ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Muuntaja ja generaattori. Kurssi syksyllä 2015 Periodit I ja II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

Transkriptio

1 ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Muuntaja ja generaattori Kurssi syksyllä 2015 Periodit I ja II, 5 opintopistettä Liisa Haarla 1

2 Luennon ydinasiat Muuntajan ja generaattorin tehtävät sähkönsiirrossa, sijaiskytkennät, muuntajan kytkentäryhmät, generaattorin oikosulku Lisäksi täydentävää tietoa: muuntajan kytkentävirtasysäys ja tyhjäkäyntivirta, generaattorin voiden kulku oikosulussa 2

3 Muuntajat Muuntajan tehtävät: muuntaa jännite sopivaksi, rajoittaa oikosulkutehoa, säätää jännitettä Muuntajan rakenteella ja kytkennällä vaikutetaan myös siirtoverkon muihin ominaisuuksiin. Maadoittamalla muuntajien tähtipisteitä vaikutetaan maasulkuvirran suuruuteen, terveiden vaiheiden jännitteeseen maasulkujen aikana ja vaarajännitteisiin. Kolmikäämimuuntajien (400/110/20 kv) tertiääriin kytketyillä reaktoreilla säädetään 400 kv:n verkon jännitettä Suomen siirtoverkossa käytetään 400/110/20 kv:n kolmikäämimuuntajia. Muuntajan tärkein yhtälö: Z k ( Ω) = z k (pu) ( U S N N ) 2 3

4 Luennon aihepiiri Elovaaran ha Haarla Sähköverkot 1 ja Sähköverkot 2 -kirjoissa Sähköverkot 1: luvut 2.4.2, 2.4.3, 4.4.1, 4.4.2, 4.4.4, 4.6, Sähköverkot 2: luku 3.1 4

5 The linked image cannot be displayed. The file may have been moved, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. V V p s = N = N p s dϕ dt dϕ dt 5

6 3-vaihemuuntajia Kolmivaihemuuntajan magneettivuot Yksivaihemuuntajista muodostettu kolmivaihemuuntaja Φ 1 Φ 2 Φ 3 Symmetrinen kolmivaihemuuntajan rautasydän Tavallinen kolmivaihemuuntaja keskimmäisellä pylväällä vuolla lyhin reitti -> vuon kulku ei ole aivan symmetrinen Paavola: Sähkötekniikan oppikirja s. 172 ja 173 6

7 1-vaihemuuntaja kuormitettuna 1-vaihemuuntajan sijaiskytkentä i 1 i 2 i 2 + i 1 φ + i m + u 1 N u 2 L m N 2 u 1 u 2 + i N 1 N 2 ideaalinen muuntaja L m : magnetointi-induktanssi i i ' 2 2 ( t) ( t) = N N 2 1 7

8 Muuntajan jännitetasoja Generaattorin jännite on usein kv Voimansiirtojohtojen jännite on kv Muuntajan toiminta perustuu sähkömagneettiseen induktioon Ideaalisessa muuntajassa tyhjäkäynnissä: U 1 /U 2 = N 1 /N 2 Yksinkertaisten piirien käsin laskennassa kaikki jänniteportaat redusoidaan yhteen jänniteportaaseen tai käytetään suhteellisarvoja 8

9 Muuntajan sijaiskytkentöjä R 1 +jx 1 (R 2 +jx 2 ) R fe I 0 I m U 1 B U 2 n 1 n 2 n = n 1 /n 2 tyhjäkäynnissä N = U 1 /U 2 R 1 +jx 1 N 2 (R 2 +jx 2 ) I 0 I m U 1 R fe B nu 2 toisio on redusoitu ensiön jännitetasoon 9

10 3-v. muuntajan tyhjäkäyntikoe Tyhjäkäyntikoe tehdään nimellisjännitteellä toisio auki. Mitataan U 1, U 2, P 0 ja I 0. P 0 aiheutuu lähes kokonaan rautahäviöstä. Lasketaan sijaiskytkentä ensiöstä katsottuna. P 0, I 0 cosϕ = R X 0 m = = 0 ( U ) 1 P 0 U I 3 U P = I U I sinϕ 0 U µ = U cosϕ 1 2 Ensiö U 1 R 0 X m U 2 Toisio 10

11 Muuntajan sijaiskytkentä jännitteen annossa Kun muuntaja kytketään verkkoon, jännite annetaan ensin toiselta puolelta ja toisen puolen liittimet ovat auki Sijaiskytkentä on sama kuin tyhjäkäyntikokeessa Laskiessa remanenssi ja rautasydämen kyllästyminen tulee ottaa huomioon P 0, I 0 U 1 R 0 X m U 2 11

12 3-v. muuntajan oikosulkukoe Oikosulkukoe tehdään nimellisvirralla toisiokäämi(t) oikosuljettu(i)na. Mitataan ensiöstä P k, I k ja U k. P k tulee lähes kokonaan käämien virtalämpöhäviöistä (jännite on pieni, joten rautahäviöitä on vähän) Ensiö- ja toisiokäämeissä syntyy resistiivinen jännitehävio, jota kuvaa oikosulkuimpedanssin R k. X k kuvaa käämien hajainduktanssien aiheuttamaa jännitehäviötä. Muuntajan sijaiskytkentä tehonjakolaskuissa ja 3-v. oikosuluissa: oikosulkureaktanssi Z k U 1 R k cosϕ X k P = I = k P k, I k k 2 k = Z 2 k Z k P k 3 U R = 2 k k I k = U 1 3 I Z k k R k X k sinϕ 12 k

13 13 Mohan s p s s s p 2 s sp 2 s p s p 2 s p ps ) ( ) / ( + = + = + = + = n n Z Z Z n Z Z n n Z Z n Z Z Z

14 Kolmio- ja tähtikytkentä 14

15 3-vaihemuuntajan kytkentäryhmiä Yy0 U A U C U B yläjännite Dy11 U U AB CA U C U A U BC yläjännite U B u a u c u b alajännite u a u b u c alajännite Perussäännöt kytkentäryhmän tulkitsemiseen: Yläjännite kellotaulussa klo 12 kohdalla. Tämä on referenssi, johon verrataan Alajännite 30 edellä yläjännitettä vastaa kellotaulun kellonaikaa 11 Alajännite 30 yläjännitettä jäljessä vastaa kellotaulun kellonaikaa klo 1 Vertaillaan vaihejännitteitä keskenään (tai pääjännitteitä keskenään), ei verrata vaihejännitettä pääjännitteeseen 15

16 Tähtikytkentää käytetään paljon verkkomuuntajissa. Syyt: saadaan tähtipiste esille ja voidaan maadoittaa se käämikytkin on edullisempi liittää suurilla jännitteillä tähtikytkentäinen muuntaja on halvempi kuin kolmiokytkentäinen. Paavola: Sähköjohdot s

17 Kytkentäryhmiä Kytkentä Yy0: samannimisten liitinparien (a-b, A- B) välillä ei ole vaihesiirtoa. Ylä- ja alajännitteet samassa vaiheessa Kytkennät Yd11, Dy11: samannimisten liittimien välillä on 30 asteen vaihesiirto. Alajännitteet ovat yläjännitteitä edellä. Kytkennät Yd1, Dy1: samannimisten liittimien välillä on 30 asteen vaihesiirto. Alajännitteet ovat ensiöjännitteiden jäljessä. Kytkennät Yd5, Dy5: alajännitteet ovat 150 jäljessä yläjännitteistä 17

18 3-vaihemuuntajan kytkentäryhmä Yy0 U A u a a b c Z k U C yläjännitteet U B u c u b alajännitteet A B C kytkentäkaava Nollapiiri on poikki, koska tähtipisteitä ei ole maadoitettu eikä nollavirta voi kulkea Samalla pylväällä ovat yläjännitteen A-vaiheen ja alajännitteen a-vaiheen jännitteet. Käämitys on tehty siten, että ylä- ja alajännitteiden vaihejännitteillä ei ole vaihesiirtoa. Koska tähtipisteitä ei ole maadoitettu, on nollapiiri poikki kummassakin jänniteportaassa. 18

19 3-vaihemuuntajan kytkentäryhmä YNyn0 U A u a n N a b c A B C Z k U C U B u c u b yläjännitteet alajännitteet kytkentäkaava nollapiiri Samalla pylväällä ovat yläjännitteen A-vaiheen ja alajännitteen a-vaiheen jännitteet. Käämitys on tehty siten, että ylä- ja alajännitteiden vaihejännitteillä ei ole vaihesiirtoa. Koska tähtipisteet on maadoitettu, pääsee nollavirta kulkemaan ja Muuntajan nollapiirit kytkeytyvät muun verkon nollaverkkoon kummassakin jänniteportaassa. 19

20 3-vaihemuuntajan kytkentäryhmä Dy11 U A u a U CA U AB u c u b a b c A B C Z k U C U BC U B yläjännitteet alajännitteet kytkentäkaava nollapiiri Samalla pylväällä ovat yläjännitteen AB-pääjännite ja alajännitepuolen a-vaiheen jännite. Ne on käämitty niin, että niiden välillä ei ole vaihesiirtoa. Yläjännitteiden vaihejännitteiden ja alajännitteen vaihejännitteiden välille tulee 30 vaihesiirto. Nollapiiri menee maahan kolmiokytkennän puolelta, mutta on toiselta Puolelta irti muusta verkosta. Koska tähtipistettä ei ole maadoitettu, on nollapiiri poikki tähtikytkennän puolelta. Verkon kannalta sama kuin Yy0 20

21 3-vaihemuuntajan kytkentäryhmä Dyn11 U CA U A U AB u a u b n a b c A B C D Z k yn u c U C U BC U B yläjännitteet alajännitteet kytkentäkaava nollapiiri Samalla pylväällä ovat yläjännitteen AB-pääjännite ja alajännitepuolen a-vaiheen jännite. Ne on käämitty niin, että niiden välillä ei ole vaihesiirtoa. Yläjännitteiden vaihejännitteiden ja alajännitteen vaihejännitteiden välille tulee 30 vaihesiirto. Nollapiiri menee maahan kolmiokytkennän puolelta, mutta on irti muusta verkosta. Koska tähtikytkennän tähtipiste on maadoitettu, on sen nollapiiri kytketty muuhun nollaverkkoon. 21

22 Muuntajan nollapiiri D ja Y-kytkennöissä (a): Dyn, kolmiokytkennässä nollavirta kiertää kehää, eikä mene muualle verkkoon, nollapiiri on irti muusta verkosta, Tähti on maadoitettu, joten reaktanssi kytkeytyy kiinni muuhun nollaverkkoon (b), Dy-kytkentä. Ero verrattuna (a)-kohtaan: koska tähtipistettä ei ole maadoitettu, on nollareaktanssi irti muun verkon nollaverkosta J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, s

23 23 J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, s. 23

24 J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, s. 23 N 0 24

25 Säännöt nollapiirin sijaiskytkennälle ensiöliittimet liitetään ensiöverkkoon, toisioliittimet liitetään toisioverkkoon nollavuoroinen magnetointi-impedanssi on suunnilleen uloimman käämityksen navoissa maadoittamaton tähti: nollaverkko menee poikki maadoitettu tähti: nollaverkko jatkuu ja mahdollinen maadoitusimpedanssi vaihetta kohti on kolme kertaa maadoituksen impedanssi kolmiokäämitys: nollaverkko ei voi jatkua, koska virralle ei ole kulkutietä kolmiosta pois Lähde: Voimansiirron tekniikka, Svt , Sähkölaitosten lisensiaattiseminaari s

26 Muuntajan käämien nimeämisestä Suurimman jännitteen käämit: A, B ja C käämin alkupäille ja X, Y, Z käämin loppupäille Muut käämit a, b, c (käämin alkupäät) ja x, y, z (käämin loppupäille) Tähtipisteen merkintä N (pienemmällä jännitteellä n) Jos muuntajassa on enemmän käämityksiä, ne numeroidaan 1, 2, 3. Aloitetaan ylimmästä jännitteestä 26

27 Muuntajan tyhjäkäyntivirta ja muut nollavirrat Tyhjäkäyntivirta: tyhjäkäynti- eli rautahäviöt ovat hystereesi- ja pyörrevirtahäviöitä, jotka aiheutuvat magneettivuon vaihtelusta rautasydämessä. Tyhjäkäyntivirralla on reaaliosa I r (pätötehohäviöt) ja imaginaariosa (magnetointivirta I m ) Tyhjäkäyntihäviöt riippuvat jännitteestä Tyhjäkäyntivirrassa on 150 Hz:n komponentti (3. yliaalto) ja se aiheuttaa virtaan nollakomponentin Yd- ja Dy- kytkentöjen etu: kolmiokytkennän takia 150 Hz:n nollavirta ei mene verkkoon 2 r I = I + I m Paavola: Sähkötekniikan oppikirja s.177

28 Muuntajien rinnankytkentä Muuntajat voidaan kytkeä rinnan jos: 1. Mitoitustehojen on oltava samaa suuruusluokkaa (ero korkeintaan 1:3) 2. Oikosulkuimpedanssien oltava samaa suuruusluokkaa (ero korkeintaan noin 10 %) 3. Mitoitusjännitteiden on oltava samat 4. Kytkentäryhmien oltava samat 28

29 Muuntajan kytkentävirtasysäys Muuntajan magneettivuo on noin 90 jäljessä jännitteestä Kun jännite on nollakohdassa, on vuolla huippuarvo Kun muuntaja irrotetaan verkosta, rautasydämeen jää joku remanenssivuo 3-vaihemuuntajan eri vaiheissa remanenssivuolla on eri arvo Kytkentäsysäysvirta on englanniksi: inrush current Tekniikan käsikirja 3 s

30 Muuntajan kytkentäsysäysvirta Kun muuntaja kytketään verkkoon, kasvattaa remanenssivuo vuon suuruutta kytkentähetkellä Suurin vuo: kuvan mukaisessa tilanteessa (jännite on kytkettäessä nolla, pylväällä on remanenssivuota ja vuo on kasvava) Seuraus: rautasydän kyllästyy ja muuntaja ottaa suuren virran (monta kertaa suurempi kuin nimellisvirta) Käämin resistanssi ja muuntajan rautasydän vaimentavat virtaa muutaman sekunnin aikana 50 Hz, T U =20 ms Tekniikan käsikirja 3 s

31 Muuntajan kytkentäsysäysvirta Kun muuntaja kytketään verkkoon jännitteen huippukohdassa ja remanenssi on nolla, ei muuntaja kyllästy eikä kytkentäsysäysvirtaa synny. Jännitteen huippukohdassa vuo on nolla, koska u = -dφ/dt jännite vuo ensiövirta 31

32 Muuntajan kytkentäsysäysvirta Kun muuntaja kytketään verkkoon jännitteen nollakohdassa ja remanenssi on nolla, vuo kasvaa ensimmäisen puolijakson ajan ja muuntaja kyllästyy. Virta kasvaa voimakkaasti, kun rauta kyllästyy jännite vuo ensiövirta 32

33 Muuntajan kytkentäsysäysvirta Kun muuntaja kytketään verkkoon jännitteen nollakohdassa ja rautapylväällä on remanenssivuota, vuo kasvaa ensimmäisen puolijakson ajan ja muuntaja kyllästyy voimakkaammin kuin ilman remanenssia. Virta kasvaa voimakkaasti, kun rauta kyllästyy. Tässä tilanteessa kytkentäsysäysvirta on isoin. jännite virta vuo+rem 33

34 Muuntajan kytkentäsysäysvirran vaikutus muuntajan suojaukseen Suojareleet eivät saa laukaista muuntajaa verkosta kytkettäessä laukaisu voidaan estää esim. siten, että nollavirtareleisiin asennetaan salparele, joka lukitsee releen, kun havaitsee nollavirrassa 100 Hz:n komponentin Kytkentäsysäysvirrassa on iso 100 Hz:n komponentti, myös 150 Hz:n komponentti 34

35 Käämien vuot Kytkentäsysäysvirrat Lähde: Transformer inrush studies for Wind farm grid connections. by K.S. Smith 35

36 Kolmikäämimuuntajan impedanssit Mitattaessa impedansseja Z a, Z b ja Z c on kolmas käämi avoin. Z a saadaan kun mitataan käämien 1 ja 2 väliltä ja käämi 3 on avoin, Z b saadaan kun mitataan käämien 1 ja 2 väliltä ja käämi 3 on avoin jne Z Z Z Z a b c Z Z = = = Z Z Z Z + Z + Z = (1 2) = (1 2) = (1 2) ( Z a Z b + Z c ) ( Z a + Z b Z c ) ( Z + Z + Z ) a b c Z c 1 Z 1 3 Z 3 Z a Z 2 36 Z b 2

37 Kolmikäämimuuntajan nollaimpedanssit J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, s

38 Kolmikäämimuuntajan nollaimpedanssit J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, s

39 Erilaisia tahtigeneraattoreita 2-napainen umpinanapakone n = 3000 r/min f = 50 Hz 4-napainen umpinanapakone n = 1500 r/min f = 50 Hz 4-napainen avonapakone n = 1500 r/min f = 50 hz Mohan s

40 Staattorin käämit Mohan s

41 Roottorin käämi Mohan s

42 Tahtigeneraattorin symbolinen esitys Machowski et al. s

43 Tahtigeneraattorin sijaiskytkentä E f E r V g E f E r V g I Machowski et al. s

44 jx a I jx d I jx l I RI F f E f X a E r X h R V g d-akseli Fa (a) q-akseli ylimagnetoitu generaattori: V g < E f F f Fa Fr V g RI E r E f jx h I jx a I (b) alimagnetoitu generaattori: V g > E f d-akseli F f F a Fr I E f E r q-akseli jx d I (c) V g 44

45 Tahtigeneraattorin oikosulku Tahtigeneraattorin oikosulussa staattorin jännite menee nollaksi (lähellä oleva 3-vaiheinen oikosulku) tai pienenee (kauempana oleva oikosulku). Kun staattorin jännite ei muutu (du/dt = 0), on staattorikäämin aiheuttama vuo vakio, eikä pyöri enää roottorin mukana, joten se kulkee osan ajasta ilmavälissä. Tämä paikallaan pysyvä vuo indusoi roottorin käämeihin vaihtovirtoja. Tahtigeneraattorin oikosulussa staattorivirta muuttuu ja siinä on tasakomponentti. Tenttiin: reaktanssit ja niiden muutos oikosulun aikana on osattava, mutta ei voiden kulkua yksityiskohtaisesti, eikä sivun 55 taulukkoa 45

46 Tahtikoneen oikosulku, johdannoksi RL-piirin oikosulku 46

47 Staattorivirta dc-osa koko virta Magnetointikäämin virta Vaimennuskäämin virta ac-osa ac-osa dc-osa dc-osa Machowski et al. s. 101 koko virta koko virta 47

48 Generaattorin oikosulku, alkutila Staattorivuo oikosulun alkutilan aikana. Magnetointikäämiin ja vaimennuskäämiin indusoituu virtoja Screening effect of the damper winding and field winding vaimennuskäämi Machowski et al. s

49 Generaattorin oikosulku, muutostila Staattorivuo oikosulun muutostilan aikana. Vain magnetointikäämiin on enää indusoitunut virta. Vaimennuskäämissä ei enää kulje virtaa. Screening effect of the field winding Magnetointikäämi Machowski et al. s

50 Generaattorin oikosulku, jatkuva tila Staattorivuo oikosulun jatkuvuustilan aikana. Sekä magnetointikäämiin että vaimennuskäämiin indusoituneet virrat ovat vaimentuneet. Machowski et al. s

51 Generaattorin reaktanssi oikosulun alkutilassa X D X I '' k '' d = = X h j( X X f + E v + '' d 1 X a X X a u + ) 1 1 X D X h + 1 X f X d on alkutilan reaktanssi X D on vaimennuskäämin reaktanssi X f on magnetointikäämin reaktanssi X a +X h on staattorikäämin reaktanssi (X h on hajareaktanssi) I k on alkuoikosulkuvirta X u on ulkoisen piirin reaktanssi 51

52 Generaattorin reaktanssi oikosulun muutostilassa X f X I ' k ' d = X a = X h j( X + E v + ' d X h 1 X a X u 1 + ) 1 X f X d on muutostilan reaktanssi X f on magnetointikäämin reaktanssi X a + X h on staattorikäämin reaktanssi (X h on hajareaktanssi) I k on muutosoikosulkuvirta X u on ulkoisen piirin reaktanssi 52

53 Generaattorin reaktanssi oikosulun jatkuvuustilassa I X a X k d = = X X h h j( X + E v + d 1 1 X a X u = ) X h + X a X d on muutostilan reaktanssi X f on magnetointikäämin reaktanssi X a +X h on staattorikäämin reaktanssi (X h on hajareaktanssi) I k on jatkuvan tilan oikosulkuvirta X u on ulkoisen piirin reaktanssi 53

54 Generaattorin klassinen malli muutostilassa Tämä malli on likiarvo, jossa käytetään kulmaa δ kulman δ sijasta. Tätä mallia käytetään paljon verkostolaskennassa, jossa on laskettavana yhtä aikaa paljon generaattoreita. Virhettä tulee kulman α verran, mutta laskenta yksinkertaistuvat. Machowski et al. s

55 Machowski et al. s

56 Lähteitä ja muuta luettavaa Ned Mohan: First course on power systems, MNPere 2006, ISBN Martti Paavola: Sähköjohdot, WSOY Porvoo 1975, ISBN , 319 s. Machowski, Bialek, Bumby: Power System Dynamics J.C. Das: Power System Analysis, Marcel Dekker, Inc, 2002, ISBN , 850 s. Grainger, Stevenson: Power System Analysis 56