Eindhoven University of Technology MASTER Reductie van stoorspanningen in hoogspanningsonderstations door beter aarden : een EMC- onderzoek Wiercx, Frans K.A.M. Award date: 1988 Link to publication Disclaimer This document contains a student thesis (bachelor's or master's), as authored by a student at Eindhoven University of Technology. Student theses are made available in the TU/e repository upon obtaining the required degree. The grade received is not published on the document as presented in the repository. The required complexity or quality of research of student theses may vary by program, and the required minimum study period may vary in duration. General rights Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
Transcript
Eindhoven University of Technology
MASTER
Reductie van stoorspanningen in hoogspanningsonderstations door beter aarden : een EMC-onderzoek
Wiercx, Frans K.A.M.
Award date:1988
Link to publication
DisclaimerThis document contains a student thesis (bachelor's or master's), as authored by a student at Eindhoven University of Technology. Studenttheses are made available in the TU/e repository upon obtaining the required degree. The grade received is not published on the documentas presented in the repository. The required complexity or quality of research of student theses may vary by program, and the requiredminimum study period may vary in duration.
General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
Reductie van stoorspanningen in hoogspanningsonderstations door beter aarden;
Een EMC-onderzoek
door: F.K.A.M. Wiercx
EH.88.A.99
De afde11ng der Elektrotechn1ek van deTechn1sche Un1vers1te1t E1ndhoven aanvaardt geen verantwoorde11jkhe1d voorde 1nboud van stage- en afstudeerverslagen.
Afstudeerwerk verricht o.l.v.
Prof.dr.ir. P.C.T. van der Laan
Or. A.P.J. van Oeursen
T E C H N I S C H E U N I V E R SIT E I T E I NOH 0 V E N
Summary
Fast rising transient currents occur when a power transformer isconnected to the 150 kU grid. The magnetic field induces voltagesin the control circuits of the transformer, which may causemalfunctioning and sparking.Two measures that reduce the interference voltages are:1) the installation of metal ducts grounded at the transformer
and in the control room; the auxiliary wiring is placed in theducts.
2) the (re)construction of the grounding grid in order to offerthe transient current a logical return path.
Both measures are tested in the substation Den Bosch Noord of theNU PNEM. Experiments are done with different ducts between thecontrol room and the powertransformer. The interference voltagesmeasured in the controlroom are reduced by factors ranging from25 up to 106 •
We measured the current flow in the grounding system near thetransformer with and without extra grounding electrodes.In the measurements a high voltage capacitor pulse sourcegenerates a transient current. The source produced a reproducibledamped sine wave of ~~O kHz, with an amplitude comparable to thatoccuring at a real switching operation.
2
Inhoud
1. Inleiding
2. Oorzaak stoorspanningen in secundaire bedrading
5
7
2.12.22.3
Hoogfrequente stromen in het aardnetUitschakelen van een onbelaste transformatorInvloed van de blusspoel en aardingssmoorspoel
91111
3. Injecteren van een kunstmatige stoorstroom 1~
3.13.2
De pulsbronstoorstroom gelnjecteerd in vermogenstransformator
1618
~. Een experimenteel kabelcircuit 19
~.1
~.2
~.3
stoorspanningen in secundaire circuitsFrequenties waargenomen in de gemetenstoorspanningenDemping van HF-componenten in destoorspanning ten gevolge van een losse goot
20
23
25
5. Maatregelen ter reductie van stoorspanningen
6. Secunda ire bekabeling in gootstructuren
28
29
6.16.2
6.3
Experimentele gootstructurenDe transferimpedantie6.2.1 Transferimpedantie van goot-configuraties6.2.2 Metingen van transferimpedanties
Conclusie transfer-karakteristieken
3337~O
~2
~5
7. stoorspanningen bij gebruik van goot-systemen ~6
7.1 Hoogfrequente componenten van de stoorspanning ~9
B. Aardnet modellen 50
B.l Aardingsnetwerk rond de transformator 55B.2 Experimenten met de aardnetstructuur 58
B.2.1 stroomverdeling rond de transformator 59B.2.2 stroomverdeling bin~en bedieningsgebouw 62B.2.3 Brandblusinstallatie 65B.2.~ Experiment met latoenkoperen
aardnet-verbinding 66
S. Stoorspanningen bij verschillende Bardnetconfiguraties 67
10. Conclusie stroomverdelings- en stoorspanningsmetingen 6S
3
11. Meettechniek 70
11.1 Stroommetingen. meetopnemers en integratoren 7011.1.1 De Rogowski spoelen 7011.1.2 De integratoren 7311.1.3 De Pearson spoelen 77
11.2 Spanningsmetingen 7711.3 Meetkabels en de meetkast 78
12. Slotconclusie 80
13. Literstuur 82
l lL Foto impressies van de meetdagen 85
BiJlage:
I. Schema 150 kU-gedeelte station Den Bosch NODRD
II. Gevoeligheden van de gebru1kte meetsensoren.
1, Inleidinq,
In 1880 is dee~ de NV PNEM een ende~zeek ve~~icht nBa~ deeve~spBnningen in de beveiligings- en bestu~ingsBppa~atuu~van deende~statiens Den Besch WEST en Den Besch NOORD, (lit, lJ
Tijdens het ende~ spanning b~engen van de t~ansfe~mate~en t~aden
hie~ eve~spanningen en eve~slagen ep in de bestu~ings- enbeveiligingsci~cuitsvan de t~ansfe~mate~en,
Zeals geb~uikelijk bij de PNEM we~den de signalen van e,a det~ansfe~mate~en, ve~megensschakelaa~s, scheide~s etc, eve~ mee~
ade~ige UMvK kabels naa~ het bedieningsgebeuw gevee~d, In DenBesch WEST we~den deze signalen in zegenaamde C~een kasten eve~
centact~ails met zegenaamde the~mepeint-ve~bindingen
(ve~bindingen waa~bij de d~aden ep kleine dicht ep elkaa~ staandepennen zijn gelast) nBa~ de ve~schillende bestu~ings- enbeveiligingsci~cuits gevee~d, Hie~ zijn eve~slagen epget~eden
tussen mee~de~e the~mepeint-pennen, De PNEM heeft tussen dezepennen spanningen gemeten van ca, 3000 velt.In Den Besch NOORD we~den de signalen via centact~ails metsch~eefve~bindingen naa~ de ve~schillende ci~cuits gevee~d, Deafstanden tussen de ve~schillende centacten is hie~ g~ete~ dan inDen Besch WEST. Ove~slagen t~aden hie~ ep In de appa~atuu~,
tussen p~intbanen en/ef tussen bevestigingsbeugeltjes van ~elais
en paneeldelen, De bet~effende appa~atuu~ ~aakte telkens defect,Oek hie~ zijn spanningen gemeten van ca. 3000 velt,
Men censtatee~de dat de eve~spanningen tet de helft we~den
ge~educee~d wannee~ men ve~bindingen aanb~acht tussen de t~ans
fe~mate~ en zijn b~andblusleidingenef tussen de t~ansfe~mate~ enhet 10 kU censt~uctie-juk,
Deze metingen wa~en aanleiding vee~ een mee~ uitgeb~eid ende~
zeek, in epd~acht van de PNEM dee~ de KEMA in 1880 in Den BeschWEST uitgevee~d, De spanning- en st~eemve~delingenzijn gemetenin het aa~dnet ~end de t~ansfe~mate~. De f~equenties van degemeten (stee~)spanningen en st~emen wa~en ci~ca 500 kHz. (Lit,2J Het ~appe~t neemt twee megelijkheden em de stee~spanningen te~educe~en: de Ba~dimpedantie van de t~ansfe~mate~ ve~lBgen enBfgesche~mde kabels geb~uiken.
In Den Besch NOORD is t~Bnsfe~mate~ 2 daa~em vee~zien van eenext~a "heegf~equent" Ba~ding dee~ middel van vier, rend detransfe~materbak aangebrBchte, BBrdelektreden. Oek ziJn de UMvKkabels ep de transfermater vervangen deer een afgeschermd t~pe,
5
Wat in al deze rapporten ontbreekt zijn adviezen aan de hand vaneen algemene aardings- theorie en/of filosofie die behalve met deaardingstechniek in het kader van SO Hz energievoorziening en dedaarbij behorende veiligheidsaspecten ook rekening houdt met destorende invloeden van hoogfrequente transi~nte schakelverschijnselen. In 1983 heeft de UDEN een drietal rapportengepubliceerd waarin deze laatste wel genoemd worden. (Lit. 3)
Een algemene aardingstechniek wordt gevonden in de ENC theorie.ENC betekent [lectro~gnetic ~ompatibilit~i dit begrip zoumen kunnen omschrijven met: "Het goed laten functioneren vanelektron1sche of elektrotechnische apparaten in elkaarscmgeving". (Lit. ~J
Contacten tussen de PNEN en de Technische Universiteithebben geleid tot een onderzoek naar methoden om deningen in onderstations te reduceren.
Eindhovenstoorspan-
In het kader van dit onderzoek zijn een groot aantal experimentenuitgevoerd in het schakelstation Den Bosch NOORD. Na veelvoorbereidend werk op de Technische Universiteit Eindhoven werdgedurende drie dagenj 11, 25 en 26 mei 1988, 1ntensief gemeten.Een foto impressie van deze meetdagen wordt in hoofdstuk 1~
gegeven.
Op grond van de theorie en de meetresultaten stellen we eenaantal aardingstechnieken voor die de stoorspanningen reducerenmet een factor 25 tot 10·.
6
2. Qorzaak stporsDanning in secundaire bedrading.
De stoorspanningen worden meestal veroorzaakt door in de ruimteverdeelde magnetische fluxen. Deze stoorspanningen kunnen grootzijn wanneer stoorstromen grote amplitudes en hoge frequentieshebben, waarden van 100 Ampere bij ~OO kHz zijn gemeten inaardleidingen.Als men bij beschouwingen BaD de hand van een model te makenheeft met in de ruimte verdeelde fluxen moet men zich terdegerealiseren dat de spanningswet van Kirchhoff ni.t correct is.[Lit. 5J De tweede wet van Maxwell: ~
f •.~ • - -at"
is echter altijd juist , voor elk. kring. 0. ..tnduceerdespanningen zijn Diet in een bron te lokaliseren; ze kunnen overelke onderbreking optreden en aanleiding geven tot bijvoorbeeldoverslagen.
0, •• 'ra..'er.,ter
... .. loo~F
Detllnlfornutor
AIr ... t
II .. t .. 111..1••••• ~•••j-----------------------III
f1guur e.l Invlaed _grwti8Che ~ldttn.
Een hoogspanningstransformator is voorzien van een aantal signaleringscontacten; in figuur 2.1 is er IAn getekend , 51. Viameeraderige kabels worden de signalen doorgegeven Dear deapparatuur in bedieningsruimte. De gehele besturing van eenstation is bij de PNEM DC-gejsoleerd ten opzichte van aardeuitgevoerd. Bij wisselspanningen ontstaan er door parasitairecapaciteiten koppelingen Dear Bards. De capaciteit tussen dekabels en het transformatorhuis eCl 'in figuur 2.1) is in de ordevan 100 pro De parasitaire capaciteit tussen de bedrading die vande transformator afkomt en de geaarde kasten in de bedieningsruimte DoomeD we C2. Deze condensator kan worden gezien als eenkleine capaciteit met een lage doorslagspanning. De verdeeldeparasita1re capac1teiten van de overige bedrading in hetbedieningsgebouw worden voor de plus- en minvoed1ng in hetbedieningsgebouw voor lage frequenties geschat op 50respectievelijk 10 nr. [Lit. 2J
7
De plaats waa~ de ove~slagen opt~eden (bij C2) geeft Ban dat deve~deelde capaciteiten C3 en C~ minde~ juist zijn bij f4equentiesvan de sto~ing.
Ue~onde~stel dat B4 zich in de buu~t van beide systemen eenstoo~st~oomvoe~ende geleide~ met bijbeho~end Blekt~omagnetisch
veld bevindt, dan wo~den de in f1guu~ 2.1 gea~cBe~de oppe~vlakken
van belang. In de g~ofgea~cee~de Ius tussen de kabel, det~ansfo~mato~, de kasten en het aa~dnet wo~dt een spanninggelnducee~di de common-mode spanning, deze zal zich ve~delen ove~
de pa~asitai~e capacite1ten.In de fijn gea~cee~de lus wo~dt ook Ben spanning gelnducee~d, dediffe~ential-mode spanning.Is de ve~houding tussen de oppe~vlakken voldoende g~oot enbedenkt men dat de ade~s in sen kabel getwist liggen dan zal decommon-mode spanning vele malen g~ote~ zijn dan de diffe~ential
mode spanning.
In de appa~atuu~ van de PNEM zijn in het bedieningsgebouwove~slagen geconstatee~d tussen de "geschakelde plus" en aa4de.(als ve~meld in de inleiding). Ook zijn spo~en van gecomplicee~de
ove~slagen aanget~offen, die hebben plaatsgevonden tussen de"geschakelde plus", de "min" en aa~de. De plaats van al dezeove~slagen bevestigt de conclusie dat de common-mode spanningh1e~ de oo~zaak van de p~oblemen is.
De condensato~ C2 is in het bovenve~noemde model de zwaksteschakel, in de p~aktijk zijn niet beme~kte doo~slagen in de buu~t
van Cl echte~ zee~ weI mogeliJk.
B
2.1 HogQfregyente strgmen in bet aardnet.
In figuur 2.2 is een eenvoudig model van een transformator meteen aantal parasitaire capaciteiten weergegeven. [Lit. 6J Uoorbet boogfrequent gedrag zijn de capaciteiten aan primaire zijde,onder andere de capaciteiten van de doorvoerisolatoren, betbelangrijkste.
I c
-------------------------------------------,I II Tr...lor••lor II JI II II IJ I
Figuur 2.2 Eenvoudig transformator model voorboogfrequente signalen.
Bij bet inscbakelen van de transformator worden de polen van devermogensscbakelaar niet gelijktijdig gesloten. Enkele oorzakenbiervoor zijn:
Mecbaniscbe speling op de aandrijving.
Dngelijke lengte van de afbrand-stiften. het ongelijkefbranden kan ontstaan bij afsc.bakelen van forse stromen.
9
van
voor-dan treedt(Lit. 7J
het moment
Door voordoorslag.De contacten in de vermogensschakelaar naderen elkaar met desnelheid Ui. De doorslag veldsterkte van het isolatie mediumis Ed.De afstand tussen de contacten is na het inschakelcommandoeen functie van de tijd: dCt).Is de spanning over de schakelaar UCt),doorslag op als: Ed.dCt) - Ed.Ui.t - uct)Deze voordoorslag zal afhangen van1nschakelen ten opzichte van de 50 Hz.
Bij 1nschakelen zal ar alt1jd aen fase zijn die het eerste "IN"is. De schakeling volgens figuur 2.3 ontstaat dan.
Figuur 2.3 Schakeling die entstaat bij aen A!n-fase inschakeling
De capaciteiten vermen samen met de inductiv1teit van hetcircuit, gevermd deer de heegspanningslijnen an het aardnet, aentrillingskring. die ep het mement dat de schakelaarpeel sluit eentransiente streem in hat aardnet zal deen entstaan.
U1t de metingen bij het 1nschakalen bl1jkt dat deze streem steedsvr1j censtant van greetta an verm is. De streem haeft steeds aenfrequent1e van circa ~OO KHz an aen amplitude van circa 2~0
Ampere (tep). '
Bij het -IN-kemen"varschijnselan insteerspanningen isveldeende.
van de 2e an 3e peel ontstaan oek trans1entehet aardnet. Ueer de baschr1jving van dede bescheuw1ng van de 1- peel echter reeds
10
2.2 U1tschakelen van een onbelaste transformator.
lijdens het u1tschakelen ontstaan eveneens transientehoogfrequente stromen in het aardnet rond de transformator. Devermogensschakelaar kan namelijk ~ij het uitschakelen van een"kleine induct1eve" stroom "choppen" d.w.z. de stroom vOOr destroomnuldoorgang onder~reken. Bij d1t ·choppen" ontstaat er eenspanningsCop)slingering die de vermogensschakelaar kan herontsteken en hier~1j kan zich dan een "inschakelversch1jnsel"voordoen, zoals ~eschreven ~ij het inschakelen.
Het ·choppen" heeft een statistisch karakter omdat het van zeerveel parameters afhankelijk is. Dit zal tot gevolg hebben dat heteventuele herontsteken eveneens een zeer statistisch karakterheeft.
De grootte van de storingen tijdens het uitschakelen zullenhierdoor veel variatie vertonen in amplitude en vorm.
2,3 Invloed van de blussopel en aardingssmoorspoel.
Bekijken we het schema van een transformator-veld 2station Den Bosch NDDRD, in figuur 2.5, dan zien weslechts op twee plaatsen in het transformator-circuit eenverbinding tussen het hoogspanningsapparatuur en het~estaat. 2ie ook het schema van het 150 kU gedeeltestation in bijlage I.
Deze plaatsen zijn:
-De ~lusspoel in het sterpunt aan primaire zijde.
in hetdat erdirecteaardnet
van het
Het sterpuntsterpuntrailaangesloten.
wordt gejsoleerd uitgevoerd en kan via eenop een van ~eide Petersen ~lusspoelen worden
Slechts in een aantal onderstations is een ~lusspoel
aanwezig. Indien er geen aanwez1g is wordt het sterpunt meteen overspanningsBfleider uitgevoerd.
lijdens het onder spanning ~rengen van een vermogenstransformator is de ~lusspoel altijd afgeschakeld, hetsterpunt wordt pas later ingeschakeld.
-De ~ardings~oorlPoel ASS. aan secundaire zijde.Wordt in de 11teratuur ook weI een nulpuntstransformatorgenoemd. [Lit. 8J
11
In pLincipe is de nulpuntstLansfoLmatoL eentLansfoLmatoL met een oveLzetveLhouding van 1:1.zijn in zigzag geschakeld. Zie figuUL 2.~.
dLiefasenDe spoelen
3 3 ~) ~--- --I~ I~ ~
~
I
T
a
FiguUL 2.~ De nulpuntstLansfoLmatoL
Met een deLgelijke schakeling wOLdt een steLpuntgecLeeeLd in het secundaiLe 10 kU spanningss~steem, dat dOOLde dLiehoekswikkeling in de veLmogenstLansfoLmatoL nog geenaaLdingsmogelijkheid had.
tangs deze wegen zullen geen stoOLstLomen in het aaLdnet vloeienwant VOOL deze hoogfLequente stLomen (bijvooLbeeld ~OO kHz enhogeL) VOLmen de bovenveLnoemde componenten geen goede aaLdveLbinding, bij inschakelen wOLdt de blusspoel zelfs met opzetuitgeschakeld. Tijdens het inschakelen is de tLansfOLmatoL Ban10 kU-zijde altijd onbelast, de ASS is peLmanent in het CiLcuitaanwezig.
Metingen van de hoogfLequente stLomen dOOL beide componentenbevestigen dit.
12
150k:
a1la
------------------~----------------------------RAIle M
..&II
Cu 1LOl1SOAI
. .f:.\'ROO"iO'~\>lC;'f~\i~
[illjI!>O
Naar blok BCeol 310
in.,.bcuwd in
._-....:...--_.......__~npod
W.v !l
'loLA12410bA
3. InJecteren van een kunstmatige stoorstroom.
In het onderzoek naar de effecten van de verschillendemaatregelen ter reduct1e van de stoorspanningen is gekozen voorhet meten met aen kunstmatig opgewekte stoorstroom.
D1t heeft de volgende voordelen:
er wordt steeds gebruik gemaakt van een goed raproduceerbarestoorstroom.
zonod1g kan de stoorstroom in amplitude en frequent1e Ban debehoefte worden aangepasti dit is t1jdens de met1ngen nietgebeurd.
er kan geheel los van het 150 kU-net worden gemeten.
de vermogensschakelaars hoeven n1et vele malen in- enuitgeschakeld te worden.De transformator moet uiteraard wel gebru1kt worden 1 maar isook geheel afgeschakeld van het net.
Ruim 120 experimenten , met b1jbehorende metingen hebben hierdoorkunnen plaatsv1nden.
De "stoorstroom" werd geleverd door een triggerbare pulsbron.Deze was b1j de stroomtransformator in de middelste fase , fase12 1 van het transformator-2-veld aangesloten. Deze stroomtransformator bevindt z1ch op 3,5 meter afstand van de vermogensschakelaar. Zie hievoor ook de dwarsdoorsnede van het transformatorveld in figuur 3.1.
De "koude" kant van de pulsbron was aangesloten op het aardnetter hoogte van de veldkast voor de vermogensschakelaar.
De vermogensschakelaar stond in de UIT-stand en de transformatorrailscheiders waren geopend en vergrendeld. Het circuit tussen descheiders en vermogensschakelaar was geaard. Zie de figuren 2.5en 3.1.
'11f\,1Ur 3.1 ..rlldaar..... Y8f'I tr..-For...tar-wtld ~ In.tat1on o.n B~ Naard.In de auto Hvindt zich ... pulebl an •••r... ~tr.ns18nte .toor~tr~ 1. negebootst 1n rase 12.
_. I
3.1 De pulsbrpn.
De pulsbron is speciaal voor dit onderzoek gebouwd; hij levert:
ssn steil spanningsfrontssn regelbare piekspanning van minstsns ~O kUsen hoge stroom. in ons geval meer dan 300 Ampere aan deprimaire transformator-aansluitingsen stroom met sen vaste frequentie van ~~O kHz
Het elsktrischs schema van de pulsbron is in figuur 3.2 getoond.
""I,.u'.r••I.r~ 11...----'
TRIGGER UIlIT
1.21 I
C
UI IF L
R2at kR1
t ... .25kV ::S t s 2
Figuur 3.2 Elektrisch schema pulsbron.
Een korte beschrijving van de werking wordt gegeven aan de handvan het schema in figuur 3.2. Met de gelijkspanningsvoeding wordtde condensator C via de wserstand R1 opgeladen. Binnen sen paarseconden is de condensator opgeladen tot een op de voedingingestelde waarde. Nu kan sr sen puls gsgensrserd worden door viade triggerunit de vonkbrug te laten doorslaan. Deze vonkbrugfungeert als snells schakelaar. Als de vonkbrug getriggerd wordt.ontlaadt de condensator zich over de spoel L. De stroom in de LCkring slingert uit met een frsquent~s gelijk aan 2w e 1/V1DE.
De spoel bestaat uit een winding. gsmaakt van een kopersn buis.Door een hoogspanningsdraad twee maal door deze buis ts voerenontstaat sr een secundaire wikkeling dis magnetisch goed isgekoppeld met de prima1re spoel L. De zo ontstane transformatorheeft een overzet verhouding van 1:2. Doorspreidingszelfinducties blijft de spanningsverhouding beperkt totcirca 1.7.
16
De secundaire winding vormt de uitgang. Dit heeft het voordeeldat de pulsbron galvanisch is gescheiden van het te exciterencircuit. De triggerunit is via een pulstransformator op devonkbrug aangesloten. In een van de elektroden zit een gaatje metdaarin een gersoleerde pen. De pulstransformator is aangeslotentussen deze pen en de elektrode. Wanneer de triggerunit getriggerd wordt. levert deze een korte hoogspanningspuls waardoor ertussen de pen en elektrode overslag optreedt. Dit op zijn beurtveroorzaakt overslag tussen beide elektroden. De afstand tussende elektroden moet dan wel juist zijn ingesteld.
Als de pulsbron niet operationeel is kan deze "veilig" gemaaktworden met behulp van de pneumatisch bediende schakelaars S1 en52. Met behulp van 51 kan eventueel aanwezige lading in decondensator via weerstand R2 worden afgevoerd. Met 52 wordt decondensator kortgesloten.S1 moet eerst ingeschakeld worden alvorens S2 kan worden bediend.
In hoofdstuk 1~i Foto impressies van de meetdagen. zijn enkelefoto's van deze pulsbron te zien.
17
3.2 Stoorstroom gelnlecteerd in de vermogenstransformato[.
Figuur 3.3 laat de stroom zien, gelnjecteerd in fase 12 van detransformator. Deze stroom is steeds als referentie gebruikt .
• , &Z...... , _ •• : a
8.5
-8.5
8.Bs is. SusTIM£
2S.Sus
Figuur 3.3 Gelnjecteerde stroom in fase 12.
De "zweving" in de stroom ontstaat doordat de resonantiefrequentie van het circuit, dat bestaat uit de lijn naar detransformator en Ben deel van het aardnet, in dezelfde orde vangrootte ligt als de frequentie van de pulsbron.De gelijkspanningsbron in de pulsbron was bij alle metingeningesteld op 22 kU. Aan de uitgang ontstond daardoor een spanningspuls van circa 37 kU top.
Gedurende alle 120 metingen bleef de stroom constant van vorm enbedroeg de variatie in amplitude slechts 5% .Proeven waarbiJ geBxperimenteerd i~ met verschillende Bardingsstructuren van de transformator (dus belastingen voor de pulsbron) , hadden weinig invloed op de stroom.
18
~. Een Bxperimenteel kabelcircuit.
Uoor de experimenten met de maatregelen ter reductie vanstoorspanningen was een speciaal kabel-circuit aangelegd.
Er was geen gebruik gemaakt van de bestaande stationsbekabeling.Deze bestond uit een grote hoeveelheid, elkaar vaak kruisende,kabels in betonnen goten. Het was niet praktisch om voor al dezekabels de wijze van aarden en/of afschermen consequent teveranderen of deze kabels in metalen kabelgoten te installeren,zoals voor een aantal experimenten nodig was. In plaats daarvanis een kabelverbinding speciaal voor dit onderzoek aangelegdtussen een bestaand meetpunt op de transformator en debedieningsruimte in het 10 kU-gebouw.Het meetpunt op de transformator was een, niet meer in gebruikzijnde, top-olie-temperatuursensor. Deze bevond zich in eenmetalen doos waarin tevens een aardingspunt aanwezig was. Op ditpunt werden voor de verschillende experimenten aders van detestkabel geaard. Hoe de verschillende aders van deze testkabelzijn gebruikt wordt in onderstaande figuur ~.1 geschetst .
.L Evulu,,' op detrualorllilorguard
Figuur ~.1 De testkabel.
De testkabel liep via een bestaande kabelboom over detransformator. Het traject van de transformator naar debedieningsruimte liep via een speciaal voor dit doel aangebrachtgat, in de muur van de transformator-box, door een gang naar debedieningsruimte. Op dit traject was overal voldoende ruimteaanwezig voor het installeren van kabelgoten. Zie ook figuur 8.7.
De lengten van de verschillende kabeltrajecten waren:
1) traJect op de transformator: 13m2) traJect tussen de transformator en de bedieningsruimte:
ca. 26m
15
Als testkabel zijn twee, door de PNEM veel toegepaste, kabelt~pen gebruikt:
1) een UMvK-kabel, vieraderig, ~ xl,S mm'
2) een afgeschermde5 x 1.5 mm'
kabel, merk JOBARCO, vijfaderig,
~.1 Stoorspanningen in secundaire circuits.
Wat is nu de grootte en aard van de stoorspanning die optreedtbij het schakelen van onbelaste transformatoren1 We gaan er hierweI van uit dat er aanvankelijk geen speciale maatregelen terreductie van stoorspanningen zijn getroffen zoals bijvoorbeeldhet gebruik van afgeschermde kabels, reductiedraden endergelijke.
Om een beeld van deze stoorspanning te krijgen zijn een aantalspanningsmetingen gedaan onder omstandigheden zoals die zich ookin de normale bedrijfssituatie voordoen. We concentreren ons opde common mode spanningen.
Het gevonden beeld van dit t~pe stoorspanningen kan voor meeronderstations gelden als men bedenkt dat in veel stations debekabeling nog op een traditionele manier is aangelegdi desecundaire bekabeling bestaat daar voor het merendeel uit meeraderige UMvK kabels en bevindt zich meestal in betonnen kabelgoten.
De spanningsmetingen zijn gedaan aan de speciaal voor ditonderzoek aangelegde UMvK-testkabel, zie hoofdstuk ~. De metingenziJn uitgevoerd met zowel het kabeluiteinde op de transformatoropen als geaard.
Met het kabeluiteinde open is een sensor met een geringecapacitieve koppeling naar de transformator nagebootst. AIleen deparasitaire capaciteit tussen de kabel en transformator is danvan belang. Is het kabeluiteinde geaard dan is dat te beschouwenals een sensor met een grote (capacitieve) koppeling.Doordat er in beide situaties metinQen zijn uitgevoerd is er eenonder- en bovengrens gevonden voor de mogelijke stoorspanning ineen secundair circuit.
20
In figuur ~.2 is een beeld geschetst van de situat1e b1j de h1erbshandelde ..tingen.
,/
i
" /~.-- ./
-----_.~
Y1E ETPL~'Y\TS, IN BEI:)\E NI\\le;s -, F\LJIMTE
Figuur ~.2 Het testkabel-circuit.
Transformator 2 is naast ziJn normale aarding op het stationsaardnet ook voorzien van sen extra aarding door middel van vier,op de hoeken van de transformatorbak aangebrachte,aardelektroden, (zie inleiding). Wanneer deze aardelektrodenworden los genomen ontstaat de Nnor~ale aardingssituatie". Dezesituatie komt overeen met die in veel andere stations.
De spanningsmetingen ziJn uitgevoerd in beide aardingssituaties.
Doordat aIle metingen zijn uitgevoerd bij excitatie met depulsbron is een vergelijking van de verschillende stoorspanningenmogeliJk.
21
De met1ngen z1Jn ook gedaan b1J het 1nschakelen en u1tschakelenvan de (onbelaste) transformator. Door de metingen uit beidegevallen met elkaar te verge11Jken is het mogeliJk om eenu1tspraak te doen in hoeverre de pulsbron-excitatie eenbenadering vormt voor het inschakelen met de vermogensschakelaar.
In figuur ~.3 is grafisch de grootte van de stoorspann1ngen in deverschillende situaties weergegeven. De maximale top-top waardevan de amplitude wordt getoond .
Audilg vu h lrauler••tor.p ht atalioll-urdut II••1 IItra urhl.elrod ..
Aardingssltuatie ,an de transformator
Figuur ~.3 Grafiek met common mode stoorspann1ngen.Acht met1ngen Ban de UMvK-kabel met het kabelu1teinde op de transformator zowel "open" als"geaard"
22
~.2 freguenties waargenomen in de gemeten stoorspapnincen.
Uit een frequentie-anal~se van de (common-mode) stoorspanningbliJkt dat deze is opgebouwd uit componenten met verschillendefrequenties. Door digitale filtering met behulp van het programmaVU-point1 worden deze afzonderliJk zichtbaar gemaakt. Voor defiltering van de komponent met de laagste frequentie is gebru1kgemaakt van een laagdoorlaat-filter met een kantelpunt biJ 650kHz en een transition frequentie van 2BO kHz. Filtering van decomponent met de hogere frequentie is gedaan met behulp van eenband-filter met als kantelpunten 650 kHz en 1200 kHz en eentransitionfrequentie van 2BO kHz.Door optellen van beide componenten en door de som met hetoorspronkeliJke signaal te vergeliJken bliJkt dat de opbovenstaande manier gefilterde componenten voor t ) 1 pS "waar"kunnen ziJn. Voor t < 0 geven ze een niet realistische weergave.
Steeds bezit de stoorspanning een component met dezelfdefrequentie als de stoorstroom in het aardnet. Deze is ~~O kHz biJexcitatie met de pulsbron en varieert tussen de 390 kHz en~10 kHz biJ het schakelen van de vermogensschakelaar.
In figuur ~.~a en ~.5a worden de stoorspanningen getoond die ziJngemeten biJ het inschakelen en biJ de pulsbronexcitatie.BiJ deze metingen was de kabel op de transformator geaard enwaren de extra aardelektroden losgenomen.De kabel lag in een plaatstalen goot die Ban beide ziJden waslosgenomen.In de figuren ~.~b, ~.~c, ~.5b en ~.5c ziJn de gefilterdespanningscomponenten getoond.
De belangriJkste component, naast die biJ circa ~OO kHz, heefteen maximale top-top waarde van circa 2000 V en een frequentievan BOO kHz, biJ pulsexcitatie ziJn deze waarden circa 2500 V en7BO kHz.
In andere situaties ziJn biJ stcorspanningsmetingen cokcomponenten met hogere frequenties geconstateerd,componenten hebben ook steeds sen dUideliJk Bandeel in destoorspanning.
steedsdeze
totale
1VU-pointi een digitaal data verwerkings programma voor een IBMPC/XI/AI van S-CUBED.Gebruikt is versie 1.2.
~.3 Demping van HE-componenten in de stporspanning ten gevolgeyan len lpsse goot.
De meer hoogfrequentl stoorspanningscomponenten worden bij hetgebruik van een plaatstalen goot gedempt. De goot hoeft hiervoorniet aan beide zijden geaard te zijn.TIn gevolge van de capaciteiten van de goot dicht bij detransformator en de meetplaats kan toch enige stroom in de gootlopen die de inducerlnde flux kleiner maakt.Loopt er stroom door de signaalkabel dan kan demping ontstaandoor wervelstromen die in het ijzer gaan lopeno Bij hogefrequenties is deze demping evenredig met de reciproke van deskindiepte [Lit. 9, 10J, dat wil zeggen met de wortel uit defrequentie.De dempende invloed op de meer hoogfrequente spanningscomponentenwordt geillustreerd door de figuren ~.6a en ~.6b. In het enegeval, figuur ~.6a, was de goot aan beide zijden losgenomen, inhet andere geval. figuur ~.6b, was de kabel uit de goot genomenen op voldoende afstand gelegd.
Beide metingen zijn gedaan bij "inschakelen". Dat bij beideinschakelingen een redelijk gelijke stoorstroom is ontstaanblijkt uit de 390 KHz spanningscomponenten. 1232 Uolt top-top en1192 Uolt top-top.
De spanningscomponenten met frequenties groter dan 390 KHz wordenfors gedempt: in plaats van ~173 Uolt top-top bij 1MHz wordt metde kabel in de goot een component van 1976 Uolt top-top bij800KHz gemeten.
In de tabel in figuur ~.7 zijn aIle stoorspanningen die gemetenzijn in de hiervoor beschreven situaties nog eens vermeld. Hierinzijn ook de maximale top-top waarden en bijbehorende frequentiesvan de belangrijkste spanningscomponenten weergegeven.
Duidelijk is er steeds een signaal aanwezig metvan circa 1 MHz. In enkele gevallen ziJn er ookhogere frequenties. Al deze signalen kunnen hetzeer complexe transmissieliJneffecten. [Lit. 11J
w- .. ..- .. .tOCX"'..-nn1".-"'palWnten.,e: LJ !- .!l ctC ac .! --L. IIJ -. Volt tap-tap, frlqulntil Yin hit lionill.... .~.--
24 I pi
!502 233 440 k 366 9S0 k 170 2.5 "- ~ - - - - - - -
114 i IN 1420 347 390 k 535 980 k 448 2 "- i ~ - - - - - - -27 !, , ow 2496 1760 440 k 1284 781 k- I • - i j - - - - - -- ..
11S W- I. 2576 820 410 k 1900 1 " 665 7.5 "-I- - - - - - - - - -52 , i I 915 657 440 k 5S4 1 "- I' - - - - - - - - -
113 I IN I 1984 489 410 k 731 1 " 644 1.9 " 552 5 "-..- - - - - - - - -4' II , 4864 3284 440 k 2538 773k- ~. ! - - - - - - -
111 ~i III j 3136 1232 390 k 1976 806 k- 'b - I- - - - - -112 • ... 5152 1192 390 k 4173 1 "
Figuur ~.7 Tabel met stoorspann1ngen en hoogfrequentecomponenten.De u1tgangss1tuatie is meting 112, h1er 11gt dekabel n1et in de goot; in de andere gevallen ligtde kabel in de goot die volledig van het aardnetgelsoleerd is.In de kolom -exc1tat1e" betekend P pulsbronexc1tet1e en IN het 1nschekelen met de vermogensschekeleerEr is geen meting gede8n met pulsbron-excitatiedie correspondeert met meting 112.
27
5. Maatregelen ter reductie yan stoorscanningen.
In de voorgaande hoofdstukken is getoond hoestoorspanningen ontstaan. H1eronder wordt d1tsamengevat:
ennog
waardoor deeens kort
1) bij 1nschakelen en soms bij uitschakelen ontstaat er eenhoogfrequente stroom die via het aardnet rond detransformator naar de bron wordt terug gevoerd.
2) het magnetisch veld behorende b1j deze stroom 1nduceert inkringen die ten dele door de secundaire leidingen van detransformator worden gevormd de stoorspann1ng.
Deze stoorspanning kan men reduceren door de 1nvloedmagnet1sche veld te verminderen. Dit kan in principemanieren gebeuren:
vanop
hettwee
a) Uerklein het oppervlak waarin het veld inkoppelt door voorde secundaire bekabeling een geschikt traject langs eenaardingsstructuur te vinden.
b) Modificeer de loop van de stoorstromen in het primairecircuit zodat de wederzijdse inductie met het secundairecircuit kleiner wordt. Een ruimtelijke scheiding van destroombanen is hiervoor gewenst.
Beide oplossingsmethodiekenuitgebreid aan de orde enexperimenten.
komen in de volgendeworden getoetst aan
28
hoofdstukkenuitgevoerde
6, Secunda ire bekabeling in gootstructuren,
Dat het voeren van de bekabeling langs een tak van het aardcircuit kan leiden tot spanningsreductie wordt aangetoond aan dehand van figuur 6,1 en enkele eenvoudige berekeningen,
~T
I•
~T
A 1
A 2
~l
B
~NI
Griguur E,l Ueldinkoppeling,
stroom I in leiding r veroorzaakt een magnetisch veld, Dit zalop ziJn beurt een spanning induceren over de punten C en D van dekring C-B-A-D, Deze spanning kunnen .. berekenen door hettoepassen van:
29
Bij verwaarlozing van de weerstand is voor decomponent van elektrische veldsterkte parallel aannul. Uan de kringintegraal over C-B-A-D blijft over:
geleiders dede geleider
"co •D
f£.dl • C
A ,
Cr ~.J I wLxB r c
U =-H,., 1~CD 0 ~ d~ _nc
S~el:
l-r
H = 1 m afs~and van ~ransforma~or boven de grQftd
l = 30 m afs~and ~ussen ~ransforma~or en
bedienings-ruim~e
r = 1 em dik~e aardleiding circa 2 em.c
I = 300 cos <w. ~) me~5 ",oor
w = 2n·400 kH2 dan iss~oor
~ = 754 • 10e
A/s
1U..u1t. ~~ ...~ Uco • 1800 Volt.
Uervolgens wordt tak G langs de signaalkabel aangebracht. dit kanbijvoorbeeld een reductiedraad zijn. Door tak G loopt eenstroom 12 zodanig dat de totale flux in de Ius omsloten door A2C-B gelijk Ban nul wordt. 12 wordt bepaald door de zelfinductie Lvan deze Ius en de inductiespanning ten gevolge van 1 in dezeIus. De laBtste stellen we gelljk Ban UCD zoals hiervoorber.h.ndi
met L _ ...~lft+ ..... _I._ • P I~.
De ..r.suc••r-de ...nnlng Ua. -.rdt ftU '-Paald IIaDr' tie r lux in hetgearceerde deel Al-A2-C-D; deze wordt hoofdzakelijk bepaald door12.
30
Wordt ook nu weer de spanning tussen C en D berekend:
D
JE.dlC
I: -
~ ,~ ~oJ J ~2~~~X- dx dh
A2
r c
(1+10 d
~ ~o J J2~h dh dxo r
r
Yoegen we aan de reeds aangenomen variabelen de volgende ~De:
d = 5 DIm
r = 1 mmr
a~s~and signaalleiding ~o~ de reduc~iedraad
di~ is in de ~iguur de a~s~and A1 - Aadiame~er reduc~iedraad is 2 mm
0. gereduceerde s~oorspanning is hiermee ~e berekenen wan~:
d
rr
Ua>. 180 Vol~
De stoorspann1ng is fors gereduceerd doordat de flux door C-B-A-Dten gevolge van de stroom I vr1jwel volled1g is gecompenseerddoor de flux ten gevolge van 12. De stoorspanning kan verderworden verminderd door het k1ezen van een "slimme" vormgevingvoor de verbinding G.K1est men biJvoorbeeld een gootsysteem dan wordt op nuttige wijzegebruik gemaakt van de magnetische veldverdeling rond deze goot.In het ideale geval wordt het veld zo omgeleid dat er geen (ofzeer we1n1g) flux door de h1erboven beschouwde kring wordt omvat.
31
Figuur 6.2 is een beeld geschetst van een signaalleiding die isgemonteerd in een goot of in een piJp.
'0••" oy.'oIftO"
Figuur 6.2 Gebruik van een goot of een pij~,
Bij deze methode moet de metalen structuur (in het vervolg wordtdeze aangeduid met de verzamelnaam "gootstructuur") goed wordenaangelegd. In de eerste plaats is de elektrische continulteitessentieel; !!n onderbreking is al voldoende om de stroom I z nietmeer te laten vloeien. Er ontstaat dan een grote stoorspanningover de onderbreking, die direct opgeteld moet worden bij UCD •
2ie figuur 6.1 In de tweede plaats moet men alert zijn op eengoede afwerking van de uiteinden van de gootstructuur. Net alsbij coaxiale kabels kan een sterke fluxinkoppeling optreden alsmen de mantel niet rondom, maar slechts met !!n "varkensstaart"of "pigtail- _IWlu1t, Z1. r1guur &.3
hrk....lurlj.
Over de mantel van een coaxiale kabel veronderstellen we eenstoorstroom I. Door de coaxiale geometrie geeft deze stoorstroomgeen magnetische flux door het gearceerde oppervlak rechts binnende kabel. In het linker gearceerde oppervlak koppelt de asymmetrische varkensstaart echter weI degelijk flux in. Een varkensstaart bederft daarmee de ontkoppeling van storing en signaal diede coaxiale kabel Juist kan geven.
32
6.1 Experimentele gootstructuren.
In het onderzoek ziJn experimenten gedaan met de volgende gootstructuren:
Geen goot.De UMvK ~ x 1,5 testkabel lag op de betonnen v1oer. 20werd de traditione1e manier van bekabe1en in betonnengoten gesimu1eerd.
Toepassen van reductiedraden.Een of twee Bders van de testkabe1 werden gebruikt a1sreductiedraden. Ze werden Ban de beide uiteindengeaard.Welke draden men kiest in een bunde1 heeft groteinv10ed op de reductiefactor van de stoorspanning.Uaak worden in de meeraderige kabe1s, die de door dePNEM worden toegepast. niet a11e aders gebruikt. Dezeworden dan Ban beide ziJden open ge1aten.
omdat eenaluminiumbedrading
P1aatverbinding.Er werd een 1atoenkoperen p1aat B1s "goot" gebruikt. Detestkabe1 werd in het midden hiervan bevestigd. Dep1aat was 200 mm breed en 0,1 mm dike De p1aat werdgoedge1eidend, met behu1p van een zi1verpasta. Ban detransformator bevestigd.Deze experimenten waren gewenstp1aatverbinding. van koper, iJzer ofeenvoudig in bestaande goten op of onder deis Ban te brengen.
Afgeschermde kabe1.Een vee1 door de PNEM toegepast t~pe kabe1 werdgebruikt. Deze meeraderige kabel, van het merk JOBARCO,heeft een afscherming met een vriJ open structuur. HiJwordt in gebieden waar de PNEM storingen verwachtgebruikt. BiJ het insta11eren worden in het a1gemeen"varkensstaartJes" niet vermeden.
P1aatsta1en gootEen stBndaard type goot, 70 mm breed en 60 mm hoog.werd voor dit experiment gebruikt. De goot was samengeste1d uit standaard iengten. De e1ementen warensteeds over de volle breedte en hoogte aan e1kBarge1ast. Aan de uiteinden waren grote, brede koperenplaten ge1Bst, om de gootstroom goed door te 1atenlopen. 2ie figuur 6.~.
33
I
FiguUL 6.~ Goot-uiteinden.
De veLbinding tussen de goat en de tLansfoLmatoL weLdtot stand gebLacht dooL de plaat met behulp vangeleidende zilveLpasta op een flens van de tLansfOLmatoL te klemmen. De UMvK testkabel weLd in de gootgelegd. DooL de stugheid van de kabel was het nietalt1jd mogel1jk deze in het midden van de bodem teplaatsen.
In PNEM-1nstallaties wOLden ook stalen goten toegepast.EL wOLdt daaLbij echteL geen aandacht geschonken aanhet Ban beide z1jden aaLden van de goot.Zouden deze goten wel Ban weeLszijden wOLden geaaLd dangaan de elektL1sche vooLdelen van de gOOtstLuctUUL tochnog en1gsz1ns achteLu1t als de gootondeLdelen metNpaLkeLs" en "popnagels" met elkaaL vBLbonden z1jn.
Plaatstalen goot en afgeschermde kabel.De reeds eerder gebruikte afgeschermde kabel werd in deplaatstalen goot gelnstalleerd. De mantel was aan beideu1teinden geaard.
Koperen p1JpAls goot-s~steem fungeerde nu een koperen buis, deuitwendige diameter was 18 mm, de wanddikte 1,5 mm. Ookhiar waren aan beide uiteinden grote brede koperenplaten gelast. 21a f1guur 6.~
Het aansluiten van de p1Jp op de transformator gebeurdeop gel1Jke wiJze als biJ de goot.De piJp bestond u1t meerdera stukken die door middelvan standaard klemkoppel1ngen met elkaar werdenverbonden.De UMvK test-kabel werd door deze piJp geleid.
Deze configuratie is in feite een goede coaxiaalverbinding.
Door steeds de u1teinden van de goots~stemen te voorzien vangrote koperen aansluitplaten was de gootstroom zeer "verdund"afgevoerd. Het "varkensstaart-effect" was hierdoor gering.Het gootsysteem was, binnen in het bedieningsgebouw. op een grotegeaarde koperen plaat aangesloten. Deze plaat was via aen kortelitze-kabel verbonden met het aardnet terplaatse.In het midden van de koperen plaat werden de metingen aan detestkabel verricht.
De "meetkast" was met behulp van een litze-kabel ook op dezeplaat geaard.
Figuur 6.5 geeft aen beeld van de situatie "binnen".
Hoe kunnen ~e de mate van reductie van stoorspanningen doo~ deverschillende gootsystemen beoordelen?
Uergel1jken van aIleen de stoorspann1ngen is niet voldoende. Dezezijn onder andere afhankel1jk van de lengte vande goot en van de stroomj de laatste var1eerde met een factor 2.Aan de hand van de transferimpedBnt1es van de verschillendegootsystemen kan men de reducerende ~erking op correcte ~1jze metelkaar ve~gelijken.
36
6.2 De transferimoedantie.
Als door de buitenmantel van een coaxiale kabel een stoorstroomI.~ loopt, dan kunnen we aan de open zijde van een, aan !en zijdekortgesloten, kabel een stoorspanning U. meten. [Lit. 12J
'~_.....,.~__-------_...._-...,III I
.-------------------------~I .t I
Fituur •.5 De ..r1n1t1a van de tranarar1apedantie.
Hoe kleiner de spanning U. hoe beter de werking van de buitenmantel is.
Een maat voor de storingsreductie is de transferimpedantie, dievolgt uit de relatie:
I.~c:oc:o.... • 1
De transferimpedantie 2~... van een dichte homogene pijp isberekend door Schelkunoff die hiervoor de naam "mutual impedance"invoerde. Kaden berekende de transferimpedantie van enkeleeenvoudige kabelmantels. [Lit. 9J Hij gebruikte de term"Kopplungswiderstand".
Uoor gelijkstroom en laagfrequentie wisselstromen is detransferimpedantie gelijk aan de gelijkstroomweerstand van debuitengeleider. Bij toenemende frequentie wijkt de Z~ .... wezenlijkaf van de gelijkstroomwaarde. Uerschillende processen doen danhun intrede. Deze zijn er de oorzaak van dat Z~~ mathematischmoeilijk te berekenen is. Slechts geometrisch eenvoudigestructuren zijn exact door te reken~n.
37
6 •
Figuu~ 6.7 Het kenme~kende ve~loop van een t~ansfe~impedantie.
In figuu~ 6.7 wo~dt het kenme~kende ve~loop van een t~ansfe~
impedantie getoond. In dit ve~loop ziJn twee kenme~kende gebiedenaan te wiJzen:
1) Een dalende ka~akte~istiek onde~ invloed van de skindiepte.2) Een toenemende ka~akte~istiek ten gevolge van veld
inkoppeling.
Gebied 1:
In het begin van de ka~akte~istiek zal b1J toenemende f~equentie
de t~ansfe~impedantie gaan afnemen ten gevolge van het skineffect. BiJ welke f~equentie dit ve~schiJnsel optreedt hangt sfvan de g~ootte van de skindiepte en de dikte van de mantel ofgoot.
De skindiepte wordt gegeven door:
~ • eoort.e11 Jk.......t.and
Ca) • 2n!'
Kope~
AluminiumIJze~
6.6-10-2 1 Vi8 .3- 10-2 1 VfS.0-10-~1 VEl ~r- 1000
In een p1Jp wordt b1J hogere frequenties de stroom Ban debuitenkBnt groter. BiJ andere structuren ziJn e~ bovendien nogextra stroomconcentrBt1es in de hoeken waar het magneetveld zouwillen 1nd~1ngen. Zie f1guur 6.8.
38
~Et!>IE''O~N t\Ei c:.~n:Q.~~\C.~f:1't)
\\,
"\ 'Pji\?\
\
/
Figuur 6.8 Gebieden met grotere stroomdichtheid ingootstructuren
Bevinden er zich op de plaatsen waar extra stroom loopt gaten ofsleuven, dan kunnen deze het voordeel van de geometrischestructuur nadelig beYnvloedenj het magneetveld kan weer indringen.
Gebied 2;
Flexibele afgeschermde kabels hebben vaak draadgevlochtenmantels, soms ook met enkele lagen metaalfolie. BiJ hogefrequenties dringt een klein deel van het door de stoorstroomopgewekte, magnetische veld binnen in de ruimte tussen degeleider en mantel. Dit veld induceert in de signaalkring eenspanning U., die toeneemt met de frequentie.In goten kan zo ook door het oppervlak dat bestaat tussen dekabel en de goot een storend veld indringen, zodat een inductiespanning ontstaat in de signaalkring. De grootte van het storendeveld wordt bepaald door de structuur van de goot en uiteraard ookdoor de grootte van de gootstroom. Hoe opener de structuur, hoesterker het effect; een brede ondiepe goot heeft een meer openstructuur dan sen diepe smalls goot. De stoorspanningsreducerendewerking van sen diepe smalle goot is dus beter.
39
6.2.1 Iransferimpedant1e yan goot-configyraties.
Ir. M. A. van Houten2 heeft de transfer1mpedanties bepaald vaneen plaat, een p1jp en van een goot met gelijke hoogte enbreedte. Voor de bereken1ngen is voor al deze structurenverondersteld dat het doorsnede-oppervlak gel1jk is aan 1800 mm=en wanddikte van het mater1aal 3 mm is.De transferimpedanties z1jn voor zowel 1jzeren als voor koperenstructuren berekend.
Het verloop van de transfer1mpedantie is in tweeberekend:
stappen
1) voor lage frequent1es wordt geen veld1nkoppelingverondersteld en wordt de transferimpedant1e uitsluitendbepaald door het skineffect.Omdat voor aIle gootstructuren een gel1jk doorsnedeoppervlak is verondersteld is het verloop van detransferimpedant1e van aIle gootstructuren gelijk.De transferimpedantie van een p1jp is exact te berekenen endaarom wordt het verloop van de transferimpedantie vanbovenvernoemde gootstructuren weergegeven door die van depijp. [Lit. SJHet verloop bij lage frequenties is echter weI afhankelijkvan de mater1aalkeuze.
2) voor hoge frequenties wordt aangenomen dat aIle stroom ineen zeer dunne laag Ban het oppervlak van het mater1aalloopt. Hierdoor is het mogel1jk om aan de hand vanvectorpotentiaal-plots het magnet1sche veldverloop rond degootstructuur te bepalen. Is voor 1edere gootstructuur hetveldverloop eenmaal bekend dan kan op eenvoudige w1jze hetverloop van de transferimpedantie biJ hoge frequentiesworden bepaald.Met behulp van het computerprogramma "FEMSYSTEM" zijn voorde verschillende structuren de vectorpotent1aal-plotsberekend.
Met bovenstaande bereken1ngsmethode kan hettussen de twee curven n1et worden bepaald.
overgangsgeb1ed
2 Ir. M.A. van Houten is wetenschappel1jk medewerker van devakgroep Hoogspanningstechniek (EHO) van de faculte1tElektotechn1ek op de Iechn1sche Un1versiteit te Eindhoven.
-5__ Cu" f: \.75 '" 10 :n..rn
In figuur 6.9 is het theoretische berekende verloop van detransferimpedantie als functie van de frequentie te zien voartwee versch111ende materialen en drie configuraties: een piJp,een goot, en ..n pl••t.
~ -7____ .-e: JJ".2.roo. f: \0 .Q.m
loG 7.t 0
[nJ -1
1-2
-3
-.c
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
vV ~
V ./~~ /
~-_. --- ~ V ~/1' ....,
~,~' "' ~ -:/'\ - , ..
-'" \"_. ,\ \,.
\ \.,0
1\,
~\\ \,
• J
u
-1 3 5 9
r1guur- •. '1 uaor..lden van U ...r"1..-.s.~1es ¥DDt" verach11landa 8Otan.Uoor alle goten is het oppervlak van de doorsnedegeliJk Ban 1800 mm2 en de wanddikte is 3 mm.De signaalgeleider bevindt zich steeds in hetmidden van de structuur 3 mm boven het materiaaloppervlak.De grafieken ziJn berekend doorir. M.A. van Houten.
'11
Aan de hand van deze grafiek worden de volgende opmerkingengemaakt:
Uoor lage frequenties geldt voor ella gootstructuren hettransferimpedantie-verloop van de piJp.
Het overgangsgebied tussen de twee curven is niet bepaald.
Uoor frequenties groter dan circa SO kHz wordtgoten de transferimpedantie volledig bepaaldveldinkoppelmechanisme. De vorm van de goot isbelangriJk.
biJdoor
dan
openhet
zeer
Het bliJkt dat een goot met geliJke hoogte en breedte eenfactor 16 beter is dan een plaatverbinding met een breedtevan driemaal de gootbreedte.
Door materiaalkeuze kan invloed worden uitgeoefend op hetverloop van de transferimpedantie. In dit voorbeeld is dewerking van de koperen goot biJna altiJd beter dan dievan de iJzeren. Uoor frequenties in een gebied van circaSO Hz tot 10 KHz is een iJzeren goot echter beter.Uoor frequenties groter dan circa 10 MHz is er weinigonderscheid tussen een iJzeren of koperen goot-systeem.
BiJ een variatie in de dikte van de profielen zal slechts heteerste deel van de transferkarakteristiek , waar de geliJkstroomweerstand en het skineffect hun invloed tonen , veranderen.
Uoor dit onderzoek ziJn een koperen plaat, een koperen piJp eneen plaatstalen goot gebruikt. De wanddikten van dezegootstructuren was zeer verschillend. Echter de stromen die biJdit onderzoek in de gootstructuren lopen hebben frequentiesgroter dan ~OO kHz. Dit betekent dat de gootwerking alleenbepaald wordt door het veldinkoppelmechanisme. De wanddikte isdan van minder belang. Hierdoor is het mogeliJk om de theoretischgevonden verhoudingen tussen de transferimpedanties van deverschillende gootstructuren te vergeliJken met de verhoudingentussen de gemeten waarden
6.2,2 Metingen van de transferimpedanties.
BiJ de experimenten met de verschillende goot-structuren ziJn ookmetingen gedaan waarbiJ de testkabel slechts tot Ban het beginvan de goot loopt tot biJ de transformator. Daar ziJn twee adersvan de testkabel op de aansluitplaat van de goot geaard. E8n vandeze aders is gebruikt voor spanningsmetingen ten behoeve van debepaling van de transferimpedantie.
In de grafiek, in riguur 6.10, zijn naast de transferimpedant1esvoor de verschillende s~stemen ook per s~steem de gemeten top-topspanning en gootstroom vermeld.Voor het bepalen van de transferimpedanties is elleen gekekennaar de ~~O kHz componenten van de spanning en de stroom.
Figuur 6.10 Gemeten trensrerimpedanties ven verschillendegoot-structuren.De lengte van de verschillende goten bedroegcirca 23 m. De trensrerimpedantie van de pijpis niet vermeld, ten gevolge van een"varkensstaartje" is de meting niet juist.
"i3
Deze resultaten komen in beperkte mate overeen met die uit detheoretische beschouwing. Goed overeen komt de verhouding tussende transferimpedanties van de koperen plaat en ijzeren goot bijcirca 500 kHz: de theoretische factor was ~t de gemeten factoris ~.1.
lerwijl volgensbieden zijn degunstig.
de theorie de pijp de besteexperimentele resultaten van
resultaten moetde pijp minder
lietforse
Bij dedeze
Bestudering van de testopstelling Ban de hand van foto'szien dat bij het meten aan de pijpconfiguratie een"varkensstaart" aanwezig was. Zie de foto in figuur 6.11.metingen Ban de andere de configuraties waren"varkensstaartjes" veel kleiner.
___De transformator-bak
Lus: "varkensstaartje"
Hier is de testkabelop de goot geaard.
~~-De pijp
Figuur 6.11 "varkensstaartje" aan transformatorzijde bijde pijp als goot.
De invloed van reductiedraden is ook bekeken. Hierover kan wordenopgemerkt dat deze de kwaliteit van de "goot" nog verder kunnenverbeteren. De grootte 1s afhankelijk van hoe nauwkeurig de goot1s gernstalleerd. Ook is de invloed van de reductiedradenafhankelijk van de toegepaste goot-structuur. Bij een pijpstructuur zal geen verbetering optreden.
6.3 Conclusie transfer-karakteristieken.
De kwaliteit van de verschillende gebruikte goot-configuratieskan vergeleken worden met die van de plaat-structuur. Uoor dekwaliteit van de plaat-structuur wordt 1 genomen, hoe hoger debeoordeling hoe beter de stoorspanningreducerende werking.
PlaatAfgeschermde "PNEM-JOBARCO"kabelPlaatstalen gootGoot en afgeschermde "PNEM-JOBARCO"kabel:PiJP, theoretisch
11.25~.1
~3.~
6.5 x 10·
De waarden gelden voor frequenties rond de ~OO kHz.
~5
7. Stoorpannincen bil cebruik van goot-systemen.
De gootsystemen die we in het vorige hoofdstuk besproken hebbenzijn om beurten in het testcircuit aangebracht. Hierbij zijn1edere keer spanningsmetingen Ban de testkabel verricht, aan eenader die~ op de transformator was geaard als en aan een dieer ~ op was geaard.Het effect van het gebruik van reductiedraden is ook bekeken.
Alle metingen zijn gedaan met behulp van de pulsbron excitatie,De extra aardelektroden waren niet aangesloten.
In de grafiek in figuur 7.1 worden de resultaten gepresenteerdvan de spanningsmetingen aan een kabelader die op detransformator was geaard. De hier getoonde spanningenvertegenwoordigen een bovengrens voor de stoorspanning omdat degelnduceerde e.m.k. nu geheel over de open klemmen in hetbedieningsgebouw komt te staan.
Ook wordt ter vergelijking de spanning vermeld die gemeten is inhet testcircuit zonder goot-systeem.
De stroom door de gootstructuur en de stoorspanning zijn ookvermeld, als de maximale top-top waarden van de amplituden.
IIETINGEN ZI~N GEDAAN UN DE GEURDE ADERYAN DE VlhK-TEITKABEL
P'utala'" Pii'.eol
Vlakh ,IallD' '001 iI .u~.id, ziiCl.. I..
II
'11
•tI...: '61••..•
-...~t:.I:: UI
Figuur 7.1 Stoorspanningen in testkabel-circuit,biJ verschillende goten.Gemeten aan geaarde kabel-ader.
In de grafiek in figuur 7.2 worden de resultaten gepresenteerdvan de spanningsmetingen aan de', kabelader die D..iJil.t. op detransformator was geaard. Deze spanningen geven echter ~ondergrens voor de stoorspanningen. Naast deze ader looptnameliJk ook nog een tweetal weI op de transformator geaardeaders in dezeIfde kabel, deze zuIIen capacitief weer eenstoring inkoppelen.
In grafiek 7.2 ~ordt tevens de invloed getoond van het gebruikvan reductiedraden. De gearceerde kolommen laten de stoorspanningen zien die op de~ geaarde kabelader ontstaat biJ hetgebruik van e!n reductiedraad.
De stroom door de gootstructuur en de stoorspanningen ziJn ook~eer vermeld. Het ziJn de maximale top-top ~aarden van deamplitudes.
...., ~j ~ ill·2 ~)
D Tolall ,Ioorapanning all Ir0'" glbruik V&II unreduclildrud wordl OIDlllkt.
Iii Tot.ll. 'toorapanllin~ bij ~It.. ... Olbrulk van 1 rldudllclrlld.
IETINGEli ZI.lN QEDUN UN DE YII.K-TUTKABEL-ADER,DIE UN BEIDE ZI.lDEli LOS IS.
'11
-t III~...!-~•:.: 151i••..•~•o-•
Alii" ,udlCtillirudDI , .. t it allhilll zijll.. I..
Ylanl plut 'Iutatal.. 'lip...t
AI...chr.1I1 'lute tal.. , ..t"'NEII'-kalll••It lIuria II •
llo ..eller••1"'NEil' -hili'
Figuur 7.2 Stoorspann1ngen 1n testkabel-c1rcu1t,biJ verschillende goten.Gemeten aan D1at geaarde kabel-ader.Er ziJn geen metingen gedaan metreductiedraad voor de t~ee meestrechtse situaties.
'i8
In beide f1guren valt op dat de afgeschermde "PNEM"-kabel debeste resultaten geeft. Uit de theorie weten we dat de transfer1mpedant1e van de pijp zeer laag is. De 86 Uolt stoorspanningvoor de pijp u1t figuur 7.1 moet gernduceerd zijn in hetoppervlak tussen kabelboom en transformator.Deze stoorspanning blijft ook aanwezig bij de plaatstalen goot ende plaat. Pas als de gootsystemen ook over de laatste dertienmeter parallel aan het transformatoroppervlak zouden wordendoorgetrokken kan deze 86 verder worden gereduceerd. In feite isdat gebeurd biJ de afgeschermde kabel waarbiJ de afscherming bijhet aansluitpunt van de kabeladers op de transformator isbevestigd. De mantel voert een stroom van 0.6 Ampere. Daarmedewordt dan dUidelijk waarom de afgeschermde kabels goede resultaten opleveren.
7.1 Hoogfreguente componenten van de stoprspanninc.
Bij het gebruik van de gootsystemen bl1jken er geen n1euwefrequentiecomponenten duidelijk naar voren te komen. WeIz1jn er kleine signalen met frequenties rond de ~! 5 MHzgemeten.
De amplitude van de belangrijkste hoogfrequente spanningscomponent is fors gereduceerd. In plaats van 2S~O Uolt(top/top) bij 800 kHz wordt biJ de stalen goot een componentvan 116 Uolt (toP/top) bij 1 MHz gemeten.
Bij het gebruik van reductiedraden wordt de amplitude nogeens fors gereduceerd. De frequentie van de belangrijksteoverblijvende spanningscomponent valt hierbiJ hoger uit,namelijk 2.2 MHz in plaats van 1 MHz.
B. Aardnet modellen.
Regelmatig komt men begrippen tegen zoals hoogfrequent-aarding,schone en vuile aarde, en wordt er gesproken over springendepotentialen en potentiaal-vereffeningsrails. Uaak ontstaan dezeuitdrukkingen doordat oudere en zelfs ook nieuw aangelegdeaardnet-structuren slechts beperkt voldoen, en ook verkeerdworden begrepen.Bij hogere frequenties doen zich verschijnselen voor die mentoeschrijft aan tekortkomingen van een aantal aardnet-elementen,vaak worden hier de aardelektroden genoemd. Dit is echteronjuist; de "fout" zit veel meer in het model, Ban de handwaarvan het aardnet is ontworpen. Er wordt maar al te vaak eenmodel toegepast dat door traditie is ontstaan. In het verledenvoldeed dit model ruimschoots aan de eisen van de energietechnici; het voorzag in de problematiek rond de 50 Hz energievoorziening en hield rekening met de veiligheidsaspecten.In de energievoorziening werd geen Choogfrequent)gevoeligeapparatuur gebruikt, ten dele uit traditie en ook omdatbetrouwbaarheid een erg belangrijke eis was. Met de veelgebruikte en ruim bemeten relais ontstonden er geen problemen methoogfrequente verschijnselen; het aardnetmodel voldeed. Dekennis hoe een aardingssysteem geschikt te maken voor het werkenmet hoogfrequente signalen, was echter wel aanwezig, maar dan inde radiotechniek, een geheel ander gebied dan de energietechniek.20 ontstonden er voor iedere techniek aparte aardingsfilosofie~n
en evenzovele modellen.Doordat er nu in de energievoorziening meer en meer gebruik wordtgemaakt van Choogfrequent) gevoelige elektronische apparatuurkomen de tekorten van deze aardingsfilosofie~n en gebruiktemodellen aan het licht.In de energietechniek kan men daarom beter de meer algemeneaardingsfilosofie gaan hanteren dan het telkens bijstellen vanhet eigen model.
Deze meer algemene aardingsfilosofie is niet ge~nt op traditiemaar op de theoretische wetten, beschreven door Maxwell, ziefiguur B.1. De aardingstechniek die zo ontstaat houdt rekeningmet ella hoogfrequente verschijnselen. [Lit. 5, 13, l~J
Figuur 8.1 Geldigheidsgebieden binnen de Maxwellwetten.Rechts zijn golflengte effecten belangrijk enuiterst links zijn de effecten van parasitairezelfinductie verwaarloosbaar.
Een techniek die deze aardingsfilosofie met succes hanteert is deEMC-techniek.Het past echter niet in het kader van dit rapport om uitgebreidin te gaan op deze aardingsfilosofie. Wel is een aantal voor deanal~se van een aardnet van belang zijnde opmerkingen in eenlogische volgorde geplaatst. De opmerkingen zijn in hoofdzaakbedoeld om de hoogfrequente verschijnselen, die mogelijk kunnenontstaan bij schakelhandelingen, te kunnen verklaren.
l)Lokaliseer de "snelle energie leverancier".In en rond onderstations is dit de onder spanningstaande apparatuur met parasita1re capaciteiten naaraarde: rails~stemen, hoogspann1ngsl1jnen en kabels,maar ook de meer geconcentreerde parasitairecapaciteiten in biJvoorbeeld vermogenstransformatorenen meettransformatoren.De "snelle energ1e" is in al deze apparatuur opgeslagenin het elektr1sche veld.
Als men bedenkt dat de stroom voor een snel transientversch1Jnsel door deze b~onnen moet worden geleverd,dan is, voor een versch1Jnsel van b1Jvoorbeeld 1 ~s, debron te zoeken onder de "snelle energ1e leveranc1ers ineen straal van max1maal 300 m.
Sl
2) Lokaliseer de apparatuur met geconcentreerde parasitairecapaciteiten naar aarde. Deze apparatuur is over hetalgemeen via enkele verbindingen verbonden met het aardnet.
Over het algemeen zijn dit de meet- en vermogenstransformatoren.Bij schakelhandelingen die betrekking hebben op dezeapparatuur kunnen hoogfrequente stromen door deparasitaire capaciteiten ontstaan. Deze stromen kunnenop hun beurt weer stoorspanningen veroorzaken.
3) Stromen zullen de weg kiezen met de kleinste impedantie.Die weg behoeft in het geheel niet de zelfde te zijn als dekortste weg of de weg met de minste weerstand zoals ookblijkt uit het voorbeeld in figuur B.2.
c
figuur B.2 De kortste weg is niet altijd de beste!De kring gevormd door de leidingen A en C heeft deminste weerstand dankzij de "zware" verbinding A.Bij hogere frequenties gaan de impedanties een rolspelen en daardoor kiest de stroom voor hetcircuit B en C. Uerbinding B ligt dichter bij C endaardoor is de zelfinductie van de kring gevormddoor B en C lager dan de zelfinductie van de kringgevormd door de verbindingen A en C.
Een consequentie van dit 'gegeven is dat stromen nietaltijd de loop van het aangelegde aardnet zullen volgenmaar dat zij. bij voldoende hoge frequenties. een meerdirectere weg via bijvoorbeeld de aarde zullen zoeken.ook al heeft die weg meer weerstand. Dit gebeurt vaaklangs onverwachte paden. Denk b1jvoorbeeld aan bluswaterleidingen en derge11jke.
52
Bij hoge frequenties wordt nietstroomverdeling in circuits, maar ook inanders. Daardoor hangt de weerstand vanhoge frequenties niet alleen van dedoorsnede af maar ook van de vorm!
alleen degeleiders zelfgeleiders voorlengte en de
Een belangr1Jke parameter hierb1J is de skindiepte:
••~ • eoor~11Jt • ..-r.~and
.. • err!'~ • .-r•••b.l1~i~
BiJ hoge frequentie lopen de stromeneen laag ter dikte 6. Menoppervlakteweerstand definieren als
voornameliJkkan dan
ineen
Numer1ek is deze oppervlakteweerstand:
voor koper RD~~ - 2.61 X 10-7 Vf nvoor aluminium Ro~~ - 3.26 X 10-7 VI n
Een geleider met een grote omtrek, bijvoorbeeld eenvlakke plaat of een goot, heeft een groter oppervlak endaardoor een kleinere weerstand dan een ronde draad methetzelfde volume.Zeer belangrijk bij hoge frequenties is ook dezelfinduct1e. Ook daarvoor geldt dat kringen gevormddoor goten of platen minder zelfinductie hebben danwanneer dezelfde hoeveelhe1d metaal 1n ronde dradenwordt gebruikt.
~) Stromen lopen alt1jd in gesloten kr1ngen.Als de stroom ergens de aarde ingaat, b1jvoorbeeld viaeen aardelektrode of v1a een, m1nder te verwachtenwaterleid1ngbuis, dan mQet h1j er ergens ook weeru1tkomen. Deze plaats· 1s soms niet scherp geloka11seerd, daar de bronnen voor de hoogfrequentetransiente stromen veak de paras1taire capaciteiten vanra11construct1es of hoogspann1ngslijnen zijn. Een kantvan de bronnen 1s de aarde.
53
Waar lopen deze aardstromen nu precies? Uoor hoogfrequente stromen zal de stroom in de aarde zicheen weg zoeken dicht in de buurt van de heen-geleider.Ten gevolge van het skineffect is dit stroompad voorhoge frequenties vrij smal. Men kan het stroompad doorde aarde afschatten met behulp van figuur B.3.[Lit. 15JHet rasist1eve ....1 van de _ni.eerstand is:
It • ,..f.> 118 • .-. 10-7'. I. rOpmerkelljk 1. dat -.z• ...r.tand niet afhangt van desoortelijke weerstand.
figuur B.3 Een benaderingpaden in de aarde.frequentie.
van deals funktie
stroomvan de
5) Probeer bij verschillende schakelhandelingen de stroomloopte voorspellen. Dit kan worden gedaan aan de hand vanbovenstaande opmerk1ngen.Is een juist beeld van de stromenloop gevormd. dan kan deaardnetstructuur zodan1g word~n aangepast dat de verschillende stromen langs zo kort mogel1jke of 1n 1eder gevalbekende wegen kunnen lopenoBekend zijn dan de plaatsen waar eventueel grote hoogfrequente magnetische velden kunnen ontstaan.
Om een beeld te krijgen van de stroomverdelingtransformator. 15 een aantal experimenten met hetvan de transformator uitgevoerd. Deze zullen in dehoofdstukken worden behandeld.
S~
Lend deaardnet
volgende
8.1 Aardingsnetwerk rond de transformator.
In figuur 8.~ is het stations-aardingsnetwerk geschetst.De gebieden waar de 150 kU railsystemen en de afgaandezich bevinden zijn in een donkere tint weergegeven.De plaatsen waar de vermogensschakelaars van de drieformatoren staan zijn aangegeven met respectievelijk US1.US3.De transformatoren zijn met een gearceerd rechthoekjeaangegeven met vermelding van respectievelijk TR1. TR2 enDe plaatsen van de aardelektroden zijn met omcirkeldestippen en een nummer aangegeven.
velden
transUS2 en
TR3.zwarte
zal het aardcicuitX lopeno Inschakelenveroorzaken naar de
Het aardnet is door een dikke zwarte lijn aangegeven. Het bestaatin het 150 kU/10 kU gedeelte in hoofdzaak uit koperen strippenvan ~O x 5 mm. op enkele plaatsen zijn stukken koperen kabel van2~0 mm2 gebruikt. Uoor de aarding van beveiligings- enbesturingsapparatuur wordt over het algemeen een koperen stripvan 25 x 3 mm gebruikt.
Uoor de stoorspanningsproblematiek is het van belang te wetenwaar de stoorstromen precies lopeno Kijken we naar het aardnet infiguur 8.~ dan zien we dati indien de extra aardelektroden nietzijn aangesloten. de stoorstroom een wel zeer "storende" omwegdoor het bedieningsgebouw wordt geboden! Deze situatie komt bijveel stations voor. Uerwacht mag worden dat de stroom zich eenweg zoekt naar de aardelektroden aan de 10 kU-kabel ziJden(Aardelektroden S. T. U en U, W. X).BiJ het inschakelen van transformator 1waarschiJnlijk via de aardelektroden U, W,van de transformatoren 2 en 3 zal een stroomaardelektroden S, T. U.
Door het aanbrengen van de vier extra aardelektroden bij transformator 2. zal de stoorstroom door het bedieningsgebouw afnemen.Een deel van de stoorstroom die ontstaat bij de transformatoren 1en 3 zal waarschijnlijk ook via deze aardelektroden lopeno
De vier extra aardelektroden bestaan ieder uit drie met elkaargekoppelde. waarschijnlijk korte aardelektroden.De extra aardelektroden hebben ieder een hoge aardingsweerstand.circa 25 n.
Uoor wat betreft de stoorspanningen is de situatie die ontstaan1s door het aanbrengen van de extra aardelektroden nog verre vangunstig.Het aardingscircu1t van de transformatoren 1 en 3 loopt via eenaardrailverbinding achter de transformatorboxen. Deze rail is ophet aardcircuit van de twee 10 kU-1nstallaties aangesloten. deaarding van transformator 2 1s via het 10 kU-aardcircuit ook opdeze aardrail aangesloten. Een deel van de stoorstromen van de
5S
andere transformatoren zal zich een weg zoeken via dezenaar de extra aardelektroden in transformatorbox 2.Juist boven deze aardrail, een verdieping hoger,kabelgoot met daarin aIle secundaire bekabeling vanformatoren.
aardrail
loopt dede trans-
Niet alleen het legale aardnet, maar ook de met de transformatoren verbonden installaties zorgen voor een stoorstroomafvoer. Het zijn over het algemeen installaties, waarvan een deelvan de constructie door de Barde loopt.
In station Den Bosch NOORD zorgen naast het aardnet ook debrandbluswaterleiding, de branddedectieleiding en in zeer geringemate ook de kabel aan 10 kU-zijde van de transformator naar deaardingssmoorspoel voor een stoorstroomgeleiding naar aarde.De brandblus- en branddetectieinstallatie bestaat uit eenleidingstelsel dat vanuit een centraal punt in het bedieningsgebouw door de grond naar elke transformatorbox Qaat.
Uit ervaringen, eerder opgedaan door de PNEM en ook door metingenin dit onderzoek, blijkt dat de brandbluswaterleiding een zeerbelangriJk deel van de stoorstroom voor zijn rekening neemt.In bepaalde situaties loopt meer dan de helft van de stroom overdeze leidingen. Dit is een Leden om de brandblusinstallatie naderte bekijken. Dit gebeurt in hoofdstuk 8.2.3.
.' '. , ".' I. f, '\'\'" r:J.~.' '.. , . .:t. . " ...' . , ' Ut
~.'F.i( r;;:p;,~ i"::::;, I t: .: J. "~'~' '.! Vfi;.... j! r.:.1·.,:1 ...•, .. ,... 'J,".". 1 I " ".' 1 'I' ::'.f I •• , ".,; ..-:-
l;;,·~:.l> t;' ..;~ ':.:'(:. I I !~ ~;·'.I I I -:'·;·i. i fF··;.·g; II /--.....~::./,;1. i·.:·.1.·.... ,.;.. I I _ l··.~·'1 I' :I;'! .i . .,~: Ifh.-...·
Figuur 8.~ Aardnet van .tation Den Bosch HOORD.De g.b1.d.n wear d. 150 kV r.il.~.t.men en de .fgaandezich bevinden ziJn in een donkere tint weergegeven. Het1s door .en dikke zwarte liJn aangegeven. De plaatsen.ard.l.ktrad.n z1Jn ..t DMCirk.lde .~.rtB stippen en Ben.ang.g.v.n.
8.2 Experimenten met de aardnetstructuur.
De stroomverdeling rond de transformator is gemeten met de extraaardelektroden zowel los als vast.Als de extra aardelektroden losgenomen zijn. bestaat er wat deaardnetconfiguratie betreft. een gelijkenis met andere stations.
De stroomverdeling is zowel gemeten bij in- en uitschakelen vande vermogensschakelaar als ook bij het exciteren met de pulsbron.Ook is de stroomverdeling gemeten in situaties waarbij de gootwel en niet was aangesloten.
isopdede
dezebe-
Een deel van de stoorstroom liep over de signaalkabels van dePNEM. Deze stroom is gemeten door alle kabels uit de betonnenkabelgoot te lichten en deze door een Rogowski spoel te leiden.In deze kabelboom was slechts !!n afgeschermde kabel aanwezigjvoor het Buchholt-contact. De mantel van deze kabel was aan eenkant op de transformator geaard. de andere zijde was geaard in de"tussenkast".Dit is een kast die in de transformatorbox tegen de muurbevestigd. In deze kast zijn alle kabels van de transformatoreen klemmenstrook afgemonteerd. vanaf deze klemmen gaansignalen over andere (niet afgeschermde) kabels naarbedieningsruimte. Ook het Buchholt-signaal gaat vanuittussenkast in een gewone meeraderige UMvK kabel naar dedieningsruimte.WaarschiJnlijk zal de gemeten stroom in de signaalkabels in demantel van deze afgeschermde kabel hebben gelopen.
58
8.2.1 De stroomverdeling rpnd de transfprmator.
In f1guur 8.5 z1jn cp een schets van de transformatorbox deplaatsen aangegeven ~aar de versch1llende stromen z1jn gemeten.
-
-j
f -
1-1- -
r
,. ,..
\ 1\\
\ \ \
r--I W , &0.
"L
Figuur 8.S De plaats van de ver.sch1llende strcommet1ngenin de transformatorbox.
De brandblus1nstallatie 15 cp deze teken1ng n1et ~eergegeven. De~aterleiding gaat b1j punt K door de muur naar de blus~atertank
(z1e hoofdstuk 8.2.3). De branddetectiele1ding (n1et getekend)loopt vanaf de transformator voor een deel door de grond naar deinstallatie bij de blus~atertank. Bij punt H gaat de branddetectiele1ding de grond in.De stromen bij F en b1j G zijn n1et hetzelfde!
59
In de tabel in figuur 8.6 is voor de verschillende situaties destroomverdeling. in ampere en in procenten van de totaal af tevoeren stroom. vermeld. De gepresenteerde waarden zijn demaximale top-top amplituden VBn de verschillende stromen. Eenbeeld van de stroomverdeling op een bepaald moment geeft eenvergelijkbaar resultaat.
De stroom "10 kU-ruimte-IN" is de stroom die via het aardnethet bedieningsgebouw binnengaat om zich daar vervolgens teverde len over de verschillende Bardnettakken.Om veiligheidsredenen kon de stroom "10 kU-ruimte-IN" aIleen bijpulsbronexcitatie worden gemeten.
De stroomverdeling is ook bepaald bij het inschakelen van detransformator. Er zijn geen duidelijke verschillen waar te nementussen het inschakelen en het exciteren met de pulsbron.De stroomverdeling rond de transformator is schijnbaar een lokaalgebeuren. De stroomverdeling wordt bijna niet belnvloed door deduidelijk geconcentreerde stroominvoer bij de pulsbron of doorde stroominvoer uit de verdeelde parasitaire capaciteiten. Ditkan verklaard worden door het feit dat bij frequenties rond ~50
kHz de afstand tussen de transformator en het hoogspanningsveldenkele malen de skindiepte is.
Uit de tabel blijkt dat de bluswaterleiding een belangrijk deelvan de stroom voor zijn rekening neemt. In hoofdstuk 8.2.3 wordtdeze blusinstallatie nader bekeken.
OS.I 'J a,.,,,a *- ItJa II ...,. ..,..t... MMjeI WWI 1 it l' hii loSIt -ItJa _IUII!.'" tlttl w .
f'1guur •.S 'abel _rClD ..,.rdalll"'1G 1n .. ~nercx-.atorbax... atreDII -10 kU-c"Wata-U.· ia apart ....._ld ....ralle andere strcmen de strcomverdel.ing vert8QentmeX'dlgen van de ..-1_1r. at.ac:lr"etrQOlrl.- .1
8.2.2 Stroomverdeling binnen bedieningsgebouw.
De stroomverdeling binnen het bedieningsgebouw is eveneensgemeten. ook in verband met de "nieuw" gelntroduceerde gootstroom.
In figuur 8.7 is ep een situatieschets van het aardnet in hetbedieningsgebouw de plaats aangegeven waar de verschillendestromen zijn gemeten.
De "koude" kant van blusspoel 2 is via een koperen kabel,van 2~0 mm? verbonden met het aardnet binnen. Deze kabel ligt in ttraject tussen blusspoel en bedieningsgebouw zonder isolatie inde grond, mogelijk kan hier streom worden afgevoerd.
De kastenbatterijruimte is een ruimte direct onder de bedieningsruimte. Ueel kabels lopen tussen beide ruimten. Uanuit heteogpunt van de storingen is het van belang dat hier desteorstromen zo klein mogelijk zijn.
Door een aantal stroommetingen zou bepaald kunnen worden waar degootstroom blijft. Uit deze metingen blijkt echter dat er ergensin de kastenbatterijruimte nog een zeer goede aardaansluitingmoet zijn die over het hoord is gezien en waarin het grootstedeel van de gootstroom loopt!
Het aardnet binnen het bedieningsgebouw is via een zeer langeverbinding verbonden met het aarnet in het 150 kU veld. De stroom"aarde gebouw uit" in deze verbinding, is zeer klein, dit is teverwachten daar deze verbinding moet "concurreren" met de aardelektroden S, T, U, U, W en X.
De telecom installatie is voorzien van een eigen aardnet dievolledig is gelsoleerd van het stationsaardnet. Het telecomaardnet is op een plaats met een aardelektrode geaard.
:......L. -.L.L 'lauur B. 7 Het ..ardnet blnnen het bedlenlng!tgeboubl.
In de tabel in figuUL B.B is de stLoomveLdeling, in ampeLe, VOOLde veLschillende situaties veLmeld. De opgegeven waaLden zijnmaximale tcp-tcp Bmplituden van de veLschillende stLomen •
...........tutt. ....1.· lIu...IKtr__tr....... .,......Mer ftI"'Ii fit nqnlGttn
Itrool: 6aat &oat 6aat &oat.11I0111 attn las IInoulatln las
10 kY-ruiltt-IN ~O.~ A 82.2 A 7~.1 A 73.8 A
A.rdl Vlbau. UIT 1.7 A 1.6 A 3.0 A 2.8 A( ~ )
Explrillntlll voat ~~.O A 33.2 A( 6 )
Ilusspa.l 2 binn.n 1.4 A 2.2 A 1.8 A 1.9 A( 4 )
K.stenb.tt.rij-ruiltlLINKS - 1.7 A - 1.6 A - 2.3 A - 1.7 A
( 2 )
K••tlllblttlrij-ruiltlRECHTS 1.4 A l.9A l.OA 1.3 A
( 3 )
IIrlt.ndl Iluitpast_ilt v.yandln ••rdnltt.t 53.9 A -2.5 A 32.7 A -1.~ A
ri.·....e Iat.l -.t _ etl'"ac• .,.r_l1ng .1,..n ..t ..dieningsgebouw.De som van de ondeLste vieL stLomen moet gelijkziJn Ban de stLoom dooL de expeLimentele goot!
8.2.3 Brandblusinstallatie.
De brandblusinstallatie is in figuur 8.9 geschetst.Een grote tank van ~.8 m3 is gevuld met water. Is er brandgedetecteerd dan wordt een ventiel in de blusleiding naar dedesbetreffende transformator geopend en wordt onder hoge koolzuurdruk. 250 bar. de inhoud van de tank gebruikt om eenwatergordijn rond de transformator Ban te leggen.
i- ---J>,
II
~~--.:;.J-I'QrL ~_v /i
<:J.----
"tU1N<':''I'C''H~R I
F'iguur 8.9 De brandblusinstallatie.De bluswaterpijp naargaat direct door de muurlatie.
transformator 2naar de instal-
De blusleidingen bestaan uit stalen pijpen met een buitendiametervan circa 12 em. AIle pijpen zijn galvanisch met de tankverbonden. Vanaf de tank lopen de blusleidingen naar de transformatoren 1 en 3 en naar de Petersen-blusspoel 1 door de grond.Hierdoor ligt er. parallel aan het 150 kV-rails~steem. ongeveer50 m blusleiding onder de transformatoren in de grond.
Deze constructie blijkt voor hoogfrequente stromen een primaaardelektrode.
65
8.2.j Experiment met latoenkoperen aardnet-verbindinc.
Een experiment is uitgevoerd met een latoenkoperen plaatverbinding die rechtstreeks vanaf de transformator over de grondnaar het 150 kU-hoogspanningsveld is gelegd. De latoenkoperenplaat is aangesloten op de plaats waar de pulsbron op het aardnetis aangesloten. Deze plaatverbinding staat dus in feite parallelaan het totale aardcircuit van de transformator.
Bij stroommetingen, met en zonder de extra aardelektroden, is destroom in deze plaatverb1nding steeds 260 Ampere top-top, dit issteeds ongeveer de helft van de totale stroom door het aardcircuit.
Door deze latoenkoperen verbinding is een zeer directe weg terugnaar de bron geschapen, toch loopt er maar de helft van de totalestroom. Kennelijk past de stroomverdeling in het aardnet rond detransformator zich voor elke situatie zodanig aan dat steeds eenzeer directe weg, vergelijkbaar met de latoenkoperen verbinding,wordt gevonden.
Ook blijkt uit deze experimenten met de twee duidelijklende aarnetconstructies rond de transformator, datstoorstroom steeds nagenoeg constant blijft.
66
verschilde totale
S. Stoorspanningen bi1 yerscbillende aardnetconfiguraties.
Indien stoorstromen parallel aan bekabelingstraJecten lopen is dekans op stoorspanningen door fluxinkoppeling groot. BiJ de aanlegof berstructurering van aardnetten kan bier op twee manierenrekening mee worden gebouden:
1) Zorg ervoor dat de stoorstromen kunnen lopen met een kleinedicbtbeid. Immers er ontstaan dan geen grote geconcentreerdemagnetische velden.Door de takken van het aardnet uit te voeren met bredeof met zeer veel geleiders worden de hoogfrequentestromen "uitgesmeerd".
2) Zorg ervoor dat takken van het aardnet waarstoorstromen in verwacbt loodrecbt op of in hetvan de bekabelingstructuur komen te liggen.
men groteverlengde
KiJken we naar de aardnetstructuur dan zien we dat de "normale"transformatoraarding over een lengte van ca. viJf meter parallelaan de kabelgoten loopt. Er loopt hier een stoorstroom in dericbting van het bedieningsgebouw!Door bet aanbrengen van de extra aardelektroden wordt deze stroomgebalveerd, van 111 Ampere top-top naar 51 Ampere top-top Cgootis aangesloten), er zal daardoor zeker een reductie van destoorspanning optreden.
In de tabel in figuur S.l worden de resultaten getoond van destoorspanningsmetingen biJ de twee verscbillende aardingssituaties. De metingen ziJn verricbt met de pulsbronexcitatie.
Door bet aanbrengen van de extra aardelektroden wordt de stoorspanning tot de helft gereduceerd!Het bliJkt dat door het aanbrengen van de extra aardelektroden destroom in de "normale" aardingstak ook gebalveerd wordt, ditbetekent misscbien dat deze aardingstak de meest dominante"stoorbron" is.
De stoorstroom die biJ het schakelen met de andere transformatoren ontstaat, loopt over de "normale" aardingstak biJ dezetransformatoren. Een deel van deze stroom zal zicb daarna weI eenweg zoeken naar de extra aardelektroden in de box van transformator 2. Echter als de "normale" aardingstak de meestdominante "stoorbron" is zal biJ deze transformatoren geenstoorspanningsreductie kunnen optreden.
67
Alrdings- 'oct Stoorlplnningen bij:Ii tutti e litutti e
IN-schakelen PULS-bronexcitatie
6eaard ni et gu!ten 200 V"Nerlnl"
guardles 5152 V 4864 V
6eurd 119 V 104 VExtra
guar dles 2576 V 2496 V
AIle spanning!n zijn geleten Ian een Ider, van de testkabel, die op detrlnsferlater was geaard.
De gebruikte geet is de plaatstalen-geet.
All. Iplnninger. zijn uitg.drukt in Velt-top/top waard.n.
Figuu~ 9.1 Tabel met de stoorspanningenb1J ve~schillende aa~dingssituat1es.
68
10. Conclusie stroomverdelings- en stoorspanningsmetingen.
De grootte van de totale stoorstroom wordt niet sterk beinvloeddoor de aardnetstructuren. Omdat de hoogspanningsgeleiders meergeconcentreerde flux om zich heen hebben dan de veel meerverdeelde 8ardgele1ders wordt de grootte van de stroom vooralbepaald door de hoogspann1ngsgeleiders. De bron samen met hethoogspann1ngsgele1ders is dan op te vatten als een stroombron.
De bluswaterle1ding moet zeker niet gelsoleerd van de transformatoren worden opgesteld, een groot gedeelte van de stroommoet dan worden afgevoerd door de 10 kU aardelektroden.Het is zelfs aan te raden om voor een (hoogfrequent) zeer goedelektrisch kontakt tussen blusleiding en transformator te zorgen.
De stroommeting "aarde gebouw uit" laat z1en dat er in deaardaansluiting tussen het bedieningsgebouw en het 150 kUhoogspanningsveld slechts heel weinig hoogfrequente stoorstroomloopt, minder dan O.~ % •
Doordat het stations-aardnet en het telecom-aarnet gelsoleerd vanelkaar ziJn uitgevoerd en een punt gemeenschappeliJkhebben (de aarde) ontstaat er een gevaarlijke grote lus waarineen e.m.k geinduceerd kan worden. De telecom-1nstallat1e en destations-installatie zijn met elkaar verbonden via de apparatuurbedrading en hierdoor kan de geinduceerde e.m.k. zorgen voorstoorspanningen in beide installaties. Een directe koppelingtussen beide aardnetten in het bedieningsgebouw kan dit voorkomenen is daardoor gewenst.
De vermogenstransformator vormt een logische scheiding tussen de150 kU en 10 kU installaties. 20rg dat hier dan ook een logischeontkoppeling in de aardnetstructuur aanwezig is. Een zeer goedeaarding geslagen in de r1chting van het 150 kU hoogsspanningsveldof een aardnet dat direct in de richting van het 150 kUhoogspanningsveld loopt kan een log1sche stromenloop mogelijkmaken.
Een vorm van een scheiding is gemaakt door het BBnbrengen van deextra Bardelektroden, maar deze zijn echter minder goed dan deaBrdelektroden Ban de 10 kU kabelzijden. De stoorstroom in derichting van het bedieningsgebouw en daarmee de stoorspanningenworden slechts gehalveerd.
69
11. Meettechniek.
In dit hoofdstuk wo~dt de appa~atuu~ besch~even waa~mee deve~schillende spanningen en st~omen zijn gemeten.
11.1 Stroommetingen. meetocneme~s en integ~ato~en.
Uoo~ de st~oommeting is gekozen voo~ aen passief diffe~enti~~end
actief integ~e~end meets~steem. Als st~oomsenso~ is de Rogowskispoel gekozen, bij dit t~pe senso~ moet de te meten st~oom doo~
de spoel wo~den omsloten. De Rogowski spoelen geven een spanningaf, die even~edig is met de di/dt van de te meten st~oom.
De signaalspanning wo~dt ove~ (v8ak lange) meetkabels doo~gegeven
aan actieve integ~ato~en, die voo~ de ~egist~atie het signaalinteg~e~en.
Met het t~anspo~te~en van gediffe~entiee~de signalen wo~dt designaal/stoo~-ve~houdingaanzienIijk ve~bete~d. (Lit. 16J
11,1.1 De Rogowski scoelen.
In figuu~ 11.1 wo~den enkele Rogowski spoelen afgebeeld.
Figuu~ 11.1 Rogowski spoelen, dicht en geopend.
70
De Rogowski spoel bestaat uit een flexibele tOLUS die met lintkabel is bewikkeld. De spoel kan bij de flens wOLden opengebogen,waaLdooL het 1nstalleLen van de spoel zeeL eenvoudig wOLdt.
VOOL het meten van de fasestLomen aan 150 kV-zijde van detLansfoLmatoL zijn dLie speciale gLote spoelen gemaakt. DooL dezespoelBn op de ondeLste schotel van de dooLvoeLisolatoL, de-Bushing", te 1nstalleLen is het mogelijk de fasestLomen inbedL1jfsituaties te meten. De foto in figuUL 11.2 geeft hieLvaneen 1mpLessie.
FiguUL 11.2 De Rogowski spoelen om de dooLvoeLisolatoLen.
Naast deze dLie gLote spoelen zijn eL ook nog twee kleineLespoelen gebLuikt.
ende
veLlaagd,omtLek vanspoel.
In pLincipe komt de constLuct1e van be1de t~pe spoelen oveLeen.De w1kkelingen z1jn gemaakt met dL1e 16-adeL1ge l1ntkabels. DedLie wikkelingen zijn dusdanig BangebLacht dat de ~B adeLSgelijkmatig oveL het oppeLvlak van 'de tOLUS veLdeeld z1jn. DedL1e wikkel1ngen z1jn paLallel geschakeld.DooL deze wikkelwijze wOLdt de zelf1nduct1ebovendien wOLden de windingen gelijkmat1g oveL detOLUS veLdeeld, zoals moet VOOL een goede Rogowski
DooL de w1kkel1ngsspoed VOOL beide spoelt~pen gel1Jk te houden isde gevoel1ghe1d VOOL beide typen ongeveeL gelijk. De spoed is 5windingen peL centimeteL binnenomtLek.
71
De afmetingen en het aantal windingen zijn veor beide spoeltypen:
Grote type. FW1. FW2. FW3
Kleine type. 10.11
binnen diameter 30 em.winding aantal 18binnen diameter 16 em.winding aantal 10
sehakelen van versehillende bekende eapaeiteiten ende resonantiefrequentie te bepalen. is de zelfde eigen resonantiefrequentie van de spoel te
Deor paralleldoor steedsinduetie enberekenen.De gemeten zelfinduetie van de versehillende spoelen bedraagt:
Grote type. FW1. FW2. FW3Kleine type. 10.11
0.9 ~H
O.'i ~H
BiJ het toepassen van een Rogowski spoel als epnemer moet er opworden toegezien dat de spoel niet zelf-integrerend werkt.Sehematiseh kan de situatie als in figuur 11.3 worden weergegeven. Daarbij wordt de SO n weerstand gevormd door de eoaxialemeetkabel die karakteristiek met SO n is afgesloten. Uoor despanning Uu geldt dan Uu - U1-R/(R+J W L).
Figuur 11.~ De Rogowski spoel afgeslotenmet de kabelimpedantie.
Hieruit kan eenvoudig worden afgeleid dat de epnemer nogdifferenti~rend werkt als j c.w L < R.Deze grensfrequenties zijn: f - R/(2wL)
Grote type. FW1, FW2, FW3Kleine type, 10,11
9 MHz20 MHz
De eerste resonantiefrequentie van de spoelen ten gevolge van dezelfinduetie en de parasitaire eapaeiteit is gemeten en ligt inde orde van 18 MHz voor het grote- en 30 MHz voor het kleinetype.
72
Uan ella gebruikte spoelen is de gevoeligheid (- mutuele inductieten opzichte van de omsloten geleider) bepaald. Hiertoe is metelke Rogowski spoel een stroom, met een frequentie van 20 kHz,gemeten, waarbij deze stroom ook gemeten is via een spanningsmeting over een inductie-arme weerstBnd van 1 n.
De wederzijdse inductie M van de Rogowski spoelen is:
kleine spoel: nr. 10 2.72 • 10-e H
nr. 11 2.75 • 10-e H
grote spoel: FLLJ1 3.0Lf • 10-1' H
FLLJ2 3.30 • 10-1' H
FLLJ3 3.29 • 10-e H
Ten gevolge van het afwijkende windingspatroon dicht bij de flensis de gevoeligheid bij de flens anders. Hiermee is bij hetinstalleren van de spoelen rekening gehoudenj de stroomgeleiderszijn zoveel mogelijk in het centrum van de spoel geplaatst.
11.1.2 De intecratoren.
Door de signalen van de Rogowski spoelen te integreren wordt eenspanning verkregen die evenredig is met de stroom. Als passieveintegrator kan gekozen worden voor een schakeling zoals infiguur 11 ....
llte,utie - ...,.tud
INGANG
.tiD
- UITGANG
3nF
la~.1 ahllil...ralaU '.I••rlti.-c..d....t.r
73
De relatie tussen de te meten stroom en de uitgangsspanning vande integrator is een constante: Uu&~- I.(M/RC).Door het product RC kan de gevoeligheid worden ingesteld.Uoor metingen van kleine stromen, < 300 Ampere, met de hiervoorgenoemde Rogowski spoelen, is een kleine RC-tijd een vereiste.Dit heeft sIs nsdeel dat slechts signalen met frequenties groterdan ongeveer 10/(2wRC) correct kunnen worden gemeten.Bij de gekozen waarden, R-10~0 n en C-3 nF, die een geschiktegevoeligheid opleveren, kunnen aIleen stromen met frequentiesgroter dan 500 kHz correct worden gemeten. Dit is niet scceptabelals men weet dat de frequentie van de te meten stromen circa ~OO
kHz is.
Dit is op te lossen door achter de psssieve integrator eenactieve schakeling op te nemen die de "langzame" signalenintegreert en deze optelt bij de "sneIle" signalen die door depassieve integrator goed zijn gelntegreerd.
Dit meetsysteem met een passieve en actieve integrator is in devakgroep Hocgspanningstechniek cp de Technische UniversiteitEindhoven ontwikkeld.
De passieve integrator, volgens het schema in figuur 11.~, is ineen messing cilinder geheel coaxiaal-symmetrisch opgebcuwd. Dezeopbouw verbetert het hoogfrequente gedrag aanzienlijk.Aan de ingang vormen drie in stervorm geplaatste weerstanden van150 n de karakteristieke afsluiting van 50 n voor de kabel.Twee integratie-weerstanden van 820 n en 220 n zijn in seriegeschakeld om de parasitaire capaciteit te verminderen.Drie in stervorm geplaatste capaciteiten van elk 1 nF vormensamen de integratie-condensator.Uocr de condensatoren is gekozen vocr een keramisch type.Als weerstanden zijn composiet-weerstanden toegepast, die elk inkrimpkous zijn verpakt. Dit laatste is gedaan om dehocgspanningspuls-bestendigheid te vergroten.Een triggersignaal vocr de oscilloscopen wordt verkregen door hetingangssignaal over de SO n van de passieve integrator via eenweerstand en enkele zeer snelle anti-parallel geschakelde diodenuit te voeren.De actieve schakeling bestaat uit sen frequentie-sfhankelijknetwerk Lend sen operationele versterker. Deze schakelingvoorziet onder meer in het integreren van de "langzame" signalen.Het gedrag van deze schakeling ~s afgestemd op dat van depassieve integrator.Het "langzame" gelntegreerde signaal wordt bij het "snellengelntegreerde Cingangs)signaal opgeteld door middel van tweebuffers en sen weerstandsnetwerkje.
Uoor de operationele versterker is gekozen voor het type AD OP27,met een hoge slew-rate: 2.8 U/~s en een hoog gain bandwidthproduct: 8 MHz.Als buffers fungeren twee IC's MP0033, deze hebben een powerbandwidth van 100 MHz, rise en fall times van 2.9 ns en eenuitgang die kan worden afgesloten met 50 n, mits er voorvoldoende koeling wordt gezorgd.
Dat de buffers met 50 n kunnen worden afgeslcten heeft cok alsvoordeel dat de coaxiaalkabel tussen de actieve schakeling en deoscillcscoop karakteristiek kan worden Bfgeslcten.
Figuur 11.5 geeft het schema van deze Bctieve schakelinggetcond.
Er zijn vier complete integratie systemen gemaakt en getest.De passieve integrator en de afgestemde Bctieve schakeling vormensamen een geheel.De frequentie waarbij de versterking van de totale schakeling ~en
is bepaalt de integratieconstante.Elk systeem is getest door van ieder een Bode diagram cp tenemen. De integratieconstanten zijn ook uit deze diagrammenBfgelezen.
De integratie-constanten van de verschillende systemen:
Unit 11 nr. 020
Unit 12 nr. 010
Unit 13 nr. 030
Unit 1~ nr. O~O
l/RC - 83.57-103 S-1
l/RC - 81.05-103 S-1
l/RC - 88.59-103 S-1
75
(13.3 kHz)
(12.9 kHz)
(1~.1 kHz)
(12.1 kHz)
':
~r ,.--"'\~. ~ "...... ,. --'"~8
I Igl Ir- J \ lopenI • r ..
'tJ1I ICJArCl I....1:1 ...
~ I.g.a ... I... ... . I
Hl I II 1
I I :I L_
I~ . .-• rt''' 47... I.~III
I: I r 10M
r'I 600f IL_ -=:-J 2 SO,. TDi i'"!
'U ...
~i..
11'.2<: .,ma
rt
.... ~:::J •r1'm IoLOnto'1 IN SO !to OUTDIr1'
\Nb~Nb urrr;~~G0'1
iOMII:::J
a• ,0
11.1.3 De Pearson scoelen.
Het s~steem met de Rogowski spoelen en integratoren is teongevoelig om kleine stromen ( < 2 Ampere) te meten. Uoor ditdoel zijn de Pearson spoelen beter geschikt.Dit t~pe spoel levert een spanning die meteen een maat is voor destroom. De bij de experimenten gebruikte Pearson-spoel is hett~pe ~100.
De gevoeligheid is:
1 Ampere/Uolt als de spoel hoogohmig is Bfgesloten en
2 Ampere/Uolt als de spoel met SO n is afgesloten.
Bij het gebruik van de Pearson spoel is deze via een coaxialekabel aangesloten op een buffer in de meetkast. De kabel was aande ingang van de buffer karakteristiek met SO n afgesloten.De buffer heeft een versterkingsfactor van 0.5. de gevoeligheidvan de Pearson-spoel is op deze wijze: ~ Ampere/Uolt.
Dit t~pe Pearson spoel kan piek stromen tot 500 Ampere enstijgtijden tot 10 ns meten. Stromen met frequenties van 1~0 Hztot 35 MHz zijn te meten.
11.2 Spannincsmetingen.
Uoor de spanningsmetingen zijn normale oscilloscoop-probes. metverschillende gevoeligheden; 1/10. 1/100. 1/1000. gebruikt.
De probes zijn via buffers aangesloten op de oscilloscopen. Debuffers zijn bevestigd op de achterwand van de meetkast zodatstoorstromen over de mantels van de probekBbels worden afgeleiden niet over het huis van de oscilloscoop lopeno
Er zijn drie identieke buffers gemaakt. met zodanig gekozeningangsweerstand en -capaciteit dat aIle gebruikte osciloscoopprobes op deze buffers kunnen worden afgeregeld. De ingangen vanaIle drie de buffers zijn met behulp van kleine capaciteitenzoveel mogelijk Ban elkaar gelijk gemaakt.
77
In figuu~ 11.6 wo~dt het schema van deze buffe~-schakeling
Qegeven.
t 15 volt
- AA'aa -
- 15 ,olt
Figuu~ 11.6 De buff.~-.chakel1ng.
Uoo~ de buffe~ is het IC MP0033 geb~uikt. met een Powe~ Bandwidthvan 100 MHz. een slew ~ate van 1500 U/ps en een ingangsimpedantie100 Gn.
Als de uitgang van de buffe~ ka~akte~istiek. met SO n. wo~dt a:gesloten heeft de buffe~schakeling een ve~ste~kingsfacto~ van0.5.
11.3 Meetkabels en de meetkast.
Uoo~ aIle ve~bindingen n8a~ de ve~schillende meetlocaties ziJncoaxiale kabels van het t~pe RG-223 geb~uikt. Dit type kabelheeft een dubbele geweven mantel. De kabels we~den met behulp vanBNC-connecto~en gekoppeld.
78
De registratieapparatuur en de elektronica ten behoeve van debuffers en integratoren staan opgesteld in een 19-inch kast vande importeur "ELDON". Deze kast is vervaardigd van 1.S mmelektrolytisch gegalvaniseerd plaatstaal. De deur is uitgerustmet metalen strippen voor een continu elektrisch contact tussendeur en kast. De schanieren en deursluiting vallen buiten dezeelektrische afdichting.De kabelinvoer bevindt zich aan de achterkant van de kast. DeBNC-connectoren waarop de kabels van de Rogowski spoelen wordenaangesloten, zijn tevens de ingangen van de passieve integratorpotten. Deze potten zitten tegen de achterwand aan de binnenkantvan de kast bevestigd. De elektrische verbinding tussen decontactvlakken van de integratorpotten en de kastachterwand isverbeterd met een zilverpasta.Een drietal BNC-doorvoerconnectoren zijn aangebracht ten behoevevan de buffers. Er is ook hier weer gezorgd voor een goedelektrisch contact tussen de buitenmantel van de connectoren ende achterwand van de kast. De buffers zijn binnen in de kastaangesloten op deze connectoren.Direct aan de uitgangen van de passieve integratorpotten zijn deactieve integratoren bevestigd.De gelntegreerde signalen (~x) en de uitgangen van de buffers(3x) worden over zeven RG-58/U kabeltjes van gelijke lengtegetransporteerd naar de front-ingangen van de oscilloscopen.Steeds zijn al deze kabeltjes karakteristiek met 50 n afgesloten.
Als registratie apparatuur ziJn drie oscilloscopen van het merkNICOLET gebruikt. Dit zijn digitale oscilloscopen die meetwaarden"samplen" en opslaan in een intern geheugen (16 kByte).In twee mainframes is gebruik gemaakt van twee "snelle" plug-inunits. Deze "snelle" plug-in units kunnen 200 mega samples vanacht bit per seconde uitvoeren.ladera oscilloscoop heeft een eigen floppy-disk unit voor opslagvan de meetwaarden.
De voedingen vooraangesloten op eenachterzijde van defilter is elektrisch
de elektronica en de oscilloscopen zijnnetfilter. Het filter is buiten op de
kast gemonteerd. De metalen kast van hetgoed met de meetkast verbonden.
Het meetsysteem met deze meetkast is in de vakgroep Hoogspanningstechniek op de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelden wordt veelvuldig gebruikt voor'metingen in sterk storendeomgeving.CLit. l1J .
In Bijlage II is van aIle gebruikte meetsensoren de gevoelighedengegeven.
19
12. Slctconclusie.
In het aardnet zullen altijd transi~nte stoorstromen lopen bijhet in- en uitschakelen van de transformatoren. Als eraanvankelijk geen speciale maatregelen ter reductie van destoorspanningen getroffen zijn dan kunnen de magnetische veldenvan deze stromen inkoppelen in de oppervlakken tussen desecunda ire bedrading en het aardnet waardoor forse common-modestoorspanningen in het secundaire circuit worden gejnduceerd.Spanningen in de orde van grootte van 5000 Volt top/top zijn danheel "normaal".Figuur ~.3 in hoofdstuk ~ geeft een beeld van de diversespanningen die optreden als er geen maatregelen ter reductie vandeze storingen zijn genomen.
Door de secundaire bedrading in metalen goten. die aan beidezijden geaard zijn. te leggen wordt de inkoppeling van destoorfluxen sterk verminderd.
De kwaliteit van de verschillende goot-configuraties om stoorspanningen te reduceren wordt aan de hand van gemeten transferimpedanties bij ~~O kHz aan die van de plaatstructuurgerelateerd. Hoe hoger de beoordeling hoe beter de reductie vanstoorspanningen.
plaatafgeschermde "PNEM-JOBARCO"kabelplaatstalen gootgoot met daarin de afgeschermde
"PNEM-JOBARCO"kabelPijP. theoretisch
11.25~.l
~3.~
6.5 x 10~
goot-configuraties wordt destijgende frequentie steeds
In tegenstelling tot de anderkwaliteitsfactor van de pijp bijbeter.Figuur 6.10 in hoofdstuk 6 laat deimpedanties zien.
diverse gemeten transfer-
Wordt de secundaire bedrading die loopt vanaf de transformatornaar de bedieningsruimte in een goot gelnstalleerd dan wordt deaanvankelijke stoorspanning van 5000 Volt top/top drastischgereduceerd tot circa 200 Volt top/top bij de plaat of deplaatstalen goot en tot circa 86 volt toP/top bij gebruik van depijp wordt deze gereduceerd.
De transferimpedantie van de pijp is zeer klein. wat betekent datde stoorspanning die ontstaat in installaties met de piJp geheelis toe te schrijven aan het kabeltraject op de transformator.
80
Uoor een consequente opzet moet daarom ook het kabeltraject op detransformator in een goot-structuur gelnstalleerd worden, om eennog grotere reductie te verkriJgen. De drastische stoorspanningsverlaging van circa 5000 Uolt top/top naar 3 mU top/top dieontstaat bij gebruik van de afgeschermde "PNEM"-kabel in deplaatstalen goot bevestigt dit.
Figuur 7.1 in hoofdstuk 7 laat de diverse stoorspanningendie ontstaan bij het toepassen van de verschillendestructuren.
ziengoot-
bij
De wederzijdse inductie tussen de secunda ire circuits en hetaardnet waar de stoorstromen lopen wordt verkleind wanneer destoorstromen via korte wegen naar de "bronnen" kunnen terugvloeien.Uermeden moet worden dat de stroom een "storende" omweg zoektdoor het bedieningsgebouw. Bij iedere transformator dienen erdaarom aardelektroden in de richting van de 150 kU lijnengeslagen te zijn.Door de mindere kwaliteit van de extra aardelektrodentransformator 2 is dit slechts ten dele gerealiseerd.
De leidingen van de brandblusinstallatie van de transformatorenfungeren als aardelektrode omdat ze over een grote lengte door degrond lopeno Een groot deel, ruim dertig procent, van de totalestoorstroom loopt via deze weg. De leidingen moeten daarom goedcontact maken met de transformatoren.
De metingen hebben onder gelijke kondities kunnen plaatsvindendoordat een pulsbron is gebruikt die op een veilige manier velemalen een goed reproduceerbare stoorstroom heeft geleverd.Deze stroom is representatief voor de stoorstroom die ontstaatbij het inschakelen van de transformator.
81
13. Literatuur.
1. B.H. Hofkens,Metingen overspanningen in het 150 kU-station 'sHertogenbosch-West op de volgende data: 23-2~-29 januari1980 en 1~ februari 1980.PNEM, afdeling beveiliging, Beertruidenberg 1980,Rapport afdeling beveiliging, nummer 1980-03-13 HOF/KI
2. R. Hensbroek.Metingen van overspanningen in het 150 kU-station's-Hertogenbosch-West.Kema, Divisie elektrotechnische keuringen, Arnhem 1980.Rapport metingen 28,29-mei-1980 en 20,21-augustus-1980,Opdracht nummer 96895, code 10. Referentie 8918-80.
3. R. Hensbroek,Stoorspanningen in onderstations en maatregelen terbestrijding.Deel I theorieDeel II : praktijkDeel III: gesloten schakelinstallatiesArnhem: Uereniging van Directeuren van ElektriciteitsbedriJven in Nederland, 1983.
~. A.P.J. van Deursen, P.C.T. van der Laan,ElectroMagnetic Compatibility.Faculteit Elektrotechniek, Technische UniversiteitEindhoven, 1987.Uoorlopig diktaat bij college nr. 5P~10.
5. P.C.T. van der Laan, M.A. van Houten.Design philosophy for grounding.5th International Conference on EMC,York sept. 1986, p. 267 - 272.
6. M. Bollen en B. Jacobs,Meetrapport van metingen te Bu~el op 6, 10 en 11 juni 1986Transformator-metingen in station Budel van de PNEM.Uakgroep Elektrische Energiesystemen, EB, Faculteitder elektrotechniek,Technische Universiteit Eindhoven, 1986Intern rapport.
82
7. W.M.C. van den Heuvel.Uermogensschakelaars in de elektriciteitsnetten.Faculteit der Elektrotechniek. Technische UniversiteitEindhoven. 198~.
9. H. Kaden.Wirbelstrome und Schirmung in der Nachrichtentechniek.2. Aufl.BerliJn: Springer Uerlag. 1959.
10. P.C.T. van der Laan.Afscherming.PATO-cursus ElectroMagnetic CompatibilityEindhoven. november 1987
11. W. Hilberg.Impulse auf Leitungen.Munchen: R. Oldenbourg Uerlag GmbH. 1981.
12. H.W. Ott.Noise reduction techniques in electronic systemsNew York: John Wiley & Sons. 1976.
13. P.C.T. van der Laan. M.A. van Houten. A.P.J. van Deursen.Grounding Philosophy.7th International Symposium on EMC.Zurich March. 1987. p. 567 - 572.
1~. P.C.T. van der Laan.Aarding.PATO-cursus ElectroMagnetic Co~patibility
Eindhoven. november 1987
15. P.C.T. van der Leen. J.M. Wetzer.Hoogspanningstechniek.Feculteit Elektrotechniek. Technische Univers1teitEindhoven. 1987.diktaat nr. 5.621.
83
16. E.J.M. van Heesch. J.N.A.M. van Rooij, R.G. Noij. p.e.T. vander Laan.A new current and voltage measuring s~stem.
5th International S~mposium on high votage engineering,Paper 73.06Braunschweig. August 1987.
17. p.e.T. van der Laan, E.J.M. van Heesch. A.P.J. van Deursen,Digital Measurements in High Interference Surroundings,tijdschrift van het Nederlands Elektronica- en RadioGenootschap nr. 53 (1988) p. 13-16.
