SE455977B - Sett och anordning for skyddande av en turbingenerator mot subsynkrona resonanssvengningar - Google Patents

Description

25 30 35 455 977 2 Detta problem har varit föremål för olika lösningar, där man genom inkoppling av resistanser sökt dämpa resonanssväng- ningarna.

Vid ett dylikt dämpande system enligt svenska utläggnings- skriften 8000104-3 (446.289) inkopplas i serie med varje fas i en turbogrupps blocktransformator och/eller generator ett ohmskt motstånd, parallellkopplat med en till systemfrekvensen avstämd serieresonanskrets. Dessa dämpkretsar för subsynkrona svängningar kan antingen vara ständigt inkopplade eller in- kopplas under styrning av en störningsdetektor.

Vid ett annat system enligt US-A-4 434 376 eller 4 355 241 in- kopplas ett dämpmotstånd i nätkretsen när en detektor avkänner ett tidsavstànd mellan nollgenomgângar. vilket överstiger det för nätfrekvensen normala. synkronresonans. indikerande närvaron av en sub- De sålunda kända systemen är ofta mycket dyrbara. framför allt när detektorer och kopplingsorgan erfordras för funktionen.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en bättre, enklare och därför billigare lösning av problemet med subsynkrona svängningar i kraftöverföringsnät och deras växel- verkan med turbingeneratorer som på grund av sin principiella konstruktion är känsliga för dylika störningar.

Utgångspunkten för uppfinningen är inseendet. att det finns andra möjligheter för att komma till rätta med problemet än att utnyttja dänpande resistanser i det elektriska av de båda svängningssystemen. Uppfinningen går i stället ut pâ att minska den inbördes kopplingen mellan de mekaniska svängnings- systemen i turbindelen och utanförliggande elektriska sväng- ningssystem. I En dylik ändring av kopplingsförhâllandena uppnås enligt upp- finningen därigenom att de olika faserna i det elektriska transmissionssystemet göres inbördes olika för subsynkron- 10 15 20 25 30 35 455 977 3 frekvenser genom olikstora modifieringar av fasernas resonans- frekvenser, samtidigt som fasledningarnas reaktanser vid systemfrekvensen förblir omodifierade och väsentligen likstora.

Ett möjligt sätt att utföra detta är att i en transmissions- ledning i serie insätta en induktans L, seriekopplad med en kapacitans C, där de båda uppfyller villkoret 1/LC = nå. där oo är kraftfrekvensen (system- frekvensen). Minst en eller helst tvâ av ledningens fasledare förses med olika par uppfyllande detta villkor. vilket medför inbördes olikhet mellan faserna, när det gäller resonanssväng- ningar vid subsynkrona frekvenser. En annan utföringsform kan vara att i stället för en serie-LC-krets i serie i vardera av tvâ faser tillföra var sin parallell-LC-krets och i serie där- med eventuellt ett motstand, parallellt med huvudkondensatorn eller en del därav. varvid parallell-LC-kretsen är avstämd till nätfrekvensen (systemfrekvensen), medan hela kretsens reaktans (inklusive huvudkondensatorn eller resp. del därav) är avstämd till en annan frekvens. Genom att dessa andra frekvenser vâljes olika för de tvâ modifierade faserna uppnås en osymmetri vid låga frekvenser med bibehållande av symmetri vid nätfrekvensen.

Kopplingen mellan turbinens mekaniska svängningskretsar och de elektriska svängningskretsarna i ledningssystemet som är kopp- lat till turbinens generator blir da kraftigt förminskad. i det att koherensen mellan frekvenserna i fasledningarna blir kraftigt störd.

Pâ grund av att koherensen för de tre fasernas vid störningar uppträdande subsynkronfrekventa svängningar brytes kommer då varje sådan frekvens att ge upphov till (uppträda som) en 'enfasig' ström och visserligen föreligga i den till nätet kopplade generatorn, men de kommer inte att kunna samverka och ge upphov till något nettovridmoment av betydelse. Vardera av de tre frekvenserna kommer visserligen att ge upphov till överlagrade strömmar i generatorn. men dessa kan i visar- diagrammets form var för sig ses som två motroterande. lik- stora visare. De tre överlagrade strömmarna kommer att endast 10 15 20 25 30 _35 455 977 4 vid övergående koincidenser utöva nämnvärt. blott momentant vridmoment. Därmed kan man också undvika situationen med s k negativ dämpning (self-excitation) pa grund av den s k induk- tion generator effect. Därmed erhålles en synnerligen kraftig reduktion av pâkänningarna på en till generatorn kopplad tur- binaxel. Aven överföring av energi från det mekaniska resona- torsystemet till de elektriska vid subsynkrona frekvenser kom- mer att försvåras. Vidare kan noteras att avkopplingen enligt uppfinningen är ägnad att eliminera de kända stabilitets- problem som kan uppstå. när mer än en turbogenerator är kopp- lade till ett nät, i vilket fall inbördes pendlingar och s.k. negativ dämpning kan medföra skadliga mekaniska subsynkrona svängningar.

Ehuru den föreslagna modifieringen av fasledningar enligt upp- finningen är lättast att förklara sedd som en serieinkoppling av en kondensator och en induktans. kan serieinkoppling av en kondensator till en annan kondensator ekvivalent utföras genom att man minskar värdet på den redan befintliga seriekondensa- torn. Då anläggningar med seriekondensatorer normalt består av en mängd inbördes parallellkopplade kondensatorer. är det enkelt att minska kapacitansvärdet genom att eliminera somliga av dem.

Det är också möjligt att tillämpa uppfinningen på annat sätt än genom att rent fysiskt tillfoga särskilda induktanser. Vid linjebyggnad brukar man normalt söka uppnå balans mellan de tre faserna ur reaktanssynpunkt genom s.k. transponering mel- lan ledarna. varefter induktanser insättes för att få en ytterligare symmetri. Enligt en aspekt av uppfinningen kan man i stället medvetet utnyttja en olikstor induktans erhâllen genom ledningsdragningen, använda inbördes olika ledare etc. samt genomföra en motsvarande kompensering av olikheterna 1 induktans genom korrigering av de olika kondensatorbatterier- nas storlek, så att för systemfrekvensen erhålles en kompen- sering av de olikstora induktiva bidragen. Givetvis kan detta utnyttjande av fasledningarnas olikstora induktanser kom- bineras med ett tillfogande av induktansanordningar. Den vä- 10 15 20 25 30 35 455 977 s sentliga verkan enligt uppfinningen uppnås i båda fallen.

Likaså kan detta sätt att åstadkomma den uppfinningsmässiga asymmetrin utnyttjas även vid nät som saknar egentliga serie- kondensatorer.

Uppfinningens fördelar och särdrag uppnås genom ett sätt som företer de i patentkrav l angivna särdragen, varvid förmånliga utföringsformer av sättet framgår av underkrav. Enligt en aspekt av uppfinningen kan den tillämpas medelst en anordning som företer de i patentkrav 7 angivna särdragen.

Uppfinningen skall nu beskrivas utifrån ett utföringsexempel och i anslutning till ritningarna, vari fig. 1 visar ett förenklat kopplingsschema för en schematiskt visad turbin- generator. Pig. 2 visar-ett diagram. Pig. 3 visar ett kopp- lingsschema för en utföringsform av uppfinningen. Fig. 4 visar ett kopplingsschema för en annan utföringsform.

I fig. 1 visas schematiskt en turbingenerator med en generator l med transformator 6, kopplad till en turbin med en låg- trycksdel 2 och en högtrycksdel 3. sammankopplade med axlar 4 och 5. De roterande massorna i generatorn l och i turbinerna 2 och 3 är mekaniskt kopplade via axlar som kan fungera som torsionsaxlar. innebärande att det är oundvikligt att egen- svängningsfrekvenser förekommer, vilka kan hamna vid relativt låga frekvenser.

Vid tidigare förekommande kraftledningar har man i varje fas- ledning en seriekondensator C. Som visas i exempelvis svenska utläggningsskriften 8000104-3, föreligger i ett dylikt system en av störningar lätt aktiverad resonansfrekvens we, i en- lighet med uttrycket där oo = systemfrekvensen (t.ex. 50 Hz eller 60 Hz) 455 977 där C är värdet på de likstora seriekapacitanserna generatcrns reaktans transíormatorns kortslutningsreaktans ledningens reaktans ><><>< few-aa» uu XG + XT + XE En dylik frekvens de kan 1 samverkan med nâtfrekvensen sammanfalla eller nära sammanfalla med en av turbinens egen- frekvenser m : m (Jm=0°-Ue varvid elektrisk svängningsenergi kan kopplas över via genera- torn till det mekaniska torsionssvängningssystemet och därvid medföra destruktiva torsionsmoment på turbinaxeln.

Enligt exemplet kompletteras emellertid tvâ av de med serie- kondensatorer försedda fasledningarna med var sin serieinduk- tans Ll. resp. Lz och var sin seriekondensator Cl resp.

C2. Dessa uppfyller bivillkoren _ 1 w<>L1 ' w°c1 - _ 1 woL2 ußC2 I dessa båda ledningar förändras då resonansfrekvensen frân me till resp. del och meg. ändringarna kan uttryckas: FL: V; 455 977 7 Pig. 2 visar kurvor för lika me/oo med men/we som funktion av C/Cu. (n = l eller 2) Ett exempel visar hur resultatet av en beräkning kan utfalla. 5 o Exemgel Antag att we/wo = 0,4 (en egenskap hos nätet). Vi önskar göra en frekvensändring för tvâ faser, 10 ¿Je1 :Je -1,1 wez = 1,2 "Je 15 dvs. en frekvensändríng med resp. 10 2 och 20 1. Ur ovan- stående uttryck eller ur diagrammet erhåller vi då för resp. 20 fall C/Cl = 0.25 och C/C2 = 0,6.

Dvs = Å C ' : = 1 \ _ 25 LJOL1 : woc1 , CA- L1 - 0r25X C resp C =1 67 C7 1 = 1 = 016 X ° 2 ' wOC1 nsvwoc <1 30 1 w L = -o 6 X 3 = C üoLZ UOCZ ' 2 ' Emellertid kan två seriekopplade kondensatorer lika gärna ut- 35 bytas mot en enda ekvivalent kondensator, och de ekvivalenta kondensatorernas storlekar Ceql och Ceqz erhålles sol 10 15 20 25 30 35 455 977 . 8 CC1 ÅCC Cem "MC CC _ 2 :1 67c~r~ _ _ ceqz (M1 zímc o 63 t Han ser alltså att uppfinningen lämpligast kan tillämpas genom att man minskar kondensatorbatterierna för två av faserna samt tillför var sin serieinduktans. Tillförandet av en seriekon- densator uppnås alltså ekvivalent med att man minskar den ek- vivalenta seriekapacitansen.

Frekvensändringens storlek måste givetvis lämpas allt efter fallet. Exempelvis har de 'mekaniska oscillatorerna' i ång- och gasturbiner torsionselement vilka har små förluster.

I många fall blir därför Q-värdet för oscillatorerna högt.

Däremot är förlusterna för subfrekvenssvängningarna i led- ningarna så höga, att betydande dämpning uppstår. Alla dessa frekvensberoende fenomen är i och för sig tillgängliga för datorsimulering, när man närmare känner ett bestämd elnäts olika data, och uppfinningens verkan kan därmed av fackmannen utan vidare optimeras genom lämpliga val av värden fallande inom de tvângsvillkor som uppfinningen anvisar. Det är nöd- vändigt att korrektionerna i vart fall överstiger den stor- leksordning som för asymmetrierna som naturligen förekommer på grund av sedvanliga toleranser (lQ2 8). Lämpligen bör exempel- vis skillnaden i seriekapacitans uppgå till åtminstone 10 t för en medelgod verkan, ehuru det givetvis beror av hur nära det totala systemet befinner sig en resonanssituation. - Vid den nu exemplifierade tillämpningen har förutsätts att en turbingenerator är kopplad till en ledning, vars längd är sådan att seriekompenserande kondensatorbatterier behövs för att öka ledningens effektöverföringsförmåga. Emellertid är det 10 15 20 25 30 35 455 977 9 möjligt att turbingeneratorn skall utnyttjas för att i första hand mata ett lokalt konsumtionsnät. som också är samman- kopplat med ett större nät. Det kan då vara förhållandet. att den trefasledníng som förbinder turbingeneratorn med det stora nätet saknar seriekompensering. samtidigt som det stora nätet på ett eller flera ställen har reaktiveffektkompenserande kon- densatorbatterier, vilkas lagrade energi kan frigöras och alstra subsynkrona svängningar med för turbingeneratorn farlig amplitud. Uppfinningen kan då tillämpas genom att anslutningen mellan det lokala nät, vari turbingeneratorn ingår och det större nätet, förses med seriekopplade kondensatorer och in- duktanser i minst en och helst två fasledningar, så att den uppfinningsmässiga avkopplingen erhålles. Det kan alltså i många fall vara tillräckligt att skapa den önskade asymmetrin genom en ändring i endast en av fasledningarna och låta de två övriga kvarstå som fullt symmetriska.

Ett annat sätt att uppnå den önskade osymmetrin för subsynkro- na frekvenser framgår av fig. 4. I två av faserna har anslu- tits parallell-LC-kretsar LflCfl resp. Lf3Cf3 i serie med var sitt motstånd R, som kan vara av storleksordningen 1 - 5-fi. men också kan uteslutas. Dessa tillsatskretsar upp- fyller villkoret Lf1Cf1=Lf3Cf3 = 1/nå. varför de ej påverkar faserna vid systemfrekvensen. Däremot är reso- nansfrekvensen för hela de resp. kretsarna inklusive seriekon- densatorerna C avstämd till företrädesvis var sin frekvens inom subsynkronområdet. - Det kan noteras att uppnåendet av den uppfinningsmässiga asymmetrin kan uppnås på i princip många olika sätt, vilka ur uppfinningens synpunkt måste be- traktas som ekvivalenta. Vilken lösning som bör väljas beror givetvis av förhållandena i det enskilda fallet, huruvida det exempelvis rör sig om nybyggnad eller om modifiering av existerande linjer, etc.- _ Genom att minska kopplingen mellan de elektriska och mekaniska svängningssystemen kan man alltså uppnå att den möjliga över- föringen av svängningsenergi hålles på en låg nivå, genom att en dämpad, som störning uppträdande subsynkronsvängning aldrig hinner överföra tillräcklig svängningsenergi till det meka- c 10 15 455 977 _ 1o niska systemet. Teorin för kopplade svängningar visar ju att man vid låg systemdämpning kommer att få en fullständig energiväxling fram och tillbaka mellan systemen. och detta även när kopplingen är svag, i vilket fall energivâxlingen i stället tar lang tid. Den försvagade kopplingen nedför också att risken för självuppehallande svängningar via i generatorn vid en subsynkronfrekvens alstrad svängningsenergi minskar.

Genom uppfinningen kommer sålunda de av växelverkan mellan turbin och elnät föranledda mekaniska påkänningarna att mins- ka. Detta gäller inte bara genom att man eliminerar enstaka katastrofhändelser, utan också att en källa till svängningar oskadliggöres, vilken medför sådana pâkänningar som i längden leder till utmattningsfenomen. Den sannolika lângtidshâllbar- heten skulle därmed komma att öka i en mot den andel av ut- mattningspåkänningarna svarande del. som det elektriska, till turbinen kopplade systemet medverkar till. 1.» (J

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 455 977 11 Patentkrav

1. l. Sätt för skyddande av en turbingenerator, som är ansluten , till ett trefasigt kraftledningsnät, k ä n n e t e c k n a t av att i minst en och helst två av fasledningarna en asymmetri av deras impedanser âstadkommes, innebärande ett anordnande av en induktans och en mot denna svarande kapacitans, sådan att för vederbörande fasledning och för kraftledningens system- frekvens induktansens induktiva bidrag kompenseras av ka- pacitansens kapacitiva bidrag, så att alla fasledningarna sym- metriskt uppvisar väsentligen samma impedansvârde för system- frekvensen men minst en av fasledningarna för andra frekvenser uppvisar annorlunda impedans.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att två fasledningar modifieras på olika sätt. f

3. Sätt enligt krav 1 eller 2, vid ett nät, vari ingår 1 fas- ledningarna i serie lnkopplade kondensatorer, t e c k n a t genom inkoppling i serie av en kondensator med kapacitansen k ä n n e - av att en ändring av seriekapacitansen utföres Cu. varvid serieinduktansen har värdet Ln och uppfyller villkoret där oo är kraftledningens systemfrekvens.

4. Sätt enligt krav l eller 2, ledningen i serie lnkopplade kondensatorer, t e c k n a t faserna har induktansvärdet Ln och ett balanserande serie- vid ett nät. vari ingår 1 fas- k ä n n e -- av att serieinduktansen i en av de modifierade kondensatorvärde Cn bestämmas av uttrycket 10 15 20 25 30 35 455 977 12 där oo är kraftlednlngens systemfrekvens, samt fasled- ningens seríekondensators värde ändras från C till

5. Sätt enligt krav 1 eller 2, varl ingår 1 faslednlngarna 1 serle ínkopplade kondensatorer. k ä n n e t e c k n a t av att l mlnst en fas lnkopplas en parallell krets av kapacltans och lnduktans Cf, Lfzöver hela huvudkondensatorn eller del därav, så att Cf=l/oo Lf. där mo är system- frekvensen.

6. Sätt enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att tvâ faser förses med var sin parallell resonanskrets Cf1,Lf1; Cfa. Lf3 med värden så valda, att dessa faser uppvisar in- bördes ollka lmpedansvärden vld frekvenser som väsentllgen av viker från systemfrekvensen.

7. Anordning för skyddande av en turblngenerator. som är an- sluten tlll ett trefaslgt kraftlednlngsnät, varl lngår l nä- tets faslednlngar 1 serie lnkopplade kondensatorer, k ä n - n e t e c k n a d av att en uppsättning av tre 1 var sln fas- ledning lnkopplade kondensatorer är ollkstora, samt tvâ av faslednlngarna uppvisar serlelnduktanser så dlmenslonerade, att för samtllga faslednlngar den av resp. serlekondensator och eventuell serlelnduktans blldade lmpedansen vld kraftled- nlngsnätets systemfrekvens uppvisar väsentligen samma värde.

8. Anordning för skyddande av en turblngenerator, som är ansluten till ett trefasigt kraftlednlngsnät, varl lngâr 1 nätets faslednlngar 1 serle lnkopplade kondensatorer. k ä n n e t e c k n a d av att en parallellkrets med en kondensator och en lnduktans, vllka tillsammans uppfyller vlllkoret l/LC = mä/ är lnkopplad parallellt med en av de 1 serle inkopplade kondensatorerna eller en del därav. 'I