SE541989C2 - Anordning och metod för jordfelskompensering i kraftnät - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en anordning innefattande åtminstone två reglerbara reaktanselement (1) anordnad att kompensera en jordfelström vid jordslutning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator (3). Reaktanselementen kopplas med sin primärsida till en med kraftnätet synkron spänningskälla och med sin sekundärsida till kraftnätets nollpunkt (N), varvid anordningen uppvisar en enhet utformad att styra reaktanselementen för att reglera nollpunktsspänningen hos krafttransformator med avseende på amplitud och fasvinkel (a) i förhållandet till den matande krafttransformatorns spänningssystem. Vidare avser uppfinningen en metod för att alstra en nollpunktspänning i ett kraftnät med en krafttransformator genom användning av anordningen. Uppfinningen avser också användning av anordningen eller metoden för att kompensera en jordfelsström och/eller användning av anordningen eller metoden parallellt med en Petersenspole för att eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfels-restströmmen.

Description

Anordning och metod för jordfelskompensering i kraftnät Beskrivning Uppfinningen avser en anordning innefattande två eller flera snabbt reglerbara reaktanser och anordnad att kompensera en jordfelström vid jordslutning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator enligt ingressen av patentkrav 1. Vidare avser uppfinningen en metod för att alstra en nollpunktspänning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator enligt ingressen av patentkrav 7.

Uppfinningens bakgrund och känd teknik Överföring av elektrisk energi sker idag huvudsakligen med trefas-växelspänningssystem. För att möta systemets grundkrav - energialstring och förbrukning måste vara i balans i varje ögonblick - har det uppstått stora nationella överföringsnät, där alla producenter och konsumenter av elektrisk energi är sammankopplade. Att sedan förbinda de nationella överföringsnäten till transnationella överföringsnät ger ytterligare fördelar med avseende på grundkravet. Ett sådant överföringsnät är t. ex. det skandinaviska NORDEL-nätet.

För att minska överföringsförlusterna sker energitransporten i överförings- eller transmissionsnäten med högspänning, företrädelsevis 400kV. Utmatningen till konsumenterna från transmissionsnätet sker över distributionstransformatorer som i sin tur var och en försörjer ett begränsat geografiskt område. Distributionen sker huvudsakligen med 10-30kV spänning. Stora industrikunder är därvid direktkopplade till distributionsnätet, medan mindre förbrukare och hushåll försörjs över ytterligare en transformering till 400/230V.

Transmissionsnätet har på grund av sin maskade struktur hög tillgänglighet. Distributionsnäten däremot utgör med sin radiella nätstruktur den svaga länken i överföringssystemet. Fel som uppstår på en enskild distributionsledning kan leda till bortkoppling av stora konsumentgrupper. Skyddstekniken måste därför inriktas på såväl person- och brandsäkerheten som upprätthållandet av leveranssäkerheten. Två till synes motstridiga uppgifter En viktig observation i sammanhanget är det faktum att merparten av de elektriska felen uppstår som isolationsgenombrott mellan endera fasen och jord - s.k. jordfel, medan själva energiöverföringen är begränsad till spänningssystemet mellan faserna. Ur skyddssynpunkt vore det därför önskvärt att behandla jordfelen separat, och om möjligt begränsa jordfelsströmmen till den grad att ledningarnas frånkoppling kan undvikas.

Det mest framgångsrika skyddskonceptet baserat på denna grundtanke utvecklades redan 1917 av Waldemar Petersen. Genom att förbinda trefas-systemets nollpunkt över en till nätkapacitansen avstämd induktans till jord - den s.k. Petersenspolen - uppnås en reducering av jordfelsströmmen med en faktor tio till femtio. Strömbegränsningen är i regel tillräcklig för att säkerställa självsläckningen av enfasiga ljusbågsöverslag, som utgör huvuddelen av störningarna i friledningsnät.

Petersens resonansjordning dominerar idag i skandinaviska och andra europeiska distributionsnät. Dessa nät uppvisar genomgående en högre tillgänglighet än jämförbara distributionsnät med annat systemjordningskoncept.

Vid den pågående omvandlingen av distributionsnäten från friledningsnät till kabelnät ökar jordfelströmmarna med en faktor 30 till 50 p.g.a. kabels högre kapacitans, vilket påverkar Petersens resonansjordning på två sätt: Dels minskar självsläckningseffekten i den resterande friledningsdelen vid stigande jordslutningsströmmar, för att slutligen upphöra helt, och dels fungerar självsläckningseffekten inte alls i kabelnät p.g.a. det korta avståndet mellan den spänningsförande ledaren och jord (skärmen). Problemet därvid är den av Petersenspolen inte kompenserade restströmmen.

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

Till skillnad från Petersenspolen, som enbart höjer källimpedansen i jordslutningskretsen, eliminerar restströmskompenseringen den drivande spänningen vid jordfel genom att superponera en motspänning. Uppgiften är inte helt trivial, emedan den drivande spänningen bara är delvis känd i första ansatsen.

Enligt Thevenins teorem bestäms felströmmen av den drivande spänningen i felstället, felimpedansen och källimpedansen. Omvänt kan man säga: för att åstadkomma den fullständiga elimineringen av felströmmen krävs eliminering av den drivande spänningen i felstället. En inte helt trivial uppgift emedan felimpedansen är okänd och källimpedansen bara kan påverkas delvis med Petersenspolen.

Den drivande spänningen i felstället utgörs av den matande distributionstransformatorns fasspänning i den fasen som är behäftad med jordfelet (känt respektive mätbart), plus det lastströmsberoende spänningsfallet mellan matande transformatorn och själva felstället som kan ligga långt ute i nätet (okänd).

Bestämningen av den senare blev möjlig genom utveckling av ett nytt mätförfarande som publicerades första gången i början av nittiotalet (se: Winter, K. ”Swedish Distribution Networks - A new method for Earthfault Protection in Cable- and Overhead Systems”, 5thInternational Conference on Power System Protection. IEE conference publication No 368, York/UK 1993).

Resterande problem, att generera en motspänning med möjlighet att styra amplitud och fasvinkel i förhållandet till distributionstransformatorns spänningar, löstes först med hjälp av två induktionsregulatorer med vars hjälp man kan generera en resulterande spänning som kan varieras med avseende på amplitud och fasvinkel (Svensk patentansökan, publ. nr SE437096, 1984). Regleringen av de mekaniska induktionsregulatorerna blir dock inte särskild snabb, varför dessa sedermera ersattes av kraftelektronik (pulsbreddsmodulerande växelriktare). Referensanläggningar för restströmskompensering finns idag i kraftnät med spänningsnivåer mellan 6kV och 110kV.

Effektbehovet för restströmskompensering är beroende av spänningsnivå, nätstorlek och dämpningsförhållanden. Distributionsnäten i de tätt befolkade delarna av världen kan uppnå kapacitiva jordslutningsströmmar på mer än 1000A, med okompenserade jordfelsrestströmmar i storleksordning 100A och mer. Effektbehovet för kompenseringen av restströmmen i ett sådant nät kan då ligga långt över 1000kVA.

Växelriktare av denna storlek är relativt kostsamma. Med den föreliggande uppfinningen föreslås en enklare anordning för den fullständiga kompenseringen av jordfelsströmmen i syftet att sänka kostnader, öka säkerheten samt tillförlitligheten.

Sammanfattning av uppfinningen Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja ovannämnda problem och tillhandahålla en enklare anordning för kompenseringen av jordfelsströmmen. Ett ytterligare ändamål är att eliminera jordfelsströmmen fullständigt och därmed öka säkerheten. Ännu ett ändamål är att öka tillförlitligheten av kompenseringsanordningen och därmed tillförlitligheten av själva elkraftöverföringen. Ett ytterligare ändamål är att sänka kostnader för jordfelsströmmens kompensering. Ändamålen uppnås med en anordning definierad i ingressen av krav 1, kännetecknad av att åtminstone två reglerbara reaktanser med sin primärsida kopplas till var sin fas av en med kraftnätet synkron spänningskälla och att reaktanserna med sin sekundärsida tillsammans kopplas till kraftnätets nollpunkt, varvid nollpunktsspänningen respektive dess vinkel bestäms av reaktansernas storlek som styrs av en enhet för att reglera nollpunktsspänningen med avseende på amplitud och fasvinkel i huvudsyftet att helt eliminera en eventuell jordfelsström i kraftnätet.

Fördelar med föreliggande uppfinning är att säkerheten förbättras genom att jordfelsströmmen kan kompenseras fullständigt och att antalet ledningsfrånkopplingar kan minskas eller undvikas helt. Med hjälp av den nya anordningen förbättras således både person- och brandsäkerheten såväl som tillgängligheten i distributionsnätet. Den nya anordningen kan produceras till en låg kostnad och är relativt enkel att installera i befintliga distributionsnät parallellt med befintliga Petersen spolar.

Anordningen enligt uppfinningen kan användas i olika kraftnät med såväl två-, tre- eller flerfas-växelspänningssystem.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen, är nämnda styroch mätenhet kopplad till de reglerbara reaktanserna för att reglera spänningen mellan kraftnätets nollpunkt och jord i syftet att upptäcka eventuella isolationsskador i kraftnätet.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är styr- och mätenheten inrättad att bestämma vilka faser som kopplas till de åtminstone två reglerbara reaktanserna.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är styr- och mätenheten inrättad att reglera reaktansernas storlek tills villkoret för en fullständig kompensering av jordfelsströmmen är uppfyllt.

Anordningen enligt uppfinningen kan därvid användas tillsammans med kända styr- och mätenheter för den fullständiga kompensering av jordfelsströmmen.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen är anordningen inrättad att användas parallellt med en Petersenspole för att enbart eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfelsrestströmmen.

Anordningen enligt uppfinningen kan öka effekten av en befintlig kompensationsanordning, genom att på ett enkelt sätt installera anordningen parallellt med en Petersenspole. Ändamålen uppnås med en metod definierad i ingressen av krav 7, kännetecknad av användning av en anordning innefattande åtminstone två reglerbara reaktanser som med sin primärsida kopplas till var sin fas av en med kraftnätet synkron spänningskälla och att reaktanserna med sin sekundärsida gemensamt kopplas till kraftnätets nollpunkt, varvid reaktanserna styrs av en enhet utformad att styra nollpunktsspänningen med avseende på amplitud och fasvinkel i förhållande till den matande krafttransformatorns spänningssystem.

Metoden enligt uppfinningen ökar tillförlitligheten av befintliga kompenseringsanordningar. Därmed förbättras också tillgängligheten av distributionsnätet. Ändamålen uppnås med en metod för att alstra en nollpunktspänning i ett växelspänningskraftnät matat från en krafttransformator, kännetecknad av en anordning innefattande åtminstone två reglerbara reaktanser som med sin primärsida är kopplade till en med kraftnätet synkron spänningskälla och sin sekundärsida gemensamt är kopplade till kraftnätets nollpunkt, varvid en styr- och mätenhet är kopplad till reaktanserna för att reglera spänningen mellan kraftnätets nollpunkt och jord, varvid: - styr- och mätenheten reglerar nollpunktsspänningen med avseende på amplitud och fasvinkel i förhållande till den matande krafttransformatorns spänningssystem, - styr- och mätenheten bestämmer vilka reaktanser som kopplas till kraftnätets nollpunkt, och - styr- och mätenheten reglerar reaktanserna tills villkoret för en fullständig kompensering av jordfelsströmmen är uppfyllt.

Enligt en utföringsform av metoden används enbart två reglerbara reaktanser, varvid styr- och mätenheten först bestämmer till vilka faser dessa skall kopplas.

Enligt en annan utföringsform av metoden, utförs reaktanserna trefasigt för att påskynda utstyrningen genom direktstyrning av de två aktuella reaktanserna medan den tredje lämnas frånkopplad. Ändamålen uppnås likaledes genom användning av anordningar enligt ovan, eller metoden enligt ovan, parallellt med en Petersenspole för att enbart eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfelsrestströmmen.

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

Figur 2 visar samma distributionsnät med en anordning för kompensering av jordfelströmmen enligt uppfinningen.

Figur 3 visar vektordiagrammet för den drivande spänningen beroende på jordfelets belägenhet i distributionsnätet.

Figur 4a visar ett detaljerat kopplingsschema för en anordning enligt uppfinningen.

Figur 4b visar vektordiagrammet för en anordning enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Figurerna 1 och 2 visar ett distributionsnät med en styr- och mätenhet 2 för detektering av jordfel och styrning av en kompensationsanordning. Vidare visas en matande krafttransformator 3, en samlingsskena 4 och ett antal utgående distributionsledningar L1, L2- LNmed var sin ledningsbrytare 9 vid samlingsskenan 4.

Elkraftöverföringen sker i regel med trefas-system, men även tvåfas-system (järnvägsdrift) förekommer. Den gemensamma nämnaren därvid är att överföringen av nyttolasten (till 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 felen uppstår dock mellan endast en fas och jord (s.k. jordfel). Därvid förskjuts hela systemet i förhållande till jord. Spänningarna mellan faserna - som driver nyttolasten - påverkas dock inte.

Felströmmen i själva jordfelsstället bestäms av nätets övriga strömmar till jord (huvudsakligen kapacitiva, men även resistiva avledningsströmmar). Summan av dessa avledningsströmmar till jord - inklusive strömmen i felstället - är alltid noll (Kirchhoffs strömlag). Därav följer att strömmen i felstället kan bli noll endast om summan av övriga avledningsströmmar är noll.

Syftet med kompensationsanordningen i både figur 1 och 2 är att skapa denna balans genom att alstra en motsvarande ström mellan kraftnätets nollpunkt och jord.

Figur 1 visar därvid en känd anordning för kompensering av jordfelsströmmen bestående av en nollpunktsreaktor 5 med hjälpkraftlindning 6 och en därtill kopplad växelriktare 7 för kompensering av jordfelsrestströmmen. En möjlighet till reservfrånkoppling av en ledning 8 vid t. ex. fel i kompenseringsanordningen visas också.

Figur 2 visar en anordning för kompensering av hela jordfelsströmmen med hjälp av åtminstone två reglerbara reaktanser 1 enligt uppfinningen.

Styr- och mätenhet 2 mäter fortlöpande nollföljdsadmittansen Yo på de utgående ledningarna L1-Noch i kompenseringsanordningens jordförbindelse. De senast aktuella värden lagras i mätenhetens minne. Vid upptäckten av ett jordfel upprepas mätningen. Därefter jämförs Yo-värden före och efter jordfelsögonblicket, ledning för ledning.

Jordfelet finns på den ledningen som uppvisar en avvikelse ??? från sitt felfria värde. Avvikelsen som också kan mätas i kompenseringsanordningens jordförbindelse används för att styra kompenseringsanordningen. I figur 1 är det den kända anordningen med växelriktare 7 och i figur 2 är det de reglerbara reaktanserna 1 enligt uppfinningen. I båda fallen genereras en reglerbar spänning U EN mellan kraftnätets nollpunkt N och jord E.

När spänningen U EN motsvarar den drivande spänningen i felstället reduceras avvikelsen ??? och därmed jordfelsströmmen till noll (Thevenins teorem).

Figur 3 visar den drivande spänningens beroende av i vilken fas UL1, UL2eller UL3felet har uppstått och felsställets belägenhet A, B eller C i distributionsnätet. Den drivande spänningen utgörs av krafttransformatorns fasspänning (i figur 3 exemplifierad med fasspänningen UL1) och spänningsfallet på ledningen (Ixx Zx) mellan krafttransformatorn och felstället. Spänningsfallet på ledningen är i sin tur bestämt genom ledningens egen impedans Zxoch strömbelastning Ixsom i regel är lika stor i all faser.

Som figur 3 visar, måste kompenseringsanordningen - för att upphäva den drivande spänningen i felstället - alstra en nollpunktsspänning som i erforderlig grad kan justeras med avseende på amplitud och fasvinkel i förhållande till krafttransformatorns spänningssystem.

Figur 4a visar ett kopplingsschema för ett utförande med två reglerbara reaktanser enligt uppfinningen som kan alstra denna nollpunktsspänning. Reaktanselementen utgörs i detta fall av två snabbreglerande kondensatorbankar. Styr- och mätenheten väljer först till vilka faser kondensatorbankerna skall kopplas för att sedan reglera bankernas storlek så att villkoret för kompenseringen av jordfelsströmmen (??? = 0) uppfylls Reaktansanordningen kan även utföras trefasigt för att undvika separata tillkopplingsbrytare och därigenom ytterligare snabba upp kompenseringen. Därvid styrs de två aktuella kondensatorbankerna direkt, medan den tredje förblir frånkopplat.

Figur 4b visar vektordiagrammet för kompenseringsanordningen enligt figur 4a. Den delta-kopplade primärlindningen av spänningskällans transformator alstrar tre inbördes 120° förskjutna spänningar i den y-kopplade sekundärsidan. De tre möjliga permutationerna av vardera två av dessa spänningar alstrar tre resulterande spänningar vars amplitud och vinkel kan bestämmas fritt inom 120° genom förändring av reaktanselementens storlek.

Anordningen kan användas för den fullständiga kompensering av hela jordfelsströmmen. Alternativt kan anordningen med fördel även användas för enbart restströmskompensering i nät med befintliga Petersenspolar.

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

Claims (10)

PATENTKRAV

1. En anordning innefattande åtminstone två reglerbara reaktanselement (1) anordnad att kompensera en jordfelström vid jordslutning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator (3), kännetecknad av att reaktanselementen (1) utgörs av två snabbreglerande kondensatorbankar, och att reaktanselementen (1) med sin primärsida kopplas till en med kraftnätet synkron spänningskälla och att reaktanselementen (1) med sin sekundärsida gemensamt kopplas till kraftnätets nollpunkt (N), varvid reaktanselementen (1) är individuellt reglerbara av en styr- och mätenhet (2) utformad att styra nollpunktsspänningen hos krafttransformatorn (3) med avseende på amplitud och fasvinkel i förhållandet till den matande krafttransformatorns spänningssystem.

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

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

4. Anordningen enligt krav 3, kännetecknad av att styr- och mätenheten (2) är inrättad att bestämma vilka faser respektive reaktanselement som kopplas till kraftnätets nollpunkt (N).

5. Anordningen enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av att styroch mätenheten (2) är inrättad att reglera reaktanselementens storlek tills villkoret för en fullständig kompensering av jordfelsströmmen är uppfyllt.

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

7. En metod för att alstra en nollpunktspänning i ett växelströmskraftnät med en krafttransformator (3), kännetecknad av användning av en anordning innefattande åtminstone två reglerbara reaktanselement (1) som utgörs av två snabbreglerande kondensatorbankar, och att reaktanselementen (1) med sin primärsida kopplas till en med kraftnätet synkron spänningskälla och att reaktanselementen (1) med sin sekundärsida kopplas till kraftnätets nollpunkt (N), varvid anordningen (1) innefattar två eller flera reglerbara reaktanselement, och en styrenhet (2) utformad att styra reaktanselementen, för att reglera nollpunktsspänningen hos krafttransformatorn (3) med avseende på amplitud och fasvinkel (a) i förhållandet till den matande krafttransformatorns spänningssystem.

8. Metoden enligt krav 7, varvid reaktanselementen (1) 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 eller 8, parallellt med en Petersenspole för att eliminera den av Petersenspolen icke kompenserade jordfels-restströmmen.