SE527406C2 - Förfarande och DC-avledare för skydd av kraftsystem mot geomagnetiskt inducerade strömmar - Google Patents

Description

25 30 35 C71.

PJ ~4 .lä CD Ch Geomagnetiskt inducerade strömmar (GICs) kan, som nämnts ovan, skada kraft trans- formatorer, på grund av halv-cykel mättnad av kärnan och värme som utvecklas I trans- formatorns järndelar. Mättnaden av järnkärnan förändrar flödesvägarna i transformato- rerna. Delar, såsom tank och pressbalkar som vanligen bär mycket låga flöden kan tvingas bära mycket större kraft. Det ökade flödet kan signifikant öka värmen som ut- vecklas i sådana icke-laminerade delar av transformatorn. Värmeavgivningen kan bli så hög att transformatorns olja börjar koka efter en kort stund.

IEEE Transactions on Magnetics, vol. 35, no. 5, (1999), Transformer Design Considera- tions for Mitigating Geomanetic Induced Saturation by Viana, W. C. et al beskriver an- vändning av en öppen delta yttre lindning vilken matas av en justerbar strömkälla. Ar- betet diskuterar mera speciellt placeringen av den yttre lindningen.

SU-A-1,631,658 beskriver en trefas lufttransmissionsledning med jordad nolla, vilken ledning uppvisar tillförsel och mottagande transformator lindningar anslutna I omvänd zigzag. Med denna utformning har flöden i varje transformatorben som härrör från iden- tiska strömmar i olika faser motsatt riktning men lika magnitud. Flödena kompenserar varandra och resulterande totala flödet är noll. Härvid mättas inte transformatorkäman.

Autom. Electr. Power Syst. (China), April 10, 2000, Xue Xiangdang et al beskriver kom- pensering av geomagnetiskt inducerad ström vid krafttransformatorer, vari Fig. 3 be- skriver ett schematiskt diagram för att kompensera GIC genom själv-exitering, varvid mittpunkten är ansluten till jord via verkliga kompenseringslindningar, varvid transfor- matorn blir självkompenserande.

SE patentansökan 0301893-4 ingiven 27 juni 2003 beskriver införande av ett passivt kompensationssystem för likström, nollföljdsström, inducerad av geomagnetiska fältför- ändringar i transformatorer för att eliminera höga magnetiseringsmättnadsnivåer, varvid en första impedans (Zl) är anordnad från nollpunkten till jord parallellt med kompensa- tionslindningen, varvid impedansen ger en hög impedans för låga och nollfrekvenser, och varje, företrädesvis, en låg impedans för högre frekvenser.

Det föreligger sålunda ett starkt incitament för att förhindra likström att flöda genom transformatorn. Som är uppenbart från ovanstående föreligger förslag att ansluta olika neutralpunktsanordningar mellan neutralpunkten i en Y-ansluten transformatorlindning och jord för att reducera eller fullständigt eliminera likströmmen genom transformato- rerna. Förslagen inkluderar: (1) en neutralpunktsresistor, (2) en neutralpunktskonden- 10 15 20 25 30 35 (Fl h.) ~q J; CD Ch sator, (3) en DC motor, och (4) eliminering av låg-impedans neutralpunktsanordningar genom att endast använda ett överspänningsskydd vid neutralpunkten. En nackdel med sådana anordningar är att transformatorn kan ha en graderad isolering och isoleringen vid neutralpunkten kan vara alltför liten för att motstå spänningen vid jordfel nära sam- lingsskenan där transformatorn är ansluten. En annan nackdel med sådana neutral- punktsanordningar är att de tvingar likström att flöda genom andra transformatorer och gör det nödvändigt att förse också dem med neutralpunktsanordningar.

Geomagnetiskt inducerade strömmar flödar genom transformatorlindningar och skapar ett magnetfält som kan mätta transformatorkärnan. Detta förorsakar kraftfrekvens (50 Hz or 60 Hz) AC magnetfältet att sprida sig ut genom lindningarna och strukturele- ment i transformatorn som producerar virvelströmmar som kan producera hetpunkter, so allvarligt kan skada transformatorn. Transformatorns magnetiseringsström kar signi- fikant under den del av AC cykeln när magnetkärnan kommer i mättnad. Toppar i mag- netiseringsström resulterar i AC vågformer med högt övertonsinnehåll. Dessa ökade övertoner förorsakar felaktig operation av skyddsreläer och kan förorsaka avbrott i kraft- ledningarna. Det ökade reaktiva kraftkravet tillsammans med oönskat arbete i skyddsre- läer kan förorsaka kollaps i kraftsystemen.

Den geomagnetiskt inducerade strömmen är en mellanvariabel i den komplicerade rymdväderkedjan som startar vid solen och slutari skyddssystemet som indikerats l Fi- gur 1, vilket är en anpassning av liknande bilder som tidigare publicerats av Boteler [2] och Pirjola [ 3 ].

Aspnes et al. [ 1 ] har beskrivit den komplicerade processen enligt följande: Solen emit- terar kontinuerligt laddade partiklar bestående av protoner och elektroner ut i interpla- netära rymden. Detta ledande partikelflöde kallas solvinden. Jordens magnetfält kan be- traktas som en dipol om det inte var för det kontinuerliga flödet av solvinden. Trycket från solvinden komprimerar magnetfältlinjerna å jordens solsida. Denna distorsion i jor- dens magnetfält resulterar i en kometformad hålighet kallad magnetosfären. Protonerna och elektronerna, som har motsatt laddning, deflekteras i motsatta riktningar vilket re- sulterar i ett elektriskt strömflöde. Fält förenade strömma flödar ned i jonosfären. I den nedre jonosfären saktar protonerna av genom kollision med atmosfärens molekyler-me- dan elektronerna rör sig fritt och bildar ett stort strömflöde kallat elektrojet. Elektrostrå- len är känd att vara lokaliserad minst 100 kilometer över jordens yta. Elektrostråle strömmar med tiotusentals ampere stör magnetfältet som uppmättes vid jordens yta och inducerar ström i jordytan. 10 15 20 25 30 35 LH h.) ~a J; CD Ch De inducerade strömmarna kallas sålunda geomagnetiskt inducerade strömmar vilka re- sulterar i en tidsvarierande jordytepotential. Utdragna ledande föremål anslutna till jord på flera ställen tenderar att shunta den geomagnetiskt inducerade strömmen. Föremå- len, såsom kraftöverföringssystem kommer dessutom den fundamentala frekvens- strömmen att bära mycket lågfrekvent ström. Perioden hos den geomagnetiskt induce- rade strömmen är vanligen i storleksordningen minuter och är väsentligen en likström i jämförelse med den fundamentala frekvensen (vanligen 50 eller 60 Hertz).

Strömmen I krafttransmissionssystem inträder I och lämnar systemet via jordade neu- tralpunkter, såsom en transformators neutralpunkt. Storleksordningen hos strömmarna som inträder l och lämnar kraftöverföringssystemet via krafttransformatorer kan vara så höga som 300 ampere. Varje lindning bär då c:a 1/3 av neutralpunktsströmmen och denna DC komponent är mycket stor i förhållande till den kontinuerliga fundamentala frekvensmagnetiseringsströmmen i transformatorn. Kärnbenens magnetiska material in- träder i halv-cykel mättnad. Magnetiseringsströmmen hos transformatorn blir mycket stor i jämförelse med normala magnetiseringsströmmen. Halv-cykel mättade transfor- matorn drar en allvarligt distorderad ström från kraftsystemet och distorderar vågfor- men hos spänningen i tillhörande samlingsskena. Den allmänna spänningsdepressionen, den distorderade strömmen och spänningsvågformerna och övertonsströmmarna kan förorsaka felaktig styrning av skyddssystemen.

SAMMANFAWNING AV FÖRELIGGANDE UPPFINNING Föreliggande uppfinning avser en DC-avledare, som shuntar likströmmen från de känsli- ga krafttransformatorerna till en alternative väg eller alternative vägar. DC-avledaren är utformad att motstå likströmmen som förorsakas av de geomagnetiska stormarna och de växelströmmar som är förbundna med jordfel nära anslutningen där DC-avledaren är ansluten. I en substitution med flera krafttransformatorer kan en DC-avledare eliminera behovet av att installera flera neutralpunktsanordningar och undvika Installation av flera transformatorer som är utformade att motstå likström.

I synnerhet avser uppfinningen ett förfarande för skydd av krafttransformatorer och andra kraftsystemkomponenter vilka är sårbara för geomagnetiskt inducerade ström- mar, vilket omfattar att man matar från en luftledning/ar eller kabel ledare en eller flera DC-avledare bestående av primäravledarlindningar och kompensatlonslindningar appli- cerade på respektive magnetiska kärnben, vilka avledare är anslutna till kritiska anslut- ningar, och man avleder "quasi" likström som flödar i luftledningarna eller kabelledarna 10 15 20 25 30 35 LH N) -a .in CD lfl\ som ett resultat av jordytepotentialgradienter förorsakade av geomagnetiskt inducerade strömmar.

I en föredragen utföringsform är avledaren ansluten till kraftledningar eller krafttrans- formator/er försedda med en eller flera neutralpunktsresistorer för att medge mindre DC motstånd hos DC-avledaren.

I en ytterligare föredragen utföringsform är en eller flera avledarreaktorer försedda med neutralpunktsresistorer för att medge mindre DC resistans hos DC-avledaren.

En annan aspekt av uppfinningen avser en DC-avledare för att genomföra metoden en- ligt ovan, vilken består av en magnetisk kärnstruktur med tre fasben, varvid varje ben är försett med en primär avledarlindning och vardera är försett med en avledarkompen- sationslindning och som har filter anslutet till neutralpunkten hos trefas avledaren för att minska övertonerna, för att eliminera flödet av dessa genom kompensationslindning- en och varvid avledaren har en impedans mindre än den hos en komponent som avledes från.

I en föredragen utföringsform därav, är en kärnfri (luftkärna) reaktor ansluten mellan en terminal i kompensationslindningen och jordningssystemet.

I en ytterligare föredragen utföringsform är den försedd med ett filter och med neutral- punktsreaktor.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen kommer att närmare beskrivas i det följande med hänvisning till hithöran- de ritning vari Fig. 1 visar ett flödesschema över geomagnetiskt inducerad ström och effekten av denna på skyddssystem Fig. 2 visar ett kraftledningssystem innehållande en likströmsavledning enligt förelig- gande uppfinning.

Figur 2 visar en 3-fas kraftledning, med fasledningarna A, B respektive C, som har vid sin ände en trefas transformator som minskar spänningen från 400 kV till 50 kV. Emel- lertid, varje primärspänning kan användas såsom 765, S00, 400, 345, eller 220 kV, me- dan sekundärspänningen kan vara 110, 70, 50, 40, 30, 20, 10 eller 6 kv. 10 15 20 25 30 35 Ln m ~a J: c: UN Transformatorn kan ha varje fysisk form inom området, såsom en trebent, fyrbent, eller en fembent, en tempelformad, en modifierat tempelformad, eller helt enkelt vara tre en- fas transformatorer anslutna på lämpligt sätt. Figur 2 är en schematisk bild som visar tre primärlindningar 1, 2 och 3 samt tre sekundärlindnlngar 4, 5 och 6. Mellan jord- ningspunkten och jord föreligger ett motstånd 7, lämpligen mindre än 10 ohm, för att åstadkomma en impedans större än den för en DC-avledare allmänt angiven som 8.

DC-avledaren omfattar, I den visade utföringsformen, en basal transformator magnet- kärnestruktur som har tre fasben 221, 22 respektive 23, men inga sekundärlindnlngar.

Sålunda är varje fasben anslutet till primärlindningarna A, B respektive C och varje pri- märlindning leder till en primärlindningsavledarllndnlng 11, 12 respektive 13 i avledaren 8. Ändarna hos primärlindningarna är anslutna till ett gemensamt övertonsfllter 17, som i sin tur är anslutet till jord. Vidare, på varje fasben föreligger en kompensationslindning 14, 15, respektive 16. Antalet varv i kompensationslindningarna är en tredjedel av anta- let varv i primära avledarlindningarna 11, 12 och 13. Förutom att vara anslutna till övertonsfiltret 17 är kompensationslindningarna som bildar en kontinuerlig ledning mel- lan benen, anslutna till jord via en neutralpunktsreaktor 18.

Figur 2 visar en utföringsform av DC-avledaren. Den är ansluten till de tre faserna hos trefaskraftsystemet som skall skyddas mot geomagnetiskt inducerade strömmar. DC- avledaren har tre fas-terminaler (A, B och C) och tre huvudlindningar (11, 12 och 13).

Varje huvudlindning är lindad kring ett ben av magnetisk kärna, vilka också bär en kompensationslindning (14, 15 eller 16). Kärnan har tre huvudben och kan eller kan inte ha två ytterligare ben. De två yttre benen gör det möjligt att minska höjden hos ankaret och sålunda hela kärnan. Antalet varv i huvudlindningen är tre gånger antalet varv i en kompensationslindning.

Antag att en likström I DC flyter i vardera av huvudlindningarna från fas-terminalerna till interna neutralpunkten n. Antag, för ett ögonblick, att strömmen från filterkretsen till jord är lika med noll. Då är strömmen i de tre kompensationslindningarna lika med 31 DC och resulterande MMF som verkar på varje ben i kärnan är nära noll. Detta bety- der att det enkelriktade flödet I varje ben är litet.

Vidare, antag att DC-avledaren är ansluten till ett kraftsystem, att samtliga tre fas-till- jord-spänningar har samma storlek, och att skillnaden I fasvinkel hos fas-till-jord spän- ningarna är lika med 180 grader. Antag, för ett ögonblick, att kärnans induktanser är 10 15 20 25 30 35 [_11 h.) -a .Fn :D Q\ oberoende av strömmens storlek i lindningarna. Då har trefasströmmarna nästan sam- ma storlek och skillnaderna i fasvinkel hos fas-strömmarna är lika med 180 grader.

Storleken hos fas strömmarna beror på kärnans utformning och kan ökas genom att in- föra luftspalter i huvudbenen. I detta fall är summan av de tre fas-strömmarna nära noll.

Magnetiseringskurvan hos det ferromagnetiska materialet i kärnan är icke-linjär. Det är önskvärt att använda materialet så effektivt som möjligt, vilket betyder att toppflödet är ganska nära mättnadsflödet hos kärnmaterialet. Sedan kommer varje fasström att inne- hålla udda övertoner på grund av den icke-linjära karaktäristiken hos det magnetiska materialet. Fasströmmarna kommer inte att innehålla några jämna övertoner eftersom den applicerade spänningen är halwågssymmetrisk och vi kan antaga att det magnetis- ka materialet hos kärna är symmetriskt. Summan av de tre fas-strömmarna skulle så- lunda inte vara lika med noll om den inre neutralpunkten (n) hade anslutits till jord.

Restströmmen skulle innehålla övertoner med frekvenser som är lika med tre gånger frekvensen hos grundfrekvensen. De andra udda övertonerna har ett fasskifte vid 120 grader och deras summa är nära noll. Detta betyder att restströmmen kommer att inne- hålla tripletter av grundfrekvensströmmen och mycket liten komponent av övriga över- toner. Filtret (7) kan användas att eliminera trippel övertonerna från restströmmen så att endast kvaslriktade ström flödar genom kompensationslindningarna.

Antag att storleken hos trefas-till-jord spänningar är lika och att de har samma fasvin- kel. Vi säger att källspänningen är en ren noll-sekvens spänning. Detta betyder att grundfrekvensen MMF på varje ben är nära noll. Detta betyder att noll-sekvens impe- dansen hos DC avledaren korrekt är liten. Införandet av en sådan DC avledare kan re- ducera noll-sekvens impedansen hos nätverket alltför mycket. Noll-sekvens strömmen kan bli större än trefas kortslutningsströmmen vilket kan resultera i krav på att förstär- ka felmotstånds förmågan hos kraftsystemet. Noll-sekvens strömmen kan lätt reduceras under trefas kortslutningsströmmen om en reaktor anslutes mellan yttre neutralpunkt (N) och substation jordningssystem. Denna neutralpunktsreaktor bör företrädesvis vara av kärnfri typ (luftkärna) för att undvika mättnad på grund av likström avledd från kraftsystemet.

Teoretiskt är noll-sekvens reaktansen hos korrekt DC avledare lika med noll och noll- sekvens resistansen är lika med medelvärdet för resistansen hos faslindningarna (11. 12, och 13) plus tre gånger summan av resistansen hos de tre kompensationslind- ningarna (14, 15 och 16). Noll-sekvens reaktansen hos DC avledaren inklusive neutral- (n: ha *Qi .|>.

CD Ch punktsreaktorn är då väsentligen lika med tre gånger reaktansen hos neutralpunktsre- aktorn. Noll-sekvens resistansen hos DC avledaren inklusive korrekt DC avledare plus tre gånger resistansen hos neutralpunktsreaktorn. Det är sålunda möjligt att utforma neutralpunktsreaktorn så att den begränsar felströmmen vid jordfel nära DC avledaren 5 så att jordfelsströmmen blir mindre än felströmmen vid ett låst trefasfel.

U'1 BJ -a Ja.

'CD |a\ REFERENSER [ 1 ] Agpnes, J.D.; Merritt, BP. & Sgell, B.D.: "Geomagnetlc Disturbances And Their Effect On Electric Power Systems", IEEE Power Engineering Review, vol. 9, no. 7, pp. 10-13, July 1989. [ 2 ] Bgtelgr, D.H.: “Geomagnetically induced currents: Present knowledge and future research", IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9, no. 1, pp. 50-58, January 1994. [ 3 ] Piggla, R.: "Geomagnetlcally Induced Currents During Magnetic Storms", IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no. 6, pp. 1867-1873, De- cember 2000.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 en ro -a J; 10 PATENTKRAV . Förfarande för skydd av krafttransformatorer och andra kraftsystem komponen- ter, vilka är utsatta för geomagnetiskt inducerade strömmar, vilket omfattar att man matar från en luftledning/ar eller kabel ledare en eller flera DC-avledare be- stående av prlmäravledarlindningar (11, 12, 13) och kompensationslindningar (14, 15, 16) applicerade på respective magnetiska kärnben, vilka avledare är an- slutna tili kritiska anslutningar, och man avleder "quasi" likström som flödar i luftledningarna eller kabelledarna som ett resultat av jordytepotentialgradienter förorsakade av geomagnetiskt inducerade strömmar. . Förfarande enligt krav 1, vari avledaren är ansluten till kraftledningar eller kraft- transformator/er försedda med en eller flera neutralpunktsresistorer (7) för att medge mindre DC motstånd hos DC-avledaren. . Förfarande enligt krav 1-2, vari en eller flera avledarreaktorer är försedda med neutralpunktsresistorer för att medge mindre DC resistans hos DC-avledaren. . DC-avledare för att genomföra metoden enligt krav 1-3, vilken består av en magnetisk kärnstruktur med tre fasben, varvid varje ben är försett med en pri- mär avledarlindning ( 11, 12, 13) och vardera är försett med en avledarkompen- sationslindning (14, 15, 16) och som har filter (17) anslutet till neutralpunkten hos tre-fas avledaren för att minska övertonerna, för att eliminera flödet av des- sa genom kompensationslindningen och varvid avledaren (8) har en impedans mindre än den hos en komponent som avledes från. . DC avledare enligt krav 4, vari en kärnfri (Iuftkärna) reaktor (18) är ansluten mellan en terminal i kompensationslindningen och jordningssystemet. . DC avledare enligt krav 4-5, vari den försedd är med ett filter (17) och med en neutralpunktsreaktor (18).