Fase-aardsluiting in een zwevend MS-net in Gaia

Transcriptie

1 Fase-aardsluiting in een zwevend MS-net in Gaia pmo 21 oktober 2008 Phase to Phase BV Utrechtseweg 310 Postbus AC Arnhem T: F:

2 pmo Phase to Phase BV, Arnhem, Nederland. Alle rechten voorbehouden. Dit document bevat vertrouwelijke informatie. Overdracht van de informatie aan derden zonder schriftelijke toestemming van of namens Phase to Phase BV is verboden. Hetzelfde geldt voor het kopiëren van het document of een gedeelte daarvan. Phase to Phase BV is niet aansprakelijk voor enige directe, indirecte, bijkomstige of gevolgschade ontstaan door of bij het gebruik van de informatie of gegevens uit dit document, of door de onmogelijkheid die informatie of gegevens te gebruiken.

3 INHOUD pmo 1 Inleiding Gemodelleerde MS-kabels Model van een MS-net in Gaia Modellering van de aarding in het MS- en het LS-net Berekening van de fase-aardsluiting in het MS-net Geen verbinding met aarde in het LS-net Aardimpedantie gemiddeld 100 Ohm per aansluiting Aardimpedantie gemiddeld 10 Ohm per aansluiting Conclusie... 10

4 pmo 1 INLEIDING Voor het berekenen van laagspanningsnetten is het negengeleidermodel geïntroduceerd. Hiermee zijn we ook in staat gecombineerde OV-netten door te rekenen. De techniek was tot nu toe alleen toegepast op alle componenten in het LS-net. Dezelfde techniek is nu ook beschikbaar voor componenten in het MS-net. Hiermee wordt het mogelijk om de invloed van enkele bijzondere situaties in het MSnet op het LS-net te bekijken. Elke gebeurtenis in het MS-net heeft namelijk direct invloed op alle aangesloten LS-netten. De eisen ten aanzien van de spanningskwaliteit in de LS-netten hebben op hun beurt weer hun invloed op de MS-netten. Om deze reden kunnen de MS- en LS-netten eenvoudigweg niet los van elkaar gezien worden. Dit rapport gaat specifiek in op de situatie dat door een fase-aardsluiting in een MS-net een verhoogde spanning op de PE-geleiders van de gekoppelde LS-netten kan ontstaan, eventueel leidend tot onveilige situaties. Het mechanisme en de beïnvloedingsfactoren worden toegelicht. 2 GEMODELLEERDE MS-KABELS Een klein aantal veelvuldig voorkomende MS-kabeltypen is al gemodelleerd voor Gaia en een aantal is gepland. Van deze kabels zijn de drie geleiders, het aardscherm en de mutuele koppelingen gemodelleerd op dezelfde manier als dat voor de LS-kabels was gedaan. Voor meer informatie over het model, zie: Gerealiseerd: Al GPLK 8/10: 3 x 35 t/m 3 x 240 Cu GPLK 8/10 : 3 x 35 t/m 3 x 240 Al Kudi 6/10: 3 x 95, 150, 240 Gepland: XLPE 1-aderig 6/10 en 12/20 kv, ligging in driehoek en in plat vlak (70 mm afstand) Cu GPLK 12,5/12,5: 3 x 50, 95, 120, MODEL VAN EEN MS-NET IN GAIA Voor de demonstratie van de fase-aardsluiting worden een MS-net en een enkel aangesloten LS-net gemodelleerd. Extra aandacht wordt besteed aan de mogelijke impedanties naar aarde. Voor het MS-net staat een werkelijk bestaand net model. Dit bestaat uit een HS/MS-voeding en het net zelf. HS/MS-onderstation: S nom : 60 MVA U nom : 10 kv Locale stationsaarde: 0,2 Ohm Aantal MS-richtingen: 20 Totale lengte afgaande richtingen: 250 km Aardingsystematiek: zwevend net Aantal MS/LS-distributiestations: 350

5 pmo Belangrijke invloed op het proces heeft de capaciteit van alle aangesloten MS-kabels naar aarde. Deze capaciteit heeft een blindstroom tot gevolg, waardoor in het gehele MS-net een hoeveelheid blindvermogen van Q = 2,356 kvar wordt opgewekt, corresponderend met een blindstroom van 137 A. U nom = V Lengte = 250 km C = F/km C totaal = Lengte C = F ω = 2π 50 rad/s X = 1/(Lengte ω C) = 42.5 Ohm Q = U 2 nom /X = var Een gemiddeld LS-net wordt gevoed vanuit een MS/LS-distributiestation. Er gaan 5 LS-richtingen weg van elk 400 m, waarop 60 woningen per richting zijn aangesloten. Er is uitgegaan van een TN-stelsel. MS/LS-distributiestations: S nom : 400 kva U nom : 0,4 kv Locale aardingsimpedantie: 2 Ohm Aantal afgaande richtingen: 5 Totale lengte afgaande richtingen: 5 x 400 m Aardingsystematiek: TN Aantal aansluitingen: 5 x 60 woningen Het gecombineerde MS- en LS-net ziet er dan als volgt uit. Gemodelleerd zijn: - HS-voeding - HS/MS-onderstation - de equivalente capaciteit van 250 km MS-kabel - de equivalente aarde van alle 20 MS-richtingen - één MS-richting van 10 km - één distributiestation met een eigen stationsaarde - het LS-net met 5 richtingen - een knooppunt waar de fase-aardsluiting kan worden gemaakt HS/MS-Onderstation V Link 250 km MS-kabel LS LS-A1 100 m 150 Al A1 A2 A3 A4 A1-A2 100 m 95 Al A2-A3 A3-A4 Distributiestation MS-richting m 95 Al 400 kva LS-B1 100 m 150 Al B1 B2 B3 B4 B1-B2 100 m 95 Al B2-B3 B3-B4 C1 C2 C3 C4 Equivalente aarde MS Aarde MS/LS-station LS-C1 100 m 150 Al C1-C2 100 m 95 Al C2-C3 C3-C4 Link Link D1 D2 D3 D4 LS-D1 100 m 150 Al D1-D2 100 m 95 Al D2-D3 D3-D4 E1 E2 E3 E4 Kortsluitpunt MS LS-E1 100 m 150 Al E1-E2 100 m 95 Al E2-E3 E3-E4 Link

6 pmo 4 MODELLERING VAN DE AARDING IN HET MS- EN HET LS-NET Het HS/MS-onderstation heeft een aardingsimpedantie van 0,2 Ohm. Elk MS/LS-distributiestation heeft een aardingsimpedantie van 2 Ohm. In de berekening is ervan uitgegaan dat 20 MS-richtingen op het onderstation aangesloten zijn. In alle MS-richtingen bevindt zich gemiddeld elke km een MS/LS-distributiestation. Met deze uitgangspunten volgt voor de equivalente aardingsimpedantie van het gehele MS-net, gemodelleerd bij het onderstation: Z eq,totaal = 0,05 Ohm. Onderstationsaarde: 0,2 Ohm Distributiestationsaarde: R aarde = 2 Ohm Equivalente aardingsimpedantie (Van Waes) Z eq Z = 2 scherm + Z 2 scherm 4 + Z scherm R aarde met: Z scherm = lengte sectie ρ/a = 0,34 Ohm per sectie Dus: Z eq = 1 Ohm per MS-richting Equivalente aarde bij het onderstation: Z eq,totaal = Z eq /20 = 0,05 Ohm totaal voor 20 MS-richtingen De aarding in het LS-net is verspreid over alle aansluitingen. In een LS-net waar het TN-stelsel is toegepast, is theoretisch geen verbinding met aarde aanwezig. Het enige aardpunt bevindt zich bij de MS/LS-distributietransformator. In praktijk echter, is er altijd wel ergens een verbinding met aarde aanwezig. In de volgende rekenvoorbeelden gaan we achtereenvolgens uit van: - geen verbinding met aarde in het LS-net - aardimpedantie gemiddeld 100 Ohm per aansluiting - aardimpedantie gemiddeld 10 Ohm per aansluiting

7 pmo 5 BEREKENING VAN DE FASE-AARDSLUITING IN HET MS-NET 5.1 Geen verbinding met aarde in het LS-net Eerst wordt een fase-aardsluiting op de MS-zijde bij het distributiestation gesimuleerd indien in het LS-net geen verbinding met aarde is. Alleen in het distributiestation zelf is een aardelektrode van 2 Ohm aanwezig. Aangezien het MS-net zwevend is, gaat de spanning van de gestoorde fase naar nul. De andere twee fasen krijgen de gekoppelde spanning. De kortsluitstroom is 491 A. Spanningen op knooppunt Distributiestation im(u) (V) Uab (9801 V) Uac (11808 V) Ubc (10294 V) re(u) (V) De kortsluitstroom van 491 A loopt ter plekke van het distributiestation van de gestoorde fase naar de aarde. Aangezien het gehele MS-net capacitief met aarde verbonden is, zal door de verhoogde spanningen van de gezonde fasen een vereffeningsstroom lopen, die deels ook door de aardelektrodes bij het distributiestation loopt. Deze stroom is 140 A. Bij een aardelektrode van 2 Ohm levert dit een spanning op de PE op van 280 V. Onderstaand diagram toont dit aan. De nulpuntsverschuiving is in dit geval zelfs groter dan de normale fasespanning. Deze spanning blijft staan totdat de kortsluiting wordt afgeschakeld. Dat kan voor deze fout lang duren. In dat geval is het net aanrakingsonveilig.

8 pmo

9 pmo 5.2 Aardimpedantie gemiddeld 100 Ohm per aansluiting In geval van een verspreide aarde van 100 Ohm per aansluiting, brengen we op elk knooppunt in het LS-net een equivalente aardelektrode aan van 6 Ohm. Aarding van aansluitingen: Aanname 100 Ohm per aansluiting In het model 15 aansluitingen per 100 m kabel Dan impedantie aardelektrode 6 Ohm per knooppunt (=100/15) Dit heeft tot gevolg dat de spanning op de PE al beter is dan in de vorige situatie. De nulpuntsverschuiving is nu 91 V. Het net is nog wel aanrakingsonveilig, indien de kortsluiting lang blijft staan.

10 pmo 5.3 Aardimpedantie gemiddeld 10 Ohm per aansluiting In geval van een verspreide aarde van 10 Ohm per aansluiting, brengen we op elk knooppunt in het LS-net een equivalente aardelektrode aan van 0,6 Ohm. Dit heeft tot gevolg dat de spanning op de PE beter is dan in de vorige situatie. De nulpuntsverschuiving is nu 20 V. Het net is nu aanrakingsveilig. 6 CONCLUSIE Met Gaia versie 5.3 zijn MS-componenten gemodelleerd voor het negengeleidermodel, waardoor het mogelijk is geworden om de invloed van storingen in het MS-net op het LS-net te bestuderen. Een van de situaties is een fase-aardsluiting in het MS-net. Deze heeft een nulpuntsverschuiving tot gevolg, waardoor een onveilige situatie in het LS-net zou kunnen ontstaan, zeker indien de kortsluiting lang blijft staan. Als alle verbindingen met aarde nauwkeurig worden gemodelleerd, kan een uitspraak worden gedaan of deze situatie inderdaad tot onveilige situaties leidt of niet. De verwachting is overigens dat een fase-aardsluiting in het MS-net in de meeste gevallen niet tot onveilige situaties leidt, vanwege de grote hoeveelheid verborgen aarding in de netten.