|
Tilslutningssag
1. Indledning
En virksomhed skal have tilsluttet 7 hastighedsregulerede
kølekompressorer på hver 710 kW.
Hastighedsreguleringen sker med frekvensomformere, som genererer
strømovertoner.
Indlægget behandler de tekniske overvejelser, der er gjort i forbindelse
med behandlingen af tilslutningen.
Indledningsvis redegøres for de begreber, der anvendes i indlægget, og
noget grundlæggende teori.
2. Generelt om overtoner
Frekvensomformere består af en ensretter og en
vekselretter. Ensretteren omformer nettets AC-spændingen til en
DC-spænding, som vekselretteren derefter omformer til en AC-spænding med
den ønskede størrelse og frekvens.
Da det primært er ensretteren, som genererer overtonestrømme til nettet,
betragtes vekselretteren og kølekompressoren i det følgende blot som en
belastningsmodstand tilsluttet ensretteren. Indledningsvis betragtes den
1-fasede ensretter på figur 2.1.
Figur 2.1. 1-faset diodeensretter
For at en diode bliver ledende, skal spændingen over den
være positiv. Der løber derfor kun strømme i netledningerne til en
diodeensretter, når netspændingen er højere end spændingen over
kondensatoren.
Denne betingelse er opfyldt, når netspændingen ligger i nærheden af sin
maksimalværdi.
Det resulterer i impulsagtige strømme, som vist på figur 2.2.
Strømimpulserne indeholder en 50 Hz strøm (grundtonestrøm) og nogle
overtonestrømme med
Figur 2.2. Strømmen
i tilledningerne til en 1-faset diodeensretter
forskellige frekvenser. På figur 2.3 er vist
grundtonestrømmen og to af de største overtonestrømme. Summen af disse
strømme bliver til en strømimpuls.
Bredden af strømimpulsen afhænger af forholdet mellem kondensatorens og
»belastningsmodstandens« størrelse. Hvis der er indskudt en
reaktansspole foran kondensatoren, vil dette gøre impulsen bredere.
Overtonerne i strømmen til en diodeensretter har alle en frekvens, som er
et helt tal gange 50 Hz. Overtonerne siges derfor at være harmoniske af
50 Hz. Strømmene på figur 2.3 er den 1., 3. og 5. harmoniske, og de har
frekvenserne 1·50=50 Hz, 3·50=150 Hz og 5·50=250 Hz. Det tal der ganges
med (1, 3 henholdsvis 5) kaldes ordenstallet.
I strømmen til en diodeensretter findes ikke kun overtoner med
ordenstallene 1, 3 og 5 men også overtoner med ordenstallene 7, 9, 11,
13, 15 17, 19……. osv., dvs. alle ulige ordenstaltal.
Med tre 1-fasede diodeensrettere tilsluttet hver sin fase, vil den 1. og
3. strømharmoniske i de tre faser variere, som vist på figur 2.4. Det er
forudsat at ensretterne er symmetrisk belastede, og at der er sammenfald
mellem nulgennemgange.
Figur 2.3 Opløsning af strømmen
i en grundtonestrøm og overtonestrømme.
Figur 2.4. De 1. og 3. harmoniske strømme ved
tilslutning af symmetrisk belastede 1-fasede ensrettere til hver sin fase.
De 3. harmoniske strømme har til et hvert tidspunkt samme fasevinkel og
dermed retning i de tre faser. Der kan derfor kun løbe 3. harmoniske
strømme, hvis strømmene har en nulleder som returvej. Den 3. harmoniske
strøm i nullederen vil være summen af de 3. harmoniske strømme i
faselederne. Det samme er tilfældet for den 9., 15. og 21. harmoniske.
Strømmene benævnes nulstrømme.
Med tre 1-fasede diodeensrettere tilsluttet hver sin fase, vil den 1. og
5. strømharmoniske i de tre faser variere som vist på figur 2.5. Det er
også her forudsat, at ensretterne er symmetrisk belastet, og at der er
sammenfald mellem nulgennemgange.
Figur 2.5. De 1. og 5. harmoniske strømme ved tilslutning af
symmetrisk belastede 1-fasede ensrettere til hver sin fase.
De 5. harmoniske strømme er faseforskudt 120° indbyrdes,
og summen af de 5. harmoniske strømme er derfor til ethvert tidspunkt
nul. Fasefølgen er modsat fasefølgen for den 1. harmoniske, dvs. at
rækkefølgen af strømmaksima er R-T-S. Det samme er tilfældet for den
11., 17. og 23. harmoniske. Disse strømme benævnes inversstrømme. Denne
forskel i fasefølgen tages der hensyn til i afsnit 8.5.
Den 7., 13., 19. og 25. strømharmoniske har samme fasefølge som den 1.
harmoniske og benævnes derfor synkronstrømme.
Ensretterne i frekvensomformerne hos virksomheden er en 3-faset udgave af
forannævnte 1-fasede ensrettere se figur 2.6. Da der ikke indgår en
nulleder, vil der kun forekomme 5., 7., 11., 13., 17. og 19. harmoniske,
når der ses bort fra harmoniske med højere ordenstal. Strømmen i en af
tilledningerne er vist på figur 2.7.
Figur 2.6. 3-faset diodeensretter
Figur 2.7. Strømmen i en af tilledningerne til en
3-faset diodeensretter
3. Transformernes termiske belastning
Kølekompressorerne tilsluttes hver sin transformer.
Leverandøren har oplyst, at transformerne belastes med en grundtonestrøm
og overtonestrømme i henhold til tabel 3.1. Grundtonestrømmen svarer til
en effekt på 727 kVA
Tabel 3.1. Strømme i tilledningerne til en
frekvensomformer
Strømharmoniske medfører et spændingsfald i det
foranliggende net, og dermed at spændingens kurveform afviger mere eller
mindre fra en sinuskurve. Spændingsforvrængningen påvirker størrelsen
af de overtonestrømme, som en frekvensomformer genererer, og
overtonestrømmene vokser med nettets kortslutningseffekt. Leverandøren
af frekvensomformerne bør derfor oplyse størrelsen af de
overtonestrømme, som vil optræde ved den aktuelle kortslutningsresistans
og -reaktans i tilslutningspunktet.
Strømmens effektivværdi bestemmes ved hjælp af følgende formel:
Ved indsætning findes, at strømmens effektivværdi er
632 A, hvilket er ca. 4% højere end grundtonestrømmen.
Normalt ville man vælge en transformer med en mærkestrøm, der ligger
nærmest over den beregnede effektive strøm. Det vil i dette tilfælde
være en 800 kVA transformer, idet den har en mærkestrøm på 669
A.
Der må imidlertid tages hensyn til, at hvirvelstrømstabene i en
transformer vokser med frekvensen. Hvirvelstrømstabene forekommer både i
viklingerne og uden for viklingerne, f.eks. i kernen og tanken.
Hvirvelstrømstabene i viklingen vokser med kvadratet på frekvensen,
hvorimod de øvrige hvirvelstrømstab tilnærmelsesvis vokser med
frekvensen i 0,8. potens.
Den strøm, som en transformer kan belastes med, vil afhænge af
overtonespektret og af transformerkonstruktionen. I den konkrete
tilslutningssag har transformerleverandøren oplyst, at en 800 kVA
transformer kan belastes med 700 kVA.
Det er en nednormering på 12,5%. Oplysningen er baseret på det
procentvise indhold af harmoniske i strømmen, men der hersker tvivl om,
hvorvidt den danske forhandler har oplyst grundtonestrømmen til
leverandøren.
Leverandøren har ved en senere forespørgsel oplyst, at transformerne
ikke vil blive overbelastede. Da strømmens effektivværdi er 1,04 gange
grundtonestrømmen og spændingen er 690 V, bliver den aktuelle belastning
uden frekvenskorrektion
Der er derfor en margin til en forøgelse af hvirvelstrømstabene pga.
disses frekvensafhængighed. I IEEE standarden C57.110-1998 anvises en
metode til bestemmelse af en transformers ydeevne ved ikke sinusformede
belastningsstrømme.
Disse principper er anvendt til at bestemme transformernes termiske
belastning, se tabel 3.2. Der er anvendt fiktive transformerdata, idet der
ikke foreligger data for transformerne.
Tabel 3.2. Eksempel på beregning
af en ONAN-transformers termiske
belastning
Kolonne 2 viser transformerens tab ved mærkelast.
Hvirvelstrømstabene findes som differensen mellem de målte
belastningstab og de beregnede tab ud fra de målte viklingsresistanser (RK).
En tredjedel af hvirvelstrømstabene forudsættes at ligge i
viklingerne.
I kolonne 3 er der korrigeret for, at transformeren ikke er fuldtlastet. I
kolonne 4 er der korrigeret for, at hvirvelstrømstabene vokser med
frekvensen med anvendelse af to korrektionsfaktorer (3,29 og 1,21).
Hvorledes faktorerne bestemmes fremgår af appendiks 1. Det totale tab er
ifølge tabel 3.2 mindre end transformernes totale tab ved mærkelast uden
overtoner.
Alligevel kan hot-spot temperaturen godt være lidt forhøjet, idet
hvirvelstrømstabene ikke fordeler sig ens mellem viklingerne og i
viklingerne. De er størst ved lavspændingsviklingens ender.
4. Beregning af overtonespændinger i 10 kV nettet
Virksomhedens bidrag til overtonespændinger i
tilslutningspunktet til elselskabets net er det spændingsfald, som
overtonestrømmene forårsager i det foranliggende net.
Overtonestrømmene genereres i frekvensomformerne og løber i retning mod
højere spændingsniveauer. Der kan ses bort fra, at en negligeabel del af
overtonestrømmene vil løbe gennem nettets belastninger.
De kortslutningsimpedanser, der skal anvendes ved beregning af bidraget
til overtonespændingerne, afhænger af den betragtede overtones
ordenstal. For en overtone med ordenstallet »h« kan som en første
tilnærmelse regnes med at
Xh= X1 Resistansen (Rh) vil være lidt større end
resistansen ved 50 Hz (R1), mens reaktansen (Xh) vil være lidt mindre end
ordenstallet gange reaktansen ved 50 Hz (X1).
Forbindelsen mellem virksomheden og den fødende 60/10 kV stationen er 5
km lang og består af 150 mm2 Al kabler. Impedansen i kabelforbindelsen er
eksempelvis følgende over for den 5. harmoniske overtonestrøm:
Kortslutningsresistansen og reaktansen i det foranliggende
net, skal indgå ved beregning af overtonespændingen:
Tabel 4.1 viser virksomhedens bidrag til
overtonespændingerne i tilslutningspunktet.
Tabel 4.1. Beregning af bidraget til
overtonespændinger.
5. Tilladelige bidrag til overtonespændinger
Grænseværdierne i EN 50160 for overtonespændinger i
lav-og mellemspændingsnet er angivet i tabel 5.1.
Tabel 5.1. Grænseværdier for overtonespændinger.
De største overtonespændinger, der er målt inden
tilslutning af virksomheden, er vist i tabel 5.2 kolonne 2.
I kolonne 3 er angivet, hvor store overtonespændinger virksomheden kan
bidrage med, uden at grænseværdierne i tabel 5.1 overskrides.
Ved beregningen er der taget hensyn til, at der sandsynligvis vil ske en
vis udligning mellem harmoniske med samme ordenstal stammende fra
virksomheden henholdsvis fra nettets øvrige belastninger. Udligningen
skyldes, at fasevinklen mellem harmoniske med samme ordenstal kan variere
relativt meget. Jo højere ordenstallet er, jo større forskelle i
fasevinkler må forventes.
Der er kun målt enkelte steder i elselskabets net. Det kan derfor ikke
udelukkes, at der kan optræde større spændingsharmoniske andre steder i
nettet. Der må endvidere tages højde for strømharmoniske fra nye
belastninger og stigninger i overtonestrømme fra de eksisterende
belastninger ved fastlæggelsen af det tilladelige bidrag fra
virksomheden.
Det tilladelige bidrag til de spændingsharmoniske er fastlagt ved at
fordele grænseværdierne i tabel 5.1 mellem virksomheden og 60/10 kV
transformerens øvige belastning, se tabel 5.2 kolonne 4. Virksomheden
udgør en belastning på ca. 5 MW. Den totale belastning er principielt
den eksisterende maksimalbelastning på 6 MW plus belastningsudvidelsen
hos virksomheden, dvs ca. 11 MW.
Principielt skal der også tages højde for et bidrag til
overtonespændingerne fra 60 kV nettet.
Det er undladt af følgende årsager: Det er kun en del af den øvrige
belastning, som generer strømharmoniske.
Målinger inden tilslutning af kølekompressorerne har vist, at de
største harmoniske optræder om aftenen. De skyldes enfasede ulineære
belastninger, som f.eks. fjernsyn. Der må forventes en relativ stor
udligning mellem disse enfasede belastninger og frekvensomformerne hos
virksomheden. Ensretterdelen er i begge tilfælde diodebroer med en
kondensator på udgangen. Der går som nævnt tidligere kun strøm i
tilledningen til en brogren, når netspændingen er større end
spændingen over kondensatoren, dvs. omkring spændingsmaksimum.
Spændingen mellem yderspændingerne har maksima, der er forskudt 30° i
forhold til fasespændingernes maksima. For den 5. harmoniske svarer dette
til en vinkelforskel på 5·30°=150°. Der må derfor forventes en
udligning mellem 5. (og 7.) harmoniske strømme fra enfasede og trefasede
diodeensrettere.
Tabel 5.2. Tilladelig bidrag til overtonespændinger
6. Reduktion af overtoner i spændingen ved
netforstærkning
Forbindelsen mellem virksomheden og 60/10 kV stationen er
som nævnt i afsni 5 5 km lang og består af 240 mm2 Al kabler. Et større
ledertværsnit vil ikke medføre væsentligt lavere overtonespændinger
ved virksomheden, fordi kablernes reaktans er større end deres resistans
ved de aktuelle overtonefrekvenser. Et kabels reaktans er stort set den
samme uanset ledertværsnittet.
Lægges et separat kabel til forsyning af kølekompressorerne, vil første
fællespunkt med den øvrige belastning være 10 kV skinnen i 60/10 kV
stationen. Bidraget til overtonespændingerne vil også her være for
stort.
I 60/10 kV stationen er der installeret en 16 MVA transformer.
Transformer-reaktansen kan reduceres ved at udskifte den med en 25 MVA
transformer, hvilket vil medføre en uønsket stigning i
kortslutningsstrømmen ved fejl.
Installeres en ny transformer til forsyning af kølekompressorerne over et
nyt 10 kV kabel, vil første fællespunkt med den øvrige belastning være
stationens 60 kV skinne. Bidraget til overtonespændingerne hos de øvrige
forbrugere vil i dette tilfælde være acceptabelt, med det er en dyr
løsning.
7. Tilladelige overtonestrømme fra virksomheden
Af de foranstående kapitler fremgår det, at det er
nødvendigt at reducere de overtonestrømme, som virksomheden føder ind i
elselskabets net. De maksimalt tilladelige overtonestrømme fra
virksomheden findes ved at dividere de tilladelige bidrag til
overtonespændingerne med nettets impedans ved de respektive
overtonefrekvenser. Tabel 7.1 viser fremgangsmåden og
beregningsresultaterne.
Tabel 7.1. Grænseværdier for overtonestrømme
genereret af virksomheden.
8. Metoder til begrænsning af emissionen af
overtonestrømme fra virksomheden
8.1 Passive filtre mellem frekvensomformer og
transformer
Der skal ske en reduktion af den 5., 7., 11.og 13.
overtonestrøm, hvilket kan opnås ved at installere et filter for hver af
disse harmoniske.
Et filter består af en serieforbindelse af spoler og kondensatorer samt
eventuelt en resistans. Den principielle opbygning er vist på figur 8.1.
Figur 8.1. Filter udført som en seriesvingningskreds (sugekreds).
Filteret impedans er
Spolens reaktans (XL) vokser med frekvensen, og
kondensatorens reaktans (Xc) aftager med stigende frekvens. Ved 50 Hz er
reaktansen i spolen lille, og filteret virker som et normalt
kondensatorbatteri. Ved høje frekvenser er reaktansen i spolen derimod
væsentlig større end kondensatorens reaktans, hvorfor impedansen (Zf)
her vokser proportionalt med frekvensen.
Ved en bestemt frekvens – resonansfrekvensen – er reaktansen i
kondensatoren og spolen lige store, og filteret virker som en kortslutning
for overtoner med frekvenser lig med resonansfrekvensen.
Figur 8.2. Filterimpedansen som funktion af frekvensen.
I praksis vil filteret ikke virke som en kortslutning på
grund tolerancerne på filterets komponenter og netfrekvensen. Endvidere
er resistansen i spolen ikke nul. Hvis det var tilfældet, skulle filteret
dimensioneres termisk for den fulde overtonestrøm fra frekvensomformeren.
Der ville endvidere optræde store spændinger over spolen henholdsvis
kondensatoren, som derfor skulle vælges for en forhøjet driftspænding;
spændingen over spolen og kondensatoren er i modfase.
Overtonestrømmen fra frekvensomformeren deler sig mellem et filter og
nettet. Den del af en overtonestrøm, som løber gennem transformeren og
ud i elselskabets net, er følgende i et nøjagtigt afstemt filter:
Et filter dimensioneres med en sådan resistans, at det
ideelt set kun gennemløbes af den del af overtonestrømmen fra
frekvensomformeren, som ikke må fødes ind i elselskabets net.
Passive filtre er ikke en hyldevare, men må dimensioneres ud fra
elselskabets oplysninger om
– den største overtonestrøm, der tillades fødet ind i elselskabets
net.
– den største (og mindste) kortslutningsresistans og
–reaktans i filtrenes tilslutningspunkt.
Dimensioneringen kompliceres af, at filtrene øger den
resulterende kortslutningseffekt i tilslutningspunktet, hvilket medfører,
at frekvensomformeren genererer større overtonestrømme. Dimensioneringen
bør derfor ske i et samarbejde mellem leverandøren af filtrene og
leverandøren af frekvensomformerne. Det er vigtigt, at
filterdimensioneringen overlades til en kvalificeret leverandør, idet der
er mange faldgrupper.
Ændringer i elselskabets net vil få indflydelse på strømdelingen. En
forøgelse af nettets kortslutningseffekt vil medføre, at der løber
større overtonestrømme ud i nettet. Det vil dog ikke medføre en
stigning i overtonespændingerne, idet ændringen skyldes, at nettets
kortslutningsimpedans er blevet mindre.
Filterkomponenternes data kan med tiden ændre sig, hvorved filtrene
bliver mindre effektive.
Filtrene vil producere en betydelig mængde reaktiv effekt; adskillige
hundrede kvar. Tabene i filtrene vil medføre en betydelig driftsudgift,
også hvis filtrene kobles ud og ind sammen med kølekompressorerne.
8.2 Passive filtre på højspændingssiden af
transformerne
Der skal ske en reduktion af den 5., 7., 11.,og 13.
overtonestrøm, hvilket kan opnås ved at installere fælles filtre for
alle kølekompressorerne.
Da kortslutningseffekten er større ved tilslutning af filtrene på
højspændingssiden, kan den ønskede strømdeling mellem filtre og net
opnås med mindre resistans i filtrene (omregnet til samme
spændingsniveau). Tabene i filtrene på grund af overtonestrømmene fra
virksomheden vil derfor være mindre.
Der vil imidlertid også løbe overtonestrømme gennem filtrene fra andre
belastninger i 10 kV nettet, hvilket vil øge tabene i de permanent
indkoblede filtre. Ved dimensionering af filtrene skal der tages hensyn
til denne ekstra belastning, både den nuværende og den forventede
fremtidige. Der vil være større tab i transformerne, idet de belastes
med de strømharmoniske fra frekvensomformerne.
Filtrene vil producere en betydelig mængde reaktiv effekt; adskillige
hundrede kvar. Da de er indkoblet på tidspunkter, hvor virksomheden har
et lavt elforbrug, må der tages højde for, at transporten af den
reaktiveffekt vil hæve spændingen i 10 kV radialen.
Hvis et af filtrene står af, kan det være nødvendigt med restriktioner
på kølekompressorernes drift.
8.3 Aktivt filter
Et aktivt filter er principielt en trefaset ensretter
belastet med en kondensator. I stedet for dioder er der anvendt GTO’ere
eller IGBT’ere, som er halvledere, der kan afbryde og slutte en strøm
på et vilkårligt tidspunkt bestemt af en styring.
Et aktivt filter vil generere overtonestrømme ligesom en normal
ensretter. Filtervirkningen opnås ved at styre halvlederne således, at
de genererede strømharmoniske er i modfase med de strømharmoniske fra
kølekompressorerne.
Et aktivt filter giver normalt mulighed for at programmere, hvilke
strømharmoniske det skal kompensere for og kompenseringsgraden, samt om
filteret skal generere reaktiv grundtoneeffekt til fasekompensering.
Den samlede kompensering er begrænset af filterets mærkeeffekt. Aktive
filtre er uafhængige af netimpedansen og dimensioneres ikke til at løse
en konkret opgave. De kan derfor være hyldevare. De er væsentligt mindre
end passive filtre.
Anvendes et fælles aktivt filter for alle kølekompressorerne, må
styringen baseres på en strømmåling på højspændingssiden i
installationens tilslutningspunkt. Der må ikke ske en fasedrejning i den
transformer, som anvendes ved tilslutning af filteret til 10 kV
nettet.
Ved valg af transformer, skal der tages hensyn til, at strømmen gennem
den næsten udelukkende vil bestå af overtoner. Der vil være ekstra tab
i transformerne, idet de belastes med de strømharmoniske fra
frekvensomformerne.
Der vil endvidere være tab i det aktive filter, primært i form af
switchtab. Ved fejl i det aktive filter, kan det være nødvendigt med
restriktioner på kølekompressorernes drift.
8.4 Ensretter i 12-pulskobling
En ensretter i 12-pulskobling indeholder to trefasede
diodebroer, som skal forsynes fra hver sin vikling i en
treviklingstransformer. Den er derfor dyrere, end den valgte
frekvensomformer med en ensretter i 6-pulskobling.
Figur 8.3. Ensretter i 12-pulskobling.
Ensrettere i 12-pulskobling genererer ikke 5., 7., 17. og
19. strømharmoniske..
Derimod genererer de den 11. og 13. strømharmoniske. Det vil være
nødvendigt med filtre for disse overtonestrømme.
8.5 Transformere med forskellige koblingsciffre
Forbindes to frekvensomformere til transformere med
forskellige koblingsciffre, vil der ved et passende valg af
koblingsciffrene kunne opnås en udligning mellem de 5., 7., 17. og 19.
harmoniske strømme fra frekvensomformerne.
Årsagen til udligningen uddybes i det følgende med den 5. harmoniske som
eksempel:
Figur 8.4 viser fasestrømme og fasespændinger på primær- og
sekundærsiden af de to transformere.
Den ene er YyO-koblet (koblingsciffer 0), og strømmen og spændingen har
derfor samme fase på primær- og sekundærsiden; af pædagogiske grunde
er det forudsat, at den 1. og 5. harmoniske går gennem nul
samtidigt.
Den anden transformer er Yd1-koblet (koblingsciffer 1).
Det medfører at spændingen og strømmen er drejet 30° frem på
sekundærsiden i forhold til primærsiden.
Den 5. harmoniske strøm er dog drejet 5·30°=150° frem.
Strømmene på sekundærsiden af de to transformere har samme kurveform,
idet de begge er belastet med en frekvensomformer og
kølekompressor.
For at finde strømmen på primærsiden af den Yd1- koblede transformer
skal den 1. harmoniske drejes 30° tilbage, hvorved de 1. harmoniske
strømme på primærsiden af transformerne kommer i fase.
Den 5. harmoniske skal drejes 30° frem – ikke tilbage – , idet
fasefølgen jf. afsnit 2 er den modsatte af fasefølgen for den 1.
harmoniske (På figurene refererer skalaen for X-aksen til den 1.
harmoniske. De 30° for den 5. harmoniske svarer derfor til 30:5=6° på
skalaen).
Derved kommer de 5. harmoniske strømme på primærsiden af transformerne
i modfase. En fuldstændig udligning af de harmoniske forudsætter blandt
andet at frekvensomformerne er ens belastede.
Kølekompressorerne er tilsluttet en fælles kølesamleskinne. Det er
oplyst , at de altid parvis er ens belastet. Med et ulige antal
kølekompressorer i drift, vil der således ideelt set kun være en enkelt
frekvensomformer, som sender strømharmoniske med ordenstallene 5, 7, 17.
og 19. tilbage på 10 kV nettet.
Figur 8.4. Strømmene på primær- og sekundærsiden af
to transformere med forskellige koblingsciffre.
I praksis vil udligningen være mindre effektiv. Det kan
f.eks. skyldes, at strømmene i de tre faser ikke er lige store. Tabel 8.1
viser, hvor stor en reduktion der opnås, hvis der forudsættes at være
en rest på 20% af overtonestrømmene fra et lige antal frekvensomformere.
Tabel 8.1. Overtonestrømme på 20 kV siden af
transformere med forskellige koblingsciffre. Strømmene er omregnet til
lavspændingssiden.
Transformere giver ingen udligning mellem de 11. og 13.
harmoniske strømme. Der er derfor behov for at reducere disse
strømharmoniske, hvilket f.eks. kan gøres ved hjælp af
lavspændingsfiltre. En anden mulighed er anvendelse af et aktivt filter,
som i dette tilfælde kan have en mindre kapacitet, idet den 5., 7., 17.
og 19. harmoniske reduceres af transformerne.
Der foretages målinger af de strømharmoniske på såvel lav- som
højspændingsniveu med to kølekompressorer i drift for at bestemme, hvor
stor udligningen reelt er, og dermed hvor store de 5. harmoniske filtre
skal være, eller om de helt kan udelades.
8.6 Aktiv ensretter
Når en diode er blevet ledende, forbliver den i denne
tilstand indtil strømmen gennem den er blevet nul. GTO’ere og IGBT’ere
er halvledere, som kan afbryde og slutte en strøm på et vilkårligt
tidspunkt bestemt af styringen.
Ved at tænde og slukke for strømmen mange gange i hver periode efter et
vist mønster, kan alle de nævnte harmoniske overtonestrømme
elimineres.
Til gengæld fås overtoner med en frekvens bestemt af switchfrekvensen,
som er nogle titals kHz.
Disse højfrekvente overtoner fjernes med et indbygget lavpasfilter. En
aktiv frekvensomformer er dyrere end en frekvensomformer med en diodebro i
12-pulskobling. Til gengæld er der ikke behov for eksterne filtre.
9. Kondensatorbatteri til fasekompensering
Såfremt der var installeret et kondensatorbatteri i
hovedtransformerstationen, ville følgende skulle overvejes:
9.1 Batteriets indflydelse på spændingsforvrængningen
Batteriet udgør sammen med transformeren en dæmpet
svingningskreds, som kan ækvivaleres med en parallelforbindelse af en
spole og kondensator, se 9.1. Ved 50 Hz er impedansen i
kondensatorbatteriet væsentlig større end impedansen gennem
transformeren, og batteriets kapacitet er afstemt således, at der opnås
den ønskede kompensering.
Figur 9.1. Forstærkning af overtonespænding.
Ved høje frekvenser er situationen omvendt, og
kondensatorbatteriet vil virke som en kortslutning for strømharmoniske
med et højt ordenstal. Ved en vis frekvens - resonansfrekvensen – er
transformerens kortslutningsreaktans og impedansen i kondensatorbatteriet
lige store.
Da spændingen over parallelforbindelsen er den samme, vil
overtonestrømmen gennem transformeren og kondensatorbatteriet også være
lige store, men de vil have modsat fortegn.
Ved resonansfrekvensen vil kombinationen transformer og kondensatorbatteri
derfor agere som en meget stor impedans, og selv relativt små
strømharmoniske vil medføre store spændingsharmoniske.
I praksis vil netbelastningen med mere medføre, at forholdene er mindre
dramatiske, men en spændingsharmonisk kan blive op til 3-4 gange større
med end uden et kondensatorbatteri.
Resonansfrekvensen i afhængighed af nettets kortslutningseffekt og
kondensatorbatteriets mærkeeffekter kan med tilnærmelse bestemmes af
følgende udtryk:
Nettets kortslutningseffekt vil primært afhænge af
transformerens kortslutningsimpedans. De tilsluttede liniers
kabelkapaciteter vil have en vis indfydelse på resonansfrekvensen.
Typisk vil resonansfrekvensen ligge i området 250-500 Hz.
Resonansforstærkning forudsætter, at resonansfrekvensen falder på samme
frekvens, som en strømharmonisk.
Der sker dog også en mindre forstærkning af strømharmoniske med
frekvenser, der ligger i nærheden af resonansfrekvensen.
9.2 Batteriets termiske belastning
Der vil kunne løbe en stor overtonestrøm frem og tilbage
mellem transformeren og kondensatorbatteriet, hvis kombinationen har en
resonansfrekvens, som ligger tæt ved en strømharmonisk..
Det skyldes som anført foran, at den strømharmoniske gennem
transformeren er i modfase med den strømharmoniske gennem
kondensatorbatteriet.
Differencen mellem to store strømme kan godt være lille, hvilket
betyder, at selv en beskeden strømharmonisk fra en frekvensomformer kan
medføre en skadelig opvarmning.
Højspændingsbatterier skal ifølge internationale standarder kunne tåle
en strøm, der er 130% af batteriets mærkestrøm.
Overstiger effektivværdien af strømmen i batteriet denne værdi, må de
strømharmoniske reduceres. Det kan ske ved at sætte spoler i serie med
kondensatorerne. Spolernes induktans vælges således, at de sammen med
kondensatorerne får en resonansfrekvens, der ligger lavere end frekvensen
for den laveste betydende strømharmoniske. Spolerne medfører, at der
hverken ske en overbelastning af kondensatorbatteriet eller en
forstærkning af en spændingsovertone.
Eksemplet er baseret på et kondensatorbatteri i en
hovedtransformerstation.
Lignende forhold vil være gældende, hvis der i en netstation tilsluttes
et lavspændingsbatteri. Der har været eksempler på afbrændte
kondensatorbatterier i stationer, som forsyner virksomheder med
frekvensomformere.
Diskussion
Sp: Hvor mange har haft problemer med overharmoniske
strømme eller fået henvendelser fra rådgivende ingeniører?
Sv: Det havde to af deltagerne. En deltager fortalte om en virksomhed,
hvor en transformer brændte af og det samme gjorde
udskiftningstransformeren. Et engelsk firma foretog målinger og
konkluderede, at årsagen var overtoner.
Sp: Hvad med vindmøller?
Sv: Der forventes opstillet generelle krav til emissionen af
overtonestrømme fra vindmøller med frekvensomformere, således at det
ikke bliver nødvendig at udføre beregninger i forbindelse med
tilslutning af en vindmølle.
Sp: Er der ikke et større behov for reserve af
transformere ved en løsning? Sv: I det aktuelle tilfælde er det være
kritisk, hvis en af kølekompressorerne må tages ud af drift f.eks. på
grund af
Indleder Kurt Kølbæk Jensen, DEFU
havari af en transformer eller et lavspændingsfilter. Der
er taget højde for den stigning, det vil give i overtonestrømme
højspændingsnettet. Hvis filtreringen derimod foretages med
højspændingsfiltre fælles for hele virksomheden, kan et filterhavari
medføre behov for en indskrænkning af driften af hensyn til
spændingskvaliteten.
Referent Hans Erik Hansen, ESS
Sp: Er der foretaget beregning på, hvad det ville koste
at installere et lavspændingsfilter foran hver transformer?
Sv: Prisen kendes ikke, idet det ikke lykkedes at finde en
filterleverandør, men filtrene ville være blevet langt dyrere end den
rådgivende havde anslået. Det skyldes bl.a., at passive filtre skal
»skræddersys « fra gang til gang. Aktive filtre kan derimod være
»hyldevarer «, idet deres funktion ikke afhænger af det foranliggende
net og andre kilder til overtoner i nettet. Der blev valgt et aktivt
filter.
Sp: Der er ikke mange elselskaber, der har udstyr til
måling af overtonespændinger. Hvad koster et måleudstyr?
Sv: Der findes måleudstyr til 50.000 kr., men prisen kan være såvel
højere eller lavere afhængig af hvilke krav, der stilles til
måleudstyret. En del elselskaber anskaffede sig måleudstyr i forbindelse
med en undersøgelse af indholdet af overtoner i danske lavspændingsnet,
som DEFU gennemførte sammen med elselskaberne for nogle år siden.
Målinger viste, at der normalt ikke optræder høje overtonespændinger.
Kabellægningen af lav- og mellemspændingsnet har haft en gunstig
indflydelse.
Sp: Hvorfor begynder rådgiverne at interessere sig for
dette emne?
Sv: Kan det skyldes, at elselskaberne er begyndt at stille krav?
Sp: Hvilken indflydelse har 3., 5. og 7. harmoniske
overtoner
Gruppeleder Henrik Engholm Hjort, NRGI.
på vores almindelige elnet udover nulstrømmene?
Sv: I forsyningsnettene medfører overtoner højere belastning af
transformere, kondensatorbatterier og ledninger – især nulledere – og
dermed større tab. Det samme er tilfældet i installationer, hvor der
også vil være et øget tab i motorer:
Sidstnævnte skulle principielt forcere ældningen af isolationen, men det
kompenseres af at motorer sjældent er fuldlastede. Ældre ensrettertyper
baseret på tyristorer laver flere mindre spændingsdyk i hver periode,
hvilket i nogle tilfælde har forstyrret elektronisk udstyr.
Afslutning
Henrik rettede en tak til Kurt Kølbæk Jensen, DEFU for
et godt indlæg, og mindede alle om, at de manglede indlæg til
årsmøderne i 2003 og 2004.
|
