Modellierung von Schalttransienten und Überspannungen in Kondensatorbänken

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Überspannung beim Umschalten der Kondensatorbank wird in den ersten Millisekunden des Schließvorgangs bestimmt, weshalb eine Untersuchung im Zeitbereich erforderlich ist.
• Aneinandergefügte Bankanordnungen und das Verhalten von Leistungsschaltern führen in einer Schaltstudie häufig zu den größten Belastungsfällen.
• Eine Entlastung gilt nur dann als wirksam, wenn die Wellenformprüfungen an jedem Bus, an dem empfindliche Verbraucher angeschlossen sind, niedrigere Spitzenwerte zeigen.

Das Schalten einer Kondensatorbank muss als transientes Ereignis untersucht werden, da ein routinemäßiger Einschaltvorgang eine Überspannung erzeugen kann, die weit über den geschalteten Sammelschienenstrang hinausreicht.

Bei der Überprüfung der Blindleistung im stationären Zustand werden weder der erste Spitzenwert noch der Einschaltstrom noch die Art und Weise sichtbar, wie benachbarte Schaltanlagen das Ereignis zurück in die Zuleitung reflektieren. Eine Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory schätzt, dass Stromstörungen US-Unternehmen jährlich Kosten in Höhe von 104 bis 164 Milliarden US-Dollar verursachen, was kurzen Schaltvorgängen eine praktische Bedeutung verleiht, die über die reine Betrachtung der Wellenform hinausgeht.

Die Einschaltung der Kondensatorbank führt zu einer steilen transienten Überspannung

Beim Einschalten einer Kondensatorbank wird ein ungeladenes Element an ein unter Spannung stehendes Netz angeschlossen, sodass die ersten Millisekunden durch die Spannungsdifferenz, die Quelleninduktivität und die Schaltzeit des Leistungsschalters bestimmt werden.

„Berechnungen der Blindleistung im stationären Zustand geben darüber keinen Aufschluss.“

Eine 13,8-kV-Industriesammelschiene kann bei einem Lastfluss ruhig wirken, doch dieselbe Sammelschiene kann stark ins Schwingen geraten, wenn sich eine 2,4-Mvar-Bank in der Nähe einer schwach gedämpften Quelle schließt. Empfindliche Stromversorgungen reagieren eher auf die Spitzenwerte als auf die Blindleistungsunterstützung. Die ITIC-Spannungstoleranzkurve stuft 120 % der Nennspannung als außerhalb des normalen Betriebsbereichs liegend ein, sobald dieser Wert länger als 0,5 Zyklen anhält. Dies verdeutlicht, warum ein kurzzeitiger Anstieg dennoch von Bedeutung ist, wenn er Steuerkreise oder Antriebs-Frontends erreicht.

Sie benötigen eine Simulation der Einschalttransienten von Kondensatorbänken, da der schädliche Teil des Ereignisses eintritt, bevor sich die Bank auf ihre neue stationäre Spannung eingependelt hat. Kabellänge, Transformator-Streuinduktivität und lokale Lastimpedanz beeinflussen diese erste Schwingung. Wenn Sie die Sammelschiene erst nach dem vollständigen Schließen des Leistungsschalters überprüfen, übersehen Sie das Ereignis, das zum Auslösen der Geräte führt.

Aufeinanderfolgende Banken verstärken den ersten Spitzenwert

Das aufeinanderfolgende Schalten ist problematisch, da sich eine unter Spannung stehende Bank über eine sehr geringe Induktivität in die gerade geschlossene Bank entlädt. Dieser lokale Austausch führt zu einem höheren Einschaltstrom, einer höheren Schwingungsfrequenz und einer stärkeren Spannungsverstärkung als bei der Einschaltung einer einzelnen, isolierten Bank.

Aufgrund der üblichen Anlagenkonfiguration kann dies leicht übersehen werden. Eine Bank ist bereits im Betrieb, eine zweite Bank wird zur zusätzlichen reaktiven Unterstützung zugeschaltet, und der Strompfad zwischen ihnen besteht lediglich aus der kurzen Busleitung und der Schalterverbindung. Da dieser Pfad nur einen geringen Widerstand aufweist, steigt die erste Stromspitze schnell an. Ein Schutz, der niemals auf einen Fehler in einer entfernten Zuleitung reagiert, kann während dieses Schaltvorgangs dennoch starke Stromspitzen registrieren.

Eine Spannungsverstärkung tritt auch abseits der geschalteten Sammelschiene auf. Eine nahegelegene Motorsteuerzentrale, ein langes Kabel zu einem Frequenzumrichter oder eine Tertiärwicklung an einem Transformator können einen höheren Spitzenwert aufweisen als die Kondensatoranschlüsse selbst. Aus diesem Grund muss eine Untersuchung zum Schalten einer Kondensatorbank nicht nur die zu speisende Bank selbst, sondern auch benachbarte Sammelschienen und angeschlossene Geräte berücksichtigen.

Die EMT-Simulation erfasst die Einschalttransienten von Kondensatoren zeitlich

Die EMT-Simulation erfasst die Einschalttransienten von Kondensatoren, da sie die Wellenform bis zum Einschaltzeitpunkt Abtastwert für Abtastwert auflöst. Sie können den ersten Spitzenwert, die Schwingungsfrequenz, die Abklingrate sowie die Ausbreitung der Reflexionen durch Zuleitungen, Transformatoren und nahegelegene Kondensatorbänke beobachten.

Eine praktische Fallstudie beginnt mit dem stationären Zustand vor dem Schalten und schließt dann den Leistungsschalter bei festgelegten Winkeln über mehrere Durchläufe hinweg. In der Regel werden dabei die Sammelschienenspannung, der Kondensatorstrom, der Leistungsschalterstrom und die an den nahegelegenen Lasten anliegende Spannung aufgezeichnet. Eine 60-Hz-Phasorenanalyse kann den Unterschied zwischen einem leichten Schwingungsanstieg und einem steilen Spannungsanstieg an einer Antriebssammelschiene nicht aufzeigen, ein EMT-Durchlauf macht ihn jedoch deutlich sichtbar.

Diese zeitliche Betrachtung hilft Ihnen zudem dabei, die Ursachen voneinander zu trennen. In einem Fall könnte die lokale Businduktivität ausschlaggebend sein, während in einem anderen Fall eine Reflexion an einem langen Kabel oder ein Kapazitätspfad über einen Transformator die Ursache darstellt. Wenn Sie die Einschaltung einer Kondensatorbank auf diese Weise modellieren, wird die Fehlerbehebung nicht mehr auf Vermutungen gestützt, sondern basiert auf einem direkten Vergleich von Wellenformen, Stromspitzen und Dämpfungszeit.

Ein nützliches EMT-Modell geht von der Streuinduktivität aus

Eine aussagekräftige Modellierung der Kondensatorschaltung beginnt mit der Induktivität und dem Widerstand, die zwischen der Quelle, dem Leistungsschalter, der Sammelschiene und der Kondensatorbank liegen. Diese kleinen Elemente bestimmen die Einschaltfrequenz und den Spitzenstrom, sodass eine ideale Quelle, die an einen idealen Kondensator angeschlossen ist, zwar eine saubere Wellenform liefert, diese jedoch physikalisch falsch ist.

Ein kurzer Abschnitt eines Stromschienenkanals, ein paar Meter Kabel oder eine kleine strombegrenzende Drossel können den Verlauf des Ereignisses stärker beeinflussen als eine große Verschiebung der stationären Last. Ein transparentes Modell in SPS SOFTWARE ermöglicht es Ihnen, diese Pfade direkt zu untersuchen – was besonders wichtig ist, wenn Sie vor Ort prüfen möchten, warum zwei ähnliche Bankkonfigurationen sehr unterschiedliche Schaltprotokolle erzeugen.

Dieser Detaillierungsgrad macht die Untersuchung nicht um ihrer selbst willen kompliziert. Er sorgt dafür, dass das Ergebnis glaubwürdig ist. Es geht nicht darum, jede einzelne Schraube und jede Halterung nachzubilden, sondern darum, den Strompfad zu erfassen, der die transiente Überspannung und den Einschaltstrom bestimmt, denen der Leistungsschalter ausgesetzt ist.

Der Schließwinkel des Leistungsschalters bestimmt den ungünstigsten Einschaltfall

Der Schließwinkel des Schalters ist von Bedeutung, da die Spannungsdifferenz an den Kontakten im Moment des Durchschlags den ersten Ladungsstoß bestimmt. Der ungünstigste Fall tritt ein, wenn die Spannung des eingeschlossenen Kondensators und die Versorgungsspannung beim Kontaktkontakt oder beim Vorzündvorgang die größte Diskrepanz aufweisen.

Ein dreiphasiger Bankschluss nahe einer Spannungsspitze erzeugt nicht die gleiche Belastung wie ein Bankschluss nahe einem Nulldurchgang. Der Phasenabstand verschärft dies noch, da die Pole nicht genau zur gleichen Mikrosekunde schließen. Eine Zuleitung kann einen moderaten Spitzenwert in Phase A und einen viel größeren Spitzenwert in Phase C aufweisen, einfach weil der Zeitpunkt des Polschlusses und die eingeschlossene Ladung schlecht aufeinander abgestimmt sind.

Sie sollten den Schließwinkel als Durchlauf betrachten und nicht als einzelnen Durchgang. Zu den nützlichen Testfällen gehören verschiedene „Point-on-Wave“-Positionen sowie Spannungszustände nach einer vorherigen Abschaltung. Dieser Ansatz zeigt die tatsächliche Obergrenze des Ereignisses auf – den Wert, der bei der Überprüfung der Isolationsreserven und der Lastdurchhaltefähigkeit entscheidend ist.

Die Schaltmodelle müssen das Verhalten vor und nach dem Auslösen wiedergeben

Schaltermodelle müssen den Vor- und Nachschaltvorgang abbilden, da sich reale Unterbrecher nicht immer in einem einzigen idealen Schritt von der offenen in die vollständig geschlossene Position bewegen. Kontaktannäherung, dielektrischer Durchschlag und Stromunterbrechung können zusätzliche Spannungssprünge verursachen, die die Belastung über den bei einem idealen Schalter auftretenden sauberen Schließvorgang hinaus erhöhen.

Vakuum- und Luftunterbrecher können beim Schalten von Kondensatoren sehr unterschiedliche Signaturmerkmale aufweisen. Eine Kondensatorbank, die bei Verwendung eines idealen Leistungsschalters akzeptabel erscheint, kann bei Hinzufügen eines Vorzünders eine rauere Wellenform erzeugen, da sich der Kondensator bereits auflädt, bevor der mechanische Kontakt geschlossen ist. In einem anderen Fall kann es beim Öffnen zu einer Nachzündung kommen. Das bedeutet, dass die Untersuchung nicht mit der Einschaltung enden sollte, wenn Feldaufzeichnungen Beschwerden sowohl beim Einschalten als auch beim Auslösen zeigen.

Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn es Tests , die Funktion von Überspannungsableitern oder Isolationskoordinationsreserven Tests . Ein idealer Schalter ist zwar nach wie vor für die Vorprüfung nützlich, doch für die endgültigen Einstellungen und abschließenden Überprüfungen der Schutzmaßnahmen ist ein Schalterverhalten erforderlich, das mit der im Umspannwerk installierten Leistungsschaltertechnologie übereinstimmt.

Die Abhilfemaßnahmen sollten an jedem betroffenen Bus getestet werden

Eine Entstörung ist nur dann wirksam, wenn sie die Spitzenwerte und das Nachschwingen an den Sammelschienen reduziert, an denen sich tatsächlich empfindliche Geräte befinden. Eine Maßnahme, die an den Kondensatoranschlüssen gut aussieht, kann dennoch zu höheren Spitzenwerten an einer Antriebssammelschiene, der Tertiärseite eines Transformators oder einem Fernbedienungspanel führen.

Ein typischer industrieller Einspeisestromkreis veranschaulicht dies deutlich. Ein Reaktor am Anschlusspunkt kann den lokalen Einschaltstrom zwar gut dämpfen, doch bei einem langen Kabel zur Prozessleitung kann es dennoch zu reflektierten Überspannungen kommen, wenn die Schaltsequenz ungünstig ist. Sie sollten jede Maßnahme an allen betroffenen Messpunkten prüfen und anschließend die jeweils ungünstigsten verbleibenden Spitzenwerte, Schwingungsfrequenzen und Abklingzeiten vergleichen.

• Strombegrenzungsdrosseln reduzieren den Spitzeneinschaltstrom und verlagern die Schwingung auf eine niedrigere Frequenz.
• Durch kontrolliertes Schließen wird der Bereich der Auslösewinkel, bei denen die höchste Belastung auftritt, eingegrenzt.
• Die Reihenfolge der Schaltvorgänge ist entscheidend, wenn eine unter Spannung stehende Bank die nächste über einen kurzen Sammelschienenweg speisen kann.
• Überspannungsableiter sollten an den Sammelschienen überprüft werden, an denen die reflektierten Spitzen tatsächlich auftreten.
• Dämpfungselemente müssen anhand der Ergebnisse aus Schwingungsanalysen und nicht allein anhand der Nennwerte im stationären Betrieb ausgelegt werden.

Dieser Prozess liefert eine fundierte Antwort auf die häufig gestellte Frage, wie sich Schaltüberspannungen reduzieren lassen – und zwar auf der Grundlage von Fakten statt aus Gewohnheit. Dabei überprüfen Sie den gesamten Überspannungspfad von der Quelle bis zum betroffenen Sammelschienenabschnitt.

Die Studienergebnisse sollten als Grundlage für die Festlegung des Zeitpunkts eines Wechsels dienen

Eine Studie zur Schaltung einer Kondensatorbank macht sich bezahlt, wenn die Ergebnisse als Betriebsvorschriften für Zeitabläufe, Abfolge und zulässige Systemzustände dienen.

„Eine gute Richtlinie ergibt sich aus der ungünstigsten nachgewiesenen Wellenform, den Bussen, die der höchsten Belastung ausgesetzt waren, und den Maßnahmen, durch die diese Werte innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten wurden.“

Bei einer Versorgungsleitung kann es erforderlich sein, eine Regel festzulegen, die die Abschaltung einer zweiten Bank verhindert, bis die erste Bank abgeschaltet ist und ein Reaktor in Betrieb ist. In einem anderen Kraftwerk kann eine feste Abfolge erforderlich sein, die dafür sorgt, dass eine lange Kabelbusleitung während der Kondensator-Einschaltung außer Betrieb bleibt. Diese Regeln sind einfach, behalten aber nur dann ihre Glaubwürdigkeit, wenn sie auf Messwerten von Wellenformen beruhen und nicht auf einer allgemeinen Schaltanweisung.

Genau hier zahlt sich ein diszipliniertes Modell aus. SPS SOFTWARE eignet sich hervorragend für diese Aufgabe, da Sie den physikalischen Verlauf des transienten Vorgangs nachverfolgen, die Annahmen überprüfen und eine Untersuchung zum Schalten von Kondensatorbänken in eine klare Betriebspraxis umsetzen können, die verhindert, dass routinemäßige Schaltvorgänge zu einer wiederkehrenden Ursache für Auslösungen werden.