SE514918C2 - Förfarande och anordning för synkroniserad frånslagning av högspänningsbrytare - Google Patents

Description

514 918 2 fasläge kommer emellertid att stå i ett bestämt förhållande till fasläget hos den lokala spänningen före felets inträffande. Räknat från nollgenom- gång hos spänningen i fas R plus ett helt antal halvperioder kommer fel- strömmen i resp fas att gå genom noll ungefär enligt följande: fas R 90 elektriska grader senare fas S 210 elektriska grader senare fas T 150 elektriska grader senare Detta gäller för enfasigt jordfel som är vanligaste feltyp i system med direktjordad nollpunkt. Om även kortslutningar och system med isolerad eller impedansjordad nollpunkt beaktas kommer följande faslägen, räknade på samma sätt, att ligga högst ca 60 elektriska grader före strömmens nollgenomgång i resp fas: fas R 60 elektriska grader fas S 180 elektriska grader fas T 120 elektriska grader Detta utnyttjas enligt uppfinningen för att, med lämplig fördröjning efter varje spänningsnollgenomgång före felets inträffande, öppna en elektronisk grind under ett kort ögonblick för passage av ett frånslagningskommando, vare sig ett sådant kommando kommer eller inte. Genom en hållkrets kan frånslagningskommandot hållas aktiverat under tillräckligt lång tid ifall signalen från skyddssystemet utgöres av en kort impuls.

För vissa typer av högspänningsbrytare måste ljusbågstiden ligga inom vissa gränser för att brytningen skall lyckas. Intervallet mellan dessa gränser kallas vanligen "släckfönstret". För en SF6-brytare av puffer- typ kan vid brytning av en klämkortslutning eller ett avståndsfel släck- fönstret exempelvis ligga mellan gränserna 10 och 20 ms räknat från tid- punkten för kontaktseparation. Vid brytning med fas-opposition kan släck- fönstret för samma brytare ligga mellan exempelvis 5 och 15 ms.

Vid brytning av en klämkortslutning eller ett avståndsfel är brytarens prestanda i regel oberoende av i vilken tidpunkt inom släckfönstret brytningen sker. Den elektriska livslängden är emellertid starkt beroende av ljusbågstiden, som därför bör vara så kort som möjligt, dvs ljusbågs- släckningen bör ske nära släckfönstrets nedre gräns, t ex vid 11 ms (vid 50 Hz). 514 918 .a Då det gäller brytning av fas-opposition överstiger strömmen normalt inte 25 X av det nominella klämkortslutningsvärdet, vilket innebär att detta brytfall är mindre kritiskt med hänsyn till den elektriska livslängden.

Däremot blir den återvändande spänningen relativt hög i detta fall, och det är därför viktigt att kontaktavståndet är tillräckligt stort i bryt- ögonblicket. Detta innebär att en ljusbågstid nära släckfönstrets övre gräns är fördelaktigt. Ljusbågssläckning strax efter 11 ms, vilket även passar för de två ovannämnda brytfallen (klämkortslutning och avståndsfel), synes därför vara en lämplig kompromiss.

Enligt uppfinningen kan således exakt samma synkroniseringslösning använ- das för alla tre felbortkopplingsfallen, och det är inte nödvändigt för synkroniseringsanordningen att vid en felbortkoppling detektera vilken typ av fel som har inträffat.

Uppfinningen skall närmare förklaras genom beskrivning av ett utförings- exempel med hänvisning till bifogade ritningar, där fig 1 visar schematiskt ett utföringsexempel av uppfinningen, fig 2a och 2 b visar spänning och ström i en fas vid felbortkoppling i kretsen enligt fig 1, dels då felet inträffar nära en spännings- nollgenomgång (fig 2a), dels då felet inträffar nära spännings- maximum (fig Zb), fig 3 visar hur fördröjningen av frånkopplingskommandot beror av i vilken fas spänningens nollgenomgång detekteras, Fig 4a, Äb och 4c visar spänningen i fas R och strömmen i den fas där en jordslutning inträffar, om detta sker i fas R (fig 3a), fas S (fig Hb) eller fas T (fig 3c) och i samtliga fall nära en spänn- ingsnollgenomgång i respektive fas, fig 5 visar ett programförloppsdiagram för den kontinuerliga funktions- övervakningen av anordningen enligt uppfinningen, och fig 6 visar ett programförloppsdiagram för en felbortkoppling med anordningen enligt uppfinningen. 514 918 9 I fig 1 visas ett principschema för ett utföringsexempel av föreliggande uppfinning. Figuren visar en trefas samlingsskena 1 för en systemspänning på exempelvis 245 kV. Till samlingsskenan är en avgreningsledning 2 an- sluten via en effektbrytare 3. Brytarens tre poler är försedda med sepa- rata manöverdon 31, 32, 33, så att brytarpolerna kan manövreras oberoende av varandra.

För att förbättra brytarens livslängd och prestanda är brytaren försedd med en elektronisk synkroniseringsanordning, som styr frånimpulserna till brytarens manöverdon i beroende av nätspänningens fasläge före felets inträffande, så att kontaktskiljningen i brytarpolerna sker vid en tid- punkt som ligger i ett med hänsyn till brytarens släckfönster lämpligt avstånd före en naturlig strömnollgenomgâng i respektive pol.

I den visade synkroniseringsanordningen ingår för vardera fasen en elektronisk grind 4 som via en spänningstransformator 5, en nollpassage- detektor 6 och ett fördröjningselement 7 är ansluten till samlingsskenans 1 ena fasledare. Denna del av anordningen fungerar på så sätt, att varje spännningsnollgenomgång ger upphov till en impuls som vid en av fördröj- ningselementet 7 förutbestämd tidpunkt efter nollgenomgången öppnar den elektroniska grinden N, vilken efter ett kort tidsintervall, t ex 0,5-1 ms, automatiskt åter stängs. Om det i högspänningsnätet inträffar en kortslutning eller annat fel som kräver frånslagning av brytaren 3 inkom- mer vid godtycklig tidpunkt till grinden 4 ett frånkopplingskommando via en ledning 8 från ett reläskydd. Detta kommmando upprätthålles under en tid av exempelvis 9 ms, eventuellt med hjälp av en hàllkrets 9, i avvaktan på att grinden U öppnas. När detta sker kan frånkopplingskommandot passera till manöverdonen 31-33. Fördröjningselementet 7 har tre utgångar med individuellt inställd fördröjning av frånkommandona till de tre manöver- donen 31-33 så att dessa aktiveras successivt med en tidsförskjutning av 60 elektriska grader.

I fig 2a och 2b visas spännings- och strömförloppen vid bortkoppling av två jordfel som inträffar vid olika faslägen i ett 50 Hz högspänningsnät med tidskonstanten Ä5 ms. Jordfelet enligt fig 2a inträffar nära en spänningsnollgenomgång, medan jordfelet enligt fig 2b inträffar nära ett spänningsmaximum. I det visade exemplet har den för felbortkopplingen använda brytaren en öppningstid av 20 ms, och frånkopplingskommando erhålles från reläskyddet 10 ms efter det att felet inträffat. För syn- š14 91ß 5' kroniserat frånslag enligt uppfinningen öppnas en elektronisk grind för framsläppande av frånkopplingskommando 22,5 ms efter varje nollgenomgång hos fasspänningen före jordfelets inträffande (och stänger igen efter ett intervall som är precis tillräckligt för aktivering av frånslagnings- kretsen för brytarens manöverdon).

Följande beteckningar används i förloppsdiagrammen enligt fig 2a och 2b: to = tidpunkt för sista spänningsnollgenomgång före felets inträff- ande tf = tidpunkt för felets inträffande tt = tidpunkt för frånkopplingskommando från anläggningens reläskydd t'sep = tidpunkt för kontaktseparation vid okontrollerad (dvs ej synkroniserad) brytning tsep = tidpunkt för kontaktseparation vid synkroniserad brytning enligt uppfinningen text = tidpunkt för ljusbågssläckning En jämförelse mellan felbortkoppling med okontrollerad (ej synkroniserad) brytning resp synkroniserad brytning enligt uppfinningen ger följande resultat (i tabellen är tidpunkterna för t t t'S , t och tex f' t' ep sep t angivna med utgångspunkt från tidpunkten för den naturliga spännings- nollgenomgång som ligger närmast tidpunkten för felets inträffande).

Brytning enligt fig 2a fig 2b Tidpunkt för felets inträffande (ms) 9,8 4,8 Tidpunkt för frånkopplingskommando (ms) 19,8 1H,8 Tidpunkt för kontaktseparation ej synkroniserad (ms) 39,8 3Ä,8 synkroniserad (ms) 42,5 42.5 514 §1s e Tidpunkt för ljusbågssläckning ej synkroniserad (ms) 53,5 54,8 synkroniserad (ms) 53,5 5ü,8 Ljusbàgstid ej synkroniserad (ms) 13,8 20,0 synkroniserad (ms) 11,0 12,3 Ljusbågsenergi ej synkroniserad (%) 32,8 100,0 synkroniserad (1) 18,4 36,9 Den i tabellen angivna värmeutvecklingen hos ljusbågen är beräknad som tidsintegralen, från kontaktseparationen till ljusbågssläckningen, av strömmen gånger ljusbågsspänningen, varvid den senare antas växa propor- tionellt mot tiden från kontaktseparationen.

Av tabellen framgår att man i det brytfall (fig 2b) som ger den högsta energiutvecklingen i ljusbågen kan reducera denna till i det närmaste en tredjedel om synkroniseringsförfarandet enligt föreliggande uppfinning används och om de ovan angivna förutsättningarna beträffande funktions- tiden för brytare och reläskydd gäller. Detta innebär att kontaktav- bränningen och förångningen av dysmaterial i brytaren kommer att reduceras väsenligt, varigenom en betydande ökning av brytarens livslängd kan upp- nås.

I fig 3 visas hur fördröjningen beror av i vilken fas spänningens noll- genomgång detekteras. Som exempel har valts ett enfasigt jordfel som inträffar då spänningen i samma fas går genom noll, och diagrammet visar strömmen i den fas där felet inträffar samt de tre lokala fasspänningarna.

Följande beteckningar används: tOR = tidpunkt för sista spänningsnollgenomgång i fas R om felet inträffar i fas R CT II OS tidpunkt för sista spänningsnollgenomgång i fas R om felet inträffar i fas S toT = tidpunkt för sista spänningsnollgenomgång i fas R om felet inträffar i fas T

Claims (4)

514 918 7 Fig 4a, Hb och Hc visar spänningen i fas R och strömmen i en fas där en jordslutning inträffar nära en spänningsnollgenomgâng. Fig 4a visar för- hållandet när felet inträffar i fas R, fig 4b när felet inträffar i fas S och fig Hc när felet inträffar i fas T. I figurerna 4a-4c avser tidsmarke- ringen t den tidpunkt då den elektroniska grinden öppnas. grind I fig 5 visas ett programförloppsdiagram för den kontinuerliga funktions- övervakningen av anordningen enligt uppfinningen. I programmet ingår självövervakning av den mikroprocessor som anordningen är baserad på. Vidare kontrolleras att endast nätfrekventa spänningsnollgenomgångar, och inte tillfälligt förekommande nollgenomgångar härrörande från transienter, initierar öppning av den elektroniska grinden. I fig 6 visas ett programförloppsdiagram för en felbortkoppling enligt uppfinningen. Av diagrammet framgår att om något fel uppstår i mikro- processorn leds frånkopplingskommandot direkt till utlösningskretsen i brytarens manöverdon via förbindelsen A. Sådan direktkoppling av kommandot förbi den elektroniska grinden kan även ske via förbindelsen B om grinden inte öppnat för framsläppande av frånkoppligskommandot under en väntetid överstigande 8 ms. Uppfinningen är inte begränsad till det visade utföringsexemplet utan flera varianter är möjliga inom ramen för patentkraven. Exempelvis kan uppfinningen med fördel integreras i en anordning för planerad frånkopp- ling av i princip samma utförande som beskrivs i broschyren SESWG/B 2001 E "SWITCH SYNC Relay for synchronous circuit closing" publicerad dec. 1989 av ABB HV Switchgear AB, Ludvika. PATENTKRAV

1. Förfarande för synkroniserad frånslagning av en högspänningsbrytare (3) vid bortkoppling av fel i ett högspänningsnät, k ä n n e t e c k - n a t av att nätspänningens nollgenomgångar före felets inträffande fort- löpande avkännes för att vid varje nollgenomgång alstra en impuls, som med förutbestämd fördröjning tillföres en elektronisk grind (4) och öppnar denna under ett tidsintervall, som är kort i förhållande till nätspänn- ingens halvperiodtid, för passage av ett eventuellt frånslagningskommando till brytarens manöverdon (31, 32, 33). 5 74' " 918 8 ,

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det tidsintervall under vilket den elektroniska grinden (4) är öppen är av storleksordningen 0,5-1 ms.

3. Anordning för genomförande av förfarandet enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen innefattar organ (5, 6) för fortlöpande detektering av nätspänningens nollgenomgångar före felets inträffande, att detekteringsorganet (5, 6) är anordnat att vid varje spänningsnollgenomgång alstra en impuls som via ett fördröjningselement (7) tillföres en elektronisk grind (H) för öppnande av denna vid en fast, förutbestämd tidpunkt efter spänningsnollgenomgången, att den elektroniska grinden (Ä) är anordnad att automatiskt stängas efter ett förutbestämt tidsintervall som är kort i förhållande till nätspänningens halvperiodtid, samt att ett av felet påverkbart relä för alstrande av ett fránslagnings- kommando är anslutet till brytarens manöverdon (31, 32, 33) via den elektroniska grinden (U).

4. Anordning enligt patentkrav 3, avsedd för en trepolig högspännings- brytare (3) med separata manöverdon (31, 32, 33) för de olika brytar- polerna, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen är anordnad att tidsförskjuta frånimpulserna till de olika brytarpolerna, så att kontakt- skiljningen sker i huvudsak i samma strömfasläge i de tre polerna.