanssia ja täten tekevät johdot sähköisesti lyhyemmiksi ja vahvemmiksi. Sarjakondensaattorien sovittaminen tuo kuitenkin mukanaan sen, että johtovikojen sattuessa tulee kondensaattori ylivirto-jen ja tasausvirtojen johdosta alttiiksi ylijännitteille, jotka voivat vahingoittaa tai kokonaan turmella sen, ja joilta se on suojattava. Tällaisen suojan muodostaa kipinäväli, joka syttyy äkillisesti ja oikosulkee kondensaattorin kun kipinävälin syttymisjännite on saavutettu. Tämä johtaa siihen, että sarjakondensaattorin kompensoiva teho häviää hetkellä, jolloin sitä eniten tarvittaisiin, ts. juuri itse vikatilanteessa. Lisäksi tulee se seikka, että suojavälit vaativat aikaa ionisoinnin poistamiseen niiden sammuttua, mikä hidastuttaa kondensaattorin takaisinkytkentää.

Jos kondensaattori mitoitetaan siten, että se normaalisissa käyttöolosuhteissa riittävällä varmuudella selviää johtoreaktanssin kompensoinnista, voi kuitenkin sattua, että häiriö, joka on aiheutta- 2 59686 nut kondensaattorin poiskytkennän on niin suuri, että vakavuus on hävinnyt sinä aikana, jolloin kondensaattori oli erotettuna ja ettei kondensaattori kykene palauttamaan vakavuutta takaisinkytkennän jälkeen. Tällaisen uhkan torjumiseksi tehdään kondensaattori niin suureksi, että se varmuudella selviytyy vakavuuden palauttamisesta jälleenkytkennän jälkeen. Tällainen toimenpide tuottaa tietenkin vastaavasti suuremmat perustamiskustannukset kondensaattoria hankittaessa ja sen edellytyksenä on siis vaatimus, että siirron vakavuuden aina tulee olla turvattu.

Suojakipinävälit, joita käytetään sarjakondensaattorien oikosulkua varten ovat periaatteessa kahta laatua, itsestään sammuvat ja itsestään sammumattomat kipinävälit. Kipinävälit, jotka eivät sammu itsestään, vaativat rinnakkaistoimintaa mittamuuntajien, releiden ja kytkimien kanssa siten, että kipinävälin syttyessä, tulee kytkimen kytkeä ja oikosulkea kipinäväli, joka tällöin sammuu. Kun kipinävälin ionointi on purkautunut, joka on staattinen kysymys, tulee katkaisijan avata ja kytkeä kondensaattori takaisin. Huomioonottaen, että itsestään sammumattomien kipinävälien käyttö edellyttää kytkimen kipinävälin sammuttamiseksi ja kondensaattorin takaisinkytkemiseksi sekä että kytkin on heikoin rengas voimajärjestelmässä, on aina olemassa määrätty vaara, että kondensaattorin takaisinkytkentä epäonnistuu ja että vakavuus häviää, joka voi aiheuttaa suuria vahinkoja ja kustannuksia. Itsestään sammuvalla kipinävälillä lisälaitteineen tai ilman näitä on sen sijaan ominaisuus voida sammua heti sen jälkeen kun vika on poiskytketty ja linjan virta täten on laskenut normaaliin. Tästä syystä ei yleensä tarvita mitään toimintaa rinnakkain kytketyistä laitteista kuten kytkimistä, jota on pidettävä huomattavana etuna.

Näiden kipinävälien epäkohtana mainittakoon, että määrätynlaisilla vioilla määrätyillä johtoväleillä täytyy olettaa että kipinä-väli syttyy ja sammuu jokaisella puolella jaksolla, virran kulkiessa nollan lävitse, jolloin kondensaattori, joka kerralla purkautuu taajuudella, joka on monta kertaa suurempi kuin verkkotaajuus. Kondensaattori on tällaisia tapauksia varten testattava suuremmalla jännitteellä, joka lisää kustannuksia.

Tähän saakka tunnetuissa kytkennöissä vakavuuden ylläpitämiseksi kompensoimalla sarjakondensaattoreilla, jotka suojataan itsestään sammuvilla tai ei-itsestään sammuvilla kipinäväleillä, jää jäljelle suuri epäkohta, että vakavuus katkeaa huomattavaksi ajaksi ylijännitteen esiintyessä kondensaattorissa, juuri kun vaka- 3 59686 vuus pannaan koetukselle.

Esimerkiksi johdannossa mainittua tyyppiä olevia laitteita tunnetaan DE-hakemusjulkaisusta 2 003 949 sekä US-patenttijulkaisus-ta 3 471 748. Edellisen julkaisun mukaan suojapiiri oikosulkee kondensaattorin ennenkuin piirissä esiintyy kondensaattoria vaarantava jännite. Esitetty vaimennuspiiri toimii purkausvirran amplitudin rajoittamiseksi sen jälkeen kun kondensaattori on oikosuljettu. Tämä piiri siis alkaa toimia vasta sen jälkeen kun kipinäväli on jo syttynyt.

US-patenttijulkaisu 3 471 748 esittää sarjakondensaattorin kanssa rinnan kytkettyä suojapiiriä, joka käsittää jännitteestä riippuvan elementin, joka voi olla kahdessa käyttötilassa, joiden vastus on ääretön vast, nolla. Tässäkin järjestelyssä on se haitta, että kondensaattori tulee oikosuljetuksi ja sen kompensoiva vaikutus häviää juuri sillä hetkellä kun sitä parhaiten tarvitaan.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada kytkentä, joka toimii ennenkuin kondensaattori tulee oikosuljetuksi ja joka siten voi estää suuria kondensaattorin jännitteitä, niin ettei itse suojapiirin normaalisti tarvitse astua toimintaan.

Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle laitteelle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ilmenevät vastaavasti alivaatimuksista.

Keksinnöllä aikaansaadaan laite, jolla on tunnettuihin kytkentöihin nähden seuraavat edut: 1. Virtatien resistanssilla on aina varteen otettava arvo, joka merkitsee, ettei kondensaattoria koskaan oikosuljeta. Sen vakauttava vaikutus verkkoon on aina jäljellä, siinäkin tapauksessa, että se jonkin verran pienenee.

2. Käyttämällä jännitteestä riippuvia vastuksia virtatiessä saadaan pehmeä virran jakaantuminen kondensaattorin kautta ja kondensaattorin pehmeä palautus kun ylijännitetapahtuma päättyy.

3. Virtatiessä olevan jännitteestä riippuvan vastuksen sisäisten ominaisuuksien johdosta tulee tämä ryhtymään toimenpiteisiin ja pehmeästi avaamaan heti kun kondensaattorin jännite saavuttaa edeltäpäin määrätyn arvon. Virtatie on tämän johdosta auki vain lyhyinä jännitteen puolijaksojen väliaikoina, kun jännitteen hetkel-lisarvo ylittää mainitun edeltäpäin määrätyn arvon. Tämä johtaa siihen, että virta virtatiessä muodostuu suhteellisen lyhyistä vir— taimpulsseista jännitekulun mainitun väliajan aikana. Loppuosa virrasta kulkee kondensaattorin kautta, joka täten ylläpitää vakavuuden.

59686

Mainittu pehmeä kytkentä ja katkaisu alentaa huomattavasti tasaus-virtojen syntymistä ja tukahduttaa taipumuksen vahingollisten pohja-äänien syntymiseen.

Oheisessa piirustuksessa esittää kuvio 1 sarjakondensaatto-rin rinnankytkettynä epälineaarisen vastuksen kanssa. Kuvio 2 esittää vastuksen sarjassa itsesammuvan kipinävälin kanssa. Kuvio 3 esittää itsesammumattoman välin käytön rinnakkain katkaisijan kanssa kipinävälin sammuttamiseksi. Kuvio 4 esittää laitteen täydennettynä kytkimellä kondensaattorin oikosulkemiseksi. Kuvio 5 esittää kuvion 4 mukaisen laitteen, mutta epälineaarisen vastuksen jaettuna kahteen osavastukseen. Kuvio 6 esittää kuvion 5 mukaisen laitteen,mutta työskennellen ilman reaktoria.

Kuvio 1 esittää voimansiirtolinjan 1, johon on sovitettu linjareaktanssin kompensoimiseksi tarkoitettu sarjakondensaattori 2. Kondensaattori on rinnakkainkytketty tunnetun suojapiirin 15 kanssa kondensaattorin oikosulkemiseksi jos tämän jännite nousee vaaralliseen arvoon. Esitetyssä esimerkissä käsittää suojapiiri normaalisti avoimen kytkimen 17, rinnankytkettynä kipinävälin 16 ja välin kanssa sarjaan sovitetun virtaatuntevan elimen 18 kanssa. Tämän elimen tulee antaa sulkemisimpulssi kytkimelle määräajan kuluttua sen jälkeen kun väli 16 on syttynyt ylijännitteen johdosta. Tämä piiri jätetään pois muissa kuvioissa, koska se ei kiinnosta keksinnön ymmärtämisen suhteen. Rinnakkain kondensaattorin kanssa on järjestetty virtatie, jossa on epälineaarinen vastus 3, jonka resistanssi riippuu jännitteestä, johon vastus on yhdistetty. Normaalisti jännite, johon kondensaattori ja täten myös vastus on yhdistetty, on sellainen, että vain mitätön lepovirta kulkee vastuksen kautta. Jos verkossa sattuu sellainen vika, että ylivirta aikaansaa korotetun jännitteen kondensaattorille, alkaa vastuksen resistanssi pienentyä jännitteen suurentuessa ja osa linjavirrasta kulkee vastuksen kautta, jolloin sen resistanssi pienenee vielä enemmän. Seurauksena'on, että kondensaattorin jännite estyy saamasta niin korkeat arvot, että kondensaattori voisi vahingoittua. Lisäksi tulee rinnankytkentä jännitteestä riippuvan vastuksen kanssa, jota ei koskaan kytketä pois, pitämään kondensaattorin jännitteen arvossa, joka on hiukan alle maksimaalisesti sallitun suojatason, melkein riippumatta linja-virran suuruudesta. Kondensaattorin kompensoiva vaikutus linjareak-tanssiin alenee tällöin vain hiukan koko sinä aikana kun vika aikaansaa suurennetun linjavirran ja tämä säädellään automaattisesti, niin että suurin mahdollinen kompensointi saadaan.

5 59686

Jottei lepovirta jatkuvasti virtaisi epälineaarisen vastuksen kautta, voi vastuksen kanssa sarjaan kytkeä kipinävälin. Kuvion 2 mukaan tämän välin muodostaa itsesammuva väli 4, joka syttyy, kun kondensaattorijännite ylittää määrätyn arvon, joka on määrätty välin mitoituksella. Koska kondensaattori ei tule pikapuretuksi sen jälkeen kun kipinäväli on syttynyt rinnakkain kondensaattorin kanssa, vaan sen jännite seuraa verkkotaajuutta myös sytytyksen jälkeen, ei kondensaattoria tarvitse mitoittaa niiden perusteiden mukaan, jotka aikaisemmin ovat selitetyt itsesammuvien, ilman sarjavastusta olevien välien käytön yhteydessä.

Parantamalla stabilisointi verrattuna aikaisemmin käytettyi-jen kytkentöjen suhteen, voidaan toivottavasti aina rajoittaa kom-pensointiaste X^/X^ alle 50 %:iin, jossa X^ = kondensaattorin reak-tanssi ja XL = linjan reaktanssi. Täten käy mahdolliseksi käyttää yksinkertaista kaukosuojelua johdolle, koko kompensoinnin ollessa koottuna sen keskipisteeseen. Tämä, sekä tosiasia, että ollaan riippumattomia kytkimistä ja kytkinautomatiikasta, johtaa siihen, ettei ole motivoitua sovittaa kondensaattori kytkentäasemille valvon-tavaatimusten suhteen, varsinkin koska kondensaattorit ovat varustettuja sisäisillä varokkeilla. Lisäksi on huomioitava, että oiko-sulkuvirrat linjalla ovat 10 % suuruusluokkaa kytkentäasemien oiko-sulkuvirroista. Kustannukset jonkin verran kalliimmista vaimennus-vastuksista ja kipinäväleistä korvautuvat varmaankin runsaasti pienemmällä kondensaattorikustannuksella sekä yksinkertaisemmalla ja varmemmalla siirrolla.

Kuvio 3 esittää vaihtoehdon kuvion 2 mukaiseen laitteeseen. Itsesammuva väli 4 kuviossa 2 on kuviossa 3 korvattu tavallisella, ei itsesammuvalla välillä 5, joka tällöin on rinnankytketty kytkimen 6 kanssa välin sammuttamiseksi. Kytkin on ohjattu virtaatunte-valla elimellä 7 välipiirissä. Jotta töitä olisi mahdollista suorittaa kondensaattorissa ja tämän tarkkailun tai vaihtamisen mahdollistamiseksi tulee se voida erottaa. Tätä tarkoitusta varten käytetään mm. kytkintä, joka oikosulkee kondensaattorin ja tarpeellinen määrä erottimia. Kytkimen tulee myös voida toimia kipinävälin ja vastuksen termisenä suojana jos väli palaa liian kauan, niin että vastuksen 3 lämpötila nousee kohtuuttomasti. Kuvio 4 esittää kondensaattorin 2 rinnakkaishaaroineen, jossa on vastus 3 ja itsensä sammuttava kipinäväli 4. Kytkin 6 on kytketty toiseen rinnakkais-haaraan, jossa myös on reaktori 8, jonka reaktanssi on pieni verkko- 6 59686 taajuudella. Kun kytkin on suljettu, tulee sen vuoksi jännitteen putous kondensaattorissa pieneksi. Apukipinäväli 9 on kytketty molempien rinnakkaishaarojen väliin. Ellei vika häviä normaaliajan kuluttua, vaan kipinäväli 4 palaa edelleen, suljetaan kytkin 6 vir-taatuntevan elimen 7 vaikutuksesta. Tällöin kytketään reaktori 8 takaisin. Vastus 3 on rinnakytketty reaktorin kanssa. Tämän johdosta kipinäväli b sammuu ja virta kulkee yksinomaan reaktorin 8 kautta, jolla nyt on pieni reaktanssi. Ellei kondensaattori 2 tällöin olisi riittävästi purettu, tulee apukipinäväli 9 sytyttämään, jolloin vastus 3 auttaa vaimentamaan purkausvirran. Jännitteestä riippuva vastus 3 auttaa positiivisesti ensimmäisenä aikana sen jälkeen kun kytkin on sulkeutunut, rajoittamaan reaktorin kautta kulkevan virran, mutta aikaansaa, että virta yhä enemmän muuttaa reaktoriin sitä mukaa kun kondensaattorin jännite alenee. Tässä siis käytetään hyväksi jännitteestä riippuvan vastuksen sisäisiä ominaisuuksia edullisella tavalla.

Jos kytkin 6 sulkeutuu, ilman että kipinäväli 4 on syttynyt, tulee kondensaattorijännäte asettumaan reaktorille ja apukipinäväli lie 9, joka tällöin syttyy ja kytkee vastuksen rinnakkain reaktorin kanssa, niin että tarpeellinen vaimennus saadaan. Vastuksen resistanssi nousee nopeasti ja koska reaktorin reaktanssi on pienempi kuin vastuksen resistanssi verkkotaajuudella, pienenee vastuksen kautta kulkeva virta nopeasti ja apukipinäväli sammuu ja kondensaattori on oikosuljettu reaktorin ja kytkimen kautta.

Kuvio 5 esittää miten kuvion b mukainen kytkentä on muunnettu jakamalla vastus 3 kahteen sarjakytkettyyn osaan 31 ja 32 ja että apukipinäväli 9 on liitetty molempien osavastusten väliin. Kuvio 6 pääkoskettimella on hidastettu kytkentä, mutta apukoskettimellä 10 on hetkellinen kytkentä. Apukipinäväli 9 sytyttää heti kun apukos-ketin sulkee. Jos kipinäväli 4 oli sytytettynä kun apukosketin suljettiin, tulee kipinäväli oikosuljetuksi ja sammuu. Jos sen sijaan kipinäväli ei ollut sytytettynä, tulee osavastus 31, joka voi olla lineaarinen tai epälineaarinen, sisäänkytketyksi kun apukipinäväli 9 syttyy ja kondensaattori alkaa purkautua. Pääkoskettimen hidastumisen johdosta ehtii osa kondensaattorienergiasta purkautua osavas-tuksen 31 kautta ennen kuin pääkosketin kytkeytyy. Kondensaattorin oikosulku voi silloin tapahtua vahingoittamatta kondensaattoria tai kytkimen koskettimia.

Claims (6)

7 59686

1. Laite suurjännitteisten sähkövoimaverkkojen käyttöolosuhteen jatkuvan vakavuuden ylläpitämiseksi ja käsittää sarjakondensaatto-rin (2) ja kondensaattorin kanssa rinnankytketyn suojapiirin (15) kondensaattorin oikosulkemiseksi kun verkko joutuu sellaisten häiriöiden alaiseksi, jotka aikaansaavat kondensaattorille vaarallisia ylijännitteitä, tunnettu siitä, että rinnan kondensaattorin (2) ja mainitun suojapiirin (15) kanssa on sovitettu virta-tie, jossa on kipinäväli (4, 5) sarjassa jännitteestä riippuvan vastuksen (3) kanssa virran ohjaamiseksi virtatien kautta riippuen kondensaattorin (2) jännitteestä, jolloin tämän vastuksen (3) resistanssi on hyvin suuri niin kauan kuin kondensaattorin jännite on edeltäpäin määrätyn ja kondensaattorin sähköominaisuuksista riippuvan arvon alapuolella, joka on suurempi kuin kondensaattorin käyttöjännite, mutta pienempi kuin jännite, jolla mainittu suojapiiri (15) alkaa toimia ja oikosulkee kondensaattorin, kun taas vastuksen resistanssi on pienenevä jännitteillä, jotka ovat suuremmat kuin mainittu, edeltäpäin määrätty arvo.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kipinäväli (4) on itsesammuvaa tyyppiä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kipinäväli (4) ei ole itsestään sammuvaa tyyppiä ja rinnan kytketty kytkimen (6) kanssa.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu toisesta, mainitun virtatien (3, 4) kanssa rinnankytketystä virtatiestä, jolloin toisessa virtatiessä on reaktori (8) ja kytkin (6) ja että reaktori (8) ja vastus (3) on rinnan kytketyt kipinävälin (9) avulla molempien virtateiden välillä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että vastus (3) on jaettu kahteen osavastukseen (31, 32) ja että reaktori (8) on rinnan kytketty vain toisen osavastuksen (31) kanssa .

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että vastus (3) on jaettu kahteen sarjaan kytkettyyn osavastukseen (31, 32), että kytkimessä on pääkosketin (6) hidastetulla kytkennällä kytkettynä rinnan kondensaattorin kanssa ja että kytkimeen kuuluva apukosketin (10) pikakytkennällä on sovitettu oikosulkemaan kipinävälin (4) ja lähinnä kipinäväliä sijaitsevan osavastuksen (32) kipinävälin (9) kautta ennen kuin pääkytkin (6) kytkee.