SE1250913A1 - En anordning innefattande en reglerbar jordningstransformator - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en anordning innefattande en reglerbarjordningstransformator (1) anordnad att kompensera enjordfelström vid jordslutning i ett växeiströrnskraftnät med enkrafttransformator (3). Jordningstransforrnatorn kopplas med enprimärsida till kraftnätet eller en med kraftnätet synkronspänningskälla och jordningstransformatorn kopplas med enseku-ndärsida mellan kraftnätets nollpunkt (N) och jord (E),varvid jordningstransformatorn innefattar två eller fleratindningskopplare och anordningen uppvisar en enhet utformadatt styra iindi-ngskopplarn för att reglera sekundärspänningar hosjordningstransforrnatorn med avseende pä ampiitud ochfasvinkel (d) i förhållandet till den matande krafttransformatornsspänningssystem. Vidare avser uppfinningen en metod för attalstra en nolipunktspänning i ett kraftnät med enkrafttransformator genom användning av anordningen.Uppfinningen avser också användning av anordningen ellermetoden för att kompensera en jordfelsström och/elleranvändning av anordningen eller metoden parallellt med enPetersenspole för att eliminera den av Petersenspolen ickekompenserade jordfels-restströmmen. (Fia 2)

Description

10 15 20 25 30 35 Transmissionsnätet har på grund av sin maskade struktur hög tiilgängiighet. Distributionsnäten däremot utgör med sin radieiia nätstruktur den svaga länken i överföringssystemet. Fel som uppstår på en enskild distributionsledning kan leda till bortkoppling av stora konsumentgrupper. Skyddstekniken är därför inriktad på att förbättra tiilgängligheten i distributionsnäten.

En viktig observation i sammanhanget är det faktum att merparten av de elektriska felen uppstår som isolationsgenornbrott metlan endera fasen och jord - s.k. jordfel, medan själva energiöverföringen är begränsad till spänningssystemet mellan faserna. Ur skyddssynpunkt vore det önskvärt att behandia jordfeien separat, och om möjligt begränsa jordfelsströmmen tiil den grad att iedningsfrånkoppiingen kan undvikas.

Det mest framgångsrika skyddskonceptet baserat pä denna grundtanke utvecklades redan 1917 av Waldemar Petersen.

Genom att förbinda trefas-systemets noilpunkt över en till nätkapacitansen avstämd induktans till jord - den s.k.

Petersenspolen - uppnås en reducering av jordfeisströmmen med en faktor tio till femtio. Strömbegränsningen är i regel tillräckligt för att säkerställa sjäivsiäckningen av enfasiga ljusbågsöverslag, som utgör huvuddelen av störningarna i friledningsnät.

Petersens resonansjord-ning dominerar idag i skandinaviska och andra europeiska distributionsnät. Dessa nät uppvisar genomgående en högre tiligänglighet än jämförbara distributionsnät med annat systemjordningskoncept.

Vid den pågående omvandlingen av distributionsnäten från friledningsnät till kabelnät under jord ökarjorfelströmmarna med en faktor 30 till 50 p.g.a. kabels högre kapacitans, vilket påverkar Petersens resonansjordning på två sätt: Dels minskar 'IO 15 20 25 30 35 självsläckningseffekten i den resterande friiedníngsdeien vid stigande jordsiutntngsströmmar, för att slutiigen upphöra helt, och dels fungerar sjäivsläckningseffekten šnte ails i kabelnät pga. det korta avståndet mel-lan den spänningsförande ledaren och jord (skärmen). Problemet därvid är den av Petersenspolen inte kompenserad-e restströmmen.

Problemet uppmärksammades och fick sin lösning i början av nittiotalet. Den då utvecklade anordntngen för restströmskompensering används idag som ett komplement till Petersenspolen, men har även funnit användning i distributionen-ät som dittills byggde på helt andra systemjordningskoncept.

Till skillnad från Petersenspolen, som enbart nöjer käliimpedansen i jordslutningskretsen, eiiminerar restströmskompenseringen den drivande spänningen vid jordfe! genom att superponera en motspä-nning. Uppgiften är inte helt trivial", emedan den drivande spänningen bara är delvis känd i första ansatsen.

Enligt Thevenins teorern bestäms felströmmen av den drivande spänningen i felstället, felimpedansen och käilimped-ansen.

Omvänt kan man säga: för att åstadkomma den fullständiga eiimineringen av felströmmen krävs eiimšnering av den drivande spänningen i felstäiiet, emedan felimpedansen är okänd och källimpedansen bara kan påverkas delvis med Petersenspoien.

Den drivande spänningen i feistället utgörs av den matande disträbutionstransformatorns fasspänning i den fasen som är behäftad med jordfelet (känt respektive mätbart), plus det lastströmsberoende spänningsfaliet mel-lan matande transformatorn och själva feistället som kan ligga långt ute i nätet (okänd). 10 15 20 25 30 35 Bestärnningen av den senare biev möjlig genom utveckling av ett nytt mätförfarande som publicerades första gängen i början av nittiotalet (se: Winter, K. ”Swedish Distribution Networks - A new method for Earthfault Protection in Cable- and Overhead Systems”, 5"" international Conference on Power System Protection. IEEE conference publication No 368, York/UK 1993).

Resterande problem, att generera en rnotspänning med möjlighet att styra amplitud och fasvinkel i förhållandet till di-stributionstransformatorns fasspänning, löstes med hjälp av kraftelektronik (puisbreddsmodulerande växeiriktare).

Referensaniäggnšngar för restströmskompensering finns idag i kraftnät med spänningsniväer meilan BKV och 110kV.

Effektbehovet för restströrnskompensering är beroende av spänningsnivå, nätstoriek och dämpnings-förhälianden.

Distributionsnäten i de tätt bebodda deiarna av världen kan uppnå kapacitiva jordsiutningsströmmar på mer än tü-OOA, med okompenserade jordfeisrestströmmar i storleksordning 100A och mer. Effektbehovet för kompenseringen av restströmrnen i ett sådant nät kan då ligga långt över 1000kVA.

Växelriktare av denna storiek är relativt kostsamma. l\/led den föreliggande uppfinningen föreslås en enklare anordning för den fullständiga kompenseringen av jordfelsströmmen i syftet att sänka kostnader och öka tillföriitligheten.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja ovannämnda problem och tiilhandahàila en enkiare anordning för kompenseringen av jordfelsströmmen. Ett ytterligare ändamål är att eliminera jordfelsströmmen fullständigt. Ännu ett ändamål är att öka tillförlitiigheten av kompenseringsanordningen och därmed tiilförlitiigheten av 10 15 20 25 30 35 själva elkraftöverföringen. Ett ytterligare ändamål är att sänka kostnader för jordfelsströmmens kompensering. Åndamålen uppnås med en anordning definierad i ingressen av krav 1, kännetecknad av att jordningstransformatorn med en primärsida kopplas till kraftnätet eller en med kraftnätet synkron spänningskälla och att jordningstransformatorn med en sekundärsida kopplas mellan kraftnätets nollpunkt och jord, varvid jordningstransformatorn innefattar två eller flera lindningskopplare och anordningen uppvisar en enhet utformad att styra lindingskopplarn för att reglera sekundärspänningar hos jordningstransformatorn med avseende på amplitud och fasvinkel. i förhållandet till den rnatande krafttransformatorns spänningssystem.

Fördelar med föreliggande uppfinningen är att antalet ledningsfrånkoppllngar minskar eller kan undvikas helt. Med hjälp av den nya anordningar: förbättras således tillgängligheten i distributionsnätet. Den nya anordningen kan produceras till en låg kostnad och är relativt enkel att installera i bestående distributionsnät. utförs Enligt en utföringsform av uppfinningen, jordningstransformatorn trefasigt.

Anordningen enligt uppfinningen kan användas i olika kraftnät med en- eller flerfas-växelspänningssystem.

Enligt en annan utförlngsforrn av uppfinningen, är nämnda enhet en styr- och mätenhet kopplad till jordningstransformatorns för att reglera nämnda sekundärspänningar meilan kraftnätets nollpunkt och lord.

Anordningen enligt uppfinningen därvid kan användas tillsammans med kända styr- och mätenheter för kompensering av iordfelsströmmen. 10 15 20 25 30 Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är styr- och mätenheten inrättad att bestämma vilken av sekundärspänningarna som kopplas mellan kraftnätets nollpunkt och jord.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är styr- och mätenheten inrättad att reglera jordningstransforrnatorns sekundärspänning tiils villkoret för en fullständig I kompensering av jordfelsströmmen är uppfyllt. användas den Anordningen enligt uppfinningen därvid kan tillsammans med kända styr- och mätenheter för fullständiga kompensering av jordfeisströmrnen.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen är anordningen inrättad att användas parailellt med en Petersenspole för att eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfels- restströmrnen.

Anordningen eniigt uppfinningen kan öka effekten av en bestående kompensatíonsanordning, genom att på ett enkett sätt instaliera anordningen paralieilt med en Petersen- spolejordning. i Åndamåien uppnås också med en metod definierad i ingressen av krav 7, kännetecknad av användning av en anordning innefattande en jordningstransformator som med en primärsida kopplas till krafinätet elier en med kraftnätet synkron spänningskälla och att jordningstransformatorn med en sekundärsida kopplas mellan. kraftnätets no|l=punkt och jord, varvid iordningstransformatorn innefattar två eller flera lindningskopplare, och en enhet utformad att styra lindingskoppl-arn, och 10 15 20 25 30 35 reglering av sekundärspänningar hos jordningstransformatorn med avseende på arnplitud och fasvinkel i förhållandet till den matande krafttransforrnatorns spänningssystem. tillförlitligheten av tillgängligheten i ökar Även Metoden enligt uppfinningen kompenseringsanordningen. distributionsnätet förbättras.

Enligt en utföringsform av metoden är nämnda enhet en styr- och mätenhet kopplad till jordningstransformatorns för att reglera nämnda sekundärspänningar mellan kraftnätets nollpunkt och jord. Ändemålen uppnås också med en metod för att alstra en nollpunktspänning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator, kännetecknad av en anordning innefattande en jordningstransformator som med en primärslda är kopplad till kraftnätet eller en med kraftnätet synkron spänningskälla och en sekundärsida är kopplad mellan kraftnätets nollpunkt och jord, jordningstransformatorn innefattar två eller flera och en enhet utformad att styra varvid lindningskopplare, lindingskoppiarn, och nämnda enhet är en styr- och mätenhet kopplad till nämnda jordningstransformatorn för att reglera en sekundärspänning hos jordningstransformatorn mellan kraftnätets nollpunkt och jord, varvid - styr-och mätenheten reglerar sekundärspänningen med avseende på amplitud och fasvinkei i förhållandet till den matande krafttransformatorns spänni-ngssystem, - styr- och, mätenheten bestämmer sekundärspänningarna som kopplas mellan nollpunkt och jord, och ~ styr~ och mätenheten reglerar sekundärspänningen tills villkoret för en fullständig kompenserlng av jordfelsströmrnen är uppfyllt. vüken av kraftnätets 10 15 20 25 30 35 Enligt en utföringsform av metoden, utförs jordningstransformatorn trefasigt. Åndarnåien uppnås även genom en användning av anordningen enligt ovan för att kompensera en jšordfelsström. Åndamálen uppnås likaledes genom en användning av anordningen enligt ovan, eller metoden enligt ovan, paralleilt med en Petersenspoie för att eliminera den av Petersenspoien icke kompenserade jordfels-restströmmen.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 visar ett enlinjeschema av ett distributionsnät med en känd anordning för kompensering av iordfelsströmmen.

Fig 2 visar samma distributionsnät med en anordning för kompensering av iordfelströmmen enligt uppfinningen.

Fig 3 visar vektordiagrammet för den drivande spänningen beroende på jordfelets beiägenhet i distributionsnätet.

Fig 4a,b visar kopplingsschemat och vektordiagram för en transformator enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Fig 1 och 2 visar ett disiributionsnät med en styr- och mätenhet 2 för detektering av jordfei och styrning av en kompensationsanordning. Vidare visas en matande krafttransformator 3, en samlingsskena 4 och ett antal utgående distri-butionsledningar Ll, L2 - LN med var sin iedningsbrytare 9 vid samlingsskenan 4. 10 15 20 25 30 35 Elkraftöverföringen sker i regel med trefas-system, men även en- respektive tvåfas-system (järnvägsdrift) förekommer. Den gemensamma nämnaren därvid är att överföringen av nyttolasten (tili förbrukarna) drivs endast av spänningarna mellan faserna. Uppstår fel i form av ett isolationsgenombrott mellan dessa faser, kopplas den berörda ledningen och därtill anslutna förbrukare från med ledningsbrytaren 9.

Merparten av de elektriska feien uppstår dock mellan endast en fas och jord (s.k. jordfel). Därvid förskjuts heta systemet i förhållande till jord. Spänningarna mellan faserna - som driver nyttolasten ~ påverkas dock inte.

Felströmrnen i själva jordfelsstället bestäms av nätets övriga strömmar till jord (huvudsakligen kapacitiva, men även resistšva avledningsströmmar). Summan av dessa avledningsströmmar till jord - inklusive strömmen i feistäilet - är alltid noli (Kirchhoffs current law). Därav föijer att strömmen i felstäilet kan bli noll endast om summan av övriga avledningsströmmar är noll.

Syftet med kompensationsanordningen i både Fig 'i och 2 är att skapa denna balans genom att alstra en motsvarande ström mellan kraftnätets nolipunkt och jord.

Fig 1 visar därvid en känd anordning för kompensering av jordfeisströmmen bestående av en nollpunktsreaktor 5 med hjälpkraftlindning 6 och en därtill kopplad växeiriktare 7 för kornpensering av jordfeisrestströmmen. En möjlighet till reserv- frånkoppiing av en ledningen 8 vid Lex. fel i kompenseringsanordningen visas också.

Fig 2 visar en anordning för kompensering av hela jordfeisströmmen med hjälp av en regierbar jordningstransformator 1 enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 10 Styr- och rnätenhet 2 mäter en fortlöpande nollfölidsadmittans Yo på d-e utgående ledningarna LW och i kompenseringsan-ordningens iordförbindelse E. De senast aktueila värden lagras i mätenhetens minne. Vid upptäckten av ett jordfel upprepas mätningen. Därefter jämförs Yo-värden före och efterjordfeisögonbiicket, ledning för ledning.

Jordfeiet finns på den ledningen som uppvisar en avvikelse AYo från sitt felfria värde. Avvikelrsen används för att styra kornpenseringsanordningen. l Fig 1 är det den kända anordningen med växelriktare 7 och i Fig 2 är det den regierbara jordningstransformatorn 1 enligt uppfinningen. i båda fallen genereras en spänning UEN melian kraftnåtets nollpunkt N och jord E.

När spänningen UEN motsvarar den drivande spänningen i felstäiiet reduceras avvikelsen AYo och därmed jordfeisströmmen till noll (Thevenins teorem).

Fig 3 visa-r den drivande spänningens beroende av i vilken fas UU, Un eller Um felet har uppstått och felsstäliets belägenhet A, B eller C i distributionsnätet. Den drivande spänningen utgörs av krafttransforrnatorns fasspänning (i Fig 3 exemplifierad med fasspänningen UU) Och spänningsfallet på ledningen (i, x ZX) melian krafttransformatorn och felstället. Spänningsfalfilet på ledningen är i sin tur bestämt genom ledningens egen impedans ZX och strömbeiastni-ng IX som i regel är iika stor i alt faser.

Som Fig 3 visar, måste kompenseringsanordningen ~ för att upphäva den drivande spänningen i feistäiiet ~ alstra en nollpunktsspänning som i erforderlig grad kan justeras med avseende på amplitud och fasvinkei i förhållande till krafttransformatorns spänningssystem.

Fig 4a visar en reglerbar trefas-iordningstransformator f eniigt uppfinningen som kan alstra denna noilpunktsspänning. '10 15 20 25 30 '11 Transformatorn har två lindnângskopplare med vars hjälp tre sekundärspänningar kan regleras med avseende på arnplitud ooh fasvinkel cr i förhållandet till den matande krafttransformatorns 3 spänningssystern. Transformatorn kan ha tre, fyra eller flera lindningskopplare. När en styr- och mätenhet 2 används, bestämmer styr~ och mätennet 2, vid jordfel, vilken av sekundärspännlngarna som kopplas mellan krafttransformatorns nollpunkt och jord. Därefter regleras transformatorns sekundärspänning tllls villkoret för den fullständiga kompenserlngen av jordfelsströrnmen (AYo = 0) är uppfyllt.

Fig 4b visar vektordiagrammet för jordningstransformatorn i Fêg 4a. Den deltenkopplade primärlindnlngen alstrar tre inbördes 120° förskjutna spänningar i de nio sekundärlindningarna.

Genom seriekoppling med hjälp av två trefas-líndnlngskopplare kan vardera tre sekundärlindningar 1, 2 och 3 kopplas ihop, så att tre resulterande sekundärspänningar uppstår, som i sin tur kan regleras med avseeende på arnplitud och fasläge l förhållandet till den matande krafttransforrnatorns spännlngssystem.

Anordnlngen kan användas för den fullständiga kompensering av hela jordfelsströmmen. Alternativt kan anordningen med fördel även användas för enbart restströmskompenseršng l nät med befintlig Petersen-spolejordning.

Uppfinningen är inte begränsad till den ovan visade utföringsformen utan kan varieras och modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 ('12 PATENTKRAV

1. En anordning innefattande en reglerbar jordningstransformator (1) anordnad att kompensera en jordfelström vid jordslutning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator (3), kännetecknad av att jordningstransforrnatorn (1) med en prímärsida kopplas till kraftnätet eiler en med kraftnätet synkron spänningskälla och att jordningstransformatorn (1) med en sekundärsida kopplas meltan kraftnätets notlpunkt (N) och jord (E), varvid jordningstransformatorn (1) innefattar två eller flera lindningskopplare och anordningen uppvisar en enhet utformad att styra llndlngskopplarn för att reglera sekundärspänningar hos jordningstransformatorn (1) med avseende på amplitud och fasvšnkel (os) i förhållandet till den matande krafttransformatorns spänningssystem.

2. Anordningen enligt krav 1, kännetecknad av att jordningstransformatorn (1) utförs trefasigt.

3. Anordningen enligt krav 1 eller 2, kännetecknas! av att nämnda enhet är en styr- och mätenhet (2) kopplad till jordningstransformatorns (1) för att reglera nämnda sekundärspänningar mellan kraftnätets noltpunkt (N) och jord (E)-

4. Anordningen enligt krav 3, kännetecknad av att styr- och mätenheten (2) är inrättad att bestämma vilken av sekundärspänningarna som kopplas mellan kraftnätets nollpunkt (N) och jord (E).

5. Anordningen enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att styr- och rnätenheten (2) är inrättad att reglera jordningstransformatorns sekundärspänning titls villkoret för en fullständig kompensering av jordfetsströmmen är uppfyllt. 10 15 20 25 30 13

6. Anordningen enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknad av att anordningen är inrättad att användas parallellt med en Petersenspoie för att 'eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfelsfiestströrnmen.

7. En metod för att alstra en nolipunktspänning i ett växel-strömskraftnät med en krafttransformator (3), kännetecknar! av användning av en anordning innefattande en jordningstransforrnator (1) som med en primärsida kopplas till krattnätet eller en med kraftnätet synkron spänningskälla och att tordningstransformatorn (1) med en sekundärsida kopplas mellan kraftnätets nolipunkt (N) och jord (E), varvid jordningstransformatorn (1) innefattar två eiler fiera lindningskopplare, och en enhet utformad att styra ilndingskopplarn, och reglering av sekundärspännlngar nos jordningstransformatorn (1) med avseende på amplitud och fasvinkel (o) i förhållandet tiil den rnatande krafttransformatorns spänningssystem.

8. Metoden enligt krav 7, varvid jordningstransformatorn (t) utförs trefasigt.

9. Användning av anordningen enligt något av kraven 1 till 6, eller metoden enligt krav 7 eller 8, för att kompensera en jordfelsström.

10.Användning. av anordningen enligt något av kraven 1 till 5, eller metoden enligt krav 7 etter 8, parallellt med en Petersenspole för att eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade iordfels-restströrnmen.