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Verhalten des Drehstromtransformators für unsymmetrische Netzzustände im Verteilnetz

Batorowicz, Damian Stanislaw (2021):
Verhalten des Drehstromtransformators für unsymmetrische Netzzustände im Verteilnetz. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019700,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Verhalten des Drehstromtransformators für unsymmetrische Netzzustände im Verteilnetz
Language: German
Abstract:

Als Standardmodell jedes Drehstromtransformators gilt die T-Ersatzschaltung eines Zweiwicklungstransformators, welche für die Netzberechnung in einem symmetrischen elektrischen Drehstromnetz eingesetzt wird. Diese Ersatzschaltung wird von einem detaillierten geometrischen Modell mit validen Vereinfachungen für die Netzberechnung im Niederfrequenzbereich abgeleitet. In dieser Arbeit wird ein alternatives Modell des Drehstromtransformators untersucht, welches für die Netzberechnung unsymmetrischer Netzzustände infolge einer Spannungsunsymmetrie geeignet ist. Das Modell bildet das Verhalten für ausgewählte Fehlerfälle besser nach als die T‑Ersatzschaltung. Darüber hinaus ermöglicht das Modell, welches als topologisch korrektes Modell (TK‑Modell) bezeichnet wird, einen höheren Freiheitsgrad bei der Berücksichtigung des geometrischen Aufbaus des Drehstromtransformators.

In dieser Arbeit wird auf die Ausbreitung einer Spannungsunsymmetrie in Energieversorgungssystemen sowie auf ihre Auswirkung auf einen Drehstromtransformator eingegangen. Als Drehstromtransformator wird ein dreiphasiger Leistungstransformator mit einem gemeinsamen Eisenkern für drei Leiter ausgewählt. Weiterhin werden allgemeine Erkenntnisse über die Strangspannung bei unsymmetrischen Netzzuständen gewonnen. Der unsymmetrische Netzzustand wird durch eine Spannungsunsymmetrie an den Transformatorklemmen nachgebildet. Das Verhalten des Drehstromtransformators unter Berücksichtigung dieser Fehlerbetrachtung wird theoretisch beschrieben. Anschließend wird eine Ersatzschaltung des topologisch korrekten Modells in symmetrischen Komponenten abgeleitet. Diese Darstellung bietet die Möglichkeit, die magnetische Kopplung zwischen den Schenkeln im Transformator bei einem unsymmetrischen Netzzustand theoretisch zu analysieren und zu bewerten.

Im Anschluss wird ein elektrisches Energieversorgungsnetz mit einer einpoligen Leiterunterbrechung analysiert. Einerseits verursacht diese Fehlerart Probleme mit seiner Erkennung durch herkömmliche Netzschutzeinrichtungen. Andererseits ist sein elektromagnetisches Verhalten stark vom geometrischen Aufbau und der für ein Netzgebiet typischen Sternpunktbehandlung abhängig. Ein Ziel dieser Untersuchung ist die Ermittlung der Leiter-Erde-Spannung am Netztransformator in Netzen mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien. Dafür werden typische Schaltgruppen und unterschiedliche Sternpunktbehandlungen im Netz untersucht.

Die Windenergieanlagen werden sowohl als doppeltgespeister Asynchrongenerator als auch als Vollumrichter nachgebildet. Durch die in den Netzanschlussbedingungen geforderte dynamische Spannungsstützung beteiligen sich die Windenergieanlagen aktiv an der Regelung der Blindstromeinspeisung bei Spannungseinbruch im Mit- und Gegensystem. Dies hat eine symmetrierende Wirkung auf die Spannung, besonders im unsymmetrischen Kurzschlussfall. Der Einfluss der Windenergieanlagen mit aktiver dynamischer Netzstützung bei einer Leiterunterbrechung wird in dieser Arbeit aufgezeigt.

Zudem haben unsymmetrische Netzzustände eine direkte Auswirkung auf die Erdschlussströme und die Spannungsverlagerung. Diese sind je nach Sternpunktbehandlung eines Drehstromnetzes und gültiger Personenschutzmaßnahmen wichtige Kriterien für die Auswahl geeigneter Schutzeinrichtungen. Unsymmetrische Netzzustände, im Besonderen die einpolige Leiterunterbrechung, sind durch die vorhandenen Schutzeinrichtungen schwer im Drehstromnetz zu detektieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode zur Erkennung der Leiterunterbrechung ausgearbeitet. Durch eine Überwachung der Leiter-Erde-Spannung ist es möglich, einen unsymmetrischen Belastungszustand der Schenkel im Fall einer Leiterunterbrechung zu erkennen und bei Überschreitung eines Grenzwerts eine Anregung bzw. ein Meldesignal für die Netzleitstelle bereitzustellen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The equivalent T‑network of any two‑winding transformer qualifies as the standard model of three‑phase transformers that is used for the network calculations in electrical three‑phase systems. This equivalent T‑network is derived from the detailed geometrical model of the transformer with some simplification for the network calculations in the low frequency range. This thesis investigates an alternative model of a three‑phase transformer for the calculation of an unbalance network states due to the voltage unbalance conditions. This alternative model reproduces the behaviour of some kind of network failures better than the equivalent T‑network. Furthermore, this model shortly named topology-based model (germ. TK‑Modell) enables the possibilities to involve the geometrical topology of the transformer core.

This thesis investigates the propagation of voltage unbalance in an energy supply system and its impact on the three‑phase transformer. The three‑phase transformer is represented by the three-legs core-type power transformer. Furthermore, the knowledge about the phase-element voltages on the winding of the transformer are obtained during the voltage unbalance. This voltage unbalance on the terminal of the transformer is the reason of the unbalanced network state. The theoretical description of the network unbalance contains the description of behaviour of the three‑phase transformer under consideration of fault conditions. Furthermore, the equivalent circuit of the topology‑base model of the three‑phase transformer is derivate for the calculation in symmetrical components. This equivalent circuit supports the analysis and evaluation of the magnetic coupling between the limbs of the transformer under the voltage unbalance.

Furthermore, the conductor continuity one‑phase fault is investigated in an electrical energy supply system. On the one hand, the network protection equipment has some difficulty with a triggering of this fault type. On the other hand, the behaviour of the electrical network depends on the geometrical dimensions of the transformer's core and on the neutral point treatment of the network during the conductor continuity fault. The main goal of this thesis is the investigation of the phase voltage on the terminal of the power transformer in model network with high integration of renewable energies. This investigation considers different types of vector group and neutral point treatment in the electrical network.

The double-feed asynchronous generator and the full‑size converters represent the wind energy plants modelled in this thesis. As stipulated in the connection conditions at the network connection point, the wind energy plants take the part in the supporting the voltage in the network. Therefore, the wind energy plants are feeding the reactive current in the positive and negative sequence system directly proportional to the under‑voltage conditions in positive and negative sequence system. Thus, supporting the voltage has a positive impact on the reduction of the voltage unbalance; especially in a case of an unbalanced short‑circuit conditions in the electrical network. The part of this thesis is investigation of the participations levels of the wind energy plants with the active supporting of voltage during the one-phase series fault.

Moreover, the unbalanced network states have impact on the ground current and on the neutral point displacement voltage. These depend on the neutral point treatment in three‑phase network and the personal protection measures. Both are important for an assortment of the suitable protection equipment. The unbalanced network states with a special consideration of the one-phase series fault are difficult to show in three‑phase network by standard protection equipment. The method of the detection of the series fault is elaborated in this thesis. The monitoring of the line-to-earth voltage makes the detection of the unbalanced load of limbs possible in a consequence of the conductor continuity one‑phase fault. Due to exceeding, the setting value a trigger or status signal can be sent to a control centre.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XVI, 187 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electrical Power Systems > Electrical Power Supply with Integration of Renewable Energies
Date Deposited: 20 Dec 2021 08:28
Last Modified: 20 Dec 2021 08:28
DOI: 10.26083/tuprints-00019700
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197005
Referees: Hanson, Prof. Dr. Jutta ; Leibfried, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 15 September 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19700
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