Mätningarna gav indikation på parallellresonans
UTHD-mätningar på spänningen visade på stora variationer i spänningsdistorsionen som oftast höll i sig någon månad, se figur 3.1 där spänningsdistorsionen sänktes och blev lägre vid varje sådant tillfälle. När detta fenomen upptäckts genomfördes en veckovis mätning av UTHD, strömövertoner och spänningsövertoner erhölls sedan vid ett sådant tillfälle. Likadana värden togs även fram från en period med hög spänningsdistorsion, se avsnitt 3 där värden för ström och spänning jämförs. Där syns en kraftig förstärkning av framförallt den femte strömövertonen som förstärks cirka 6,3ggr, se figur 3.10. Inledande litteraturstudier gav då en möjlig förklaring till detta fenomen där parallellresonans mellan kondensatorbanken och matande transformator misstänktes. Med hjälp av att bestämma kondensatorbankens storlek i Farad under avsnitt 4.1 och att räkna ut matande transformators impedans (antar att den har ett mycket lågt kapacitivt bidrag) kunde
resonansfrekvensen bestämmas till 257,8 Hz i avsnitt 4.5.
Parallellresonans bevisad
Det blir alltså bevisat att parallellresonans mellan kondensatorbank och överliggande nät existerar nära den femte övertonen, detta är orsaken till den kraftiga förstärkningen av framförallt femte övertonen. Det reaktiva effektbehovet för industrin försöker fastställas i figur 3.7 och blev i genomsnitt cirka 20 MVAr. Mätningen avser en tidsperiod då kondensatorbanken var urkopplad. Detta effektbehov ligger grund för kommande beräkningar för en mindre kondensatorbank. Industrins egna produktion är en synkronmaskin med egenskaperna att den kan magnetiseras åt två håll. Övermagnetiserad kommer den avge reaktiv effekt och det är precis det som skulle behövas i detta fall. Det absolut bästa blir ifall industrin är självförsörjande på reaktiv effekt och kan helt avlägsna kondensatorbanken. Enligt mätningarna finns det indikationer på en reaktiv effektinmatning till nätet. Detta fenomen skulle bli avsevärt mindre med en mindre bank eller att helt avlägsna den, men enligt mätningarna klarar de inte det reaktiva effektbehovet om kondensatorbanken helt avlägsnas enligt figur 3.7. Deras tillåtna uttag av reaktiv effekt är 25 % av abonnerad aktiv effekt på 41 MW. Vid studiebesöket fanns tyvärr inte ansvarig för egna produktionen tillgänglig. Det reaktiva effektbehovet blir alltså uppskattat utan att veta hur egna produktionen såg ut vid mättillfället, detta medför en svårighet i att bestämma storlek på kondensatorbanken.
Analys av elnätet
Kortslutningsströmmar med impedansvinkel för olika skenor i Station A erhölls från Vattenfall men tyvärr var dessa strömmar angivna på fel spänningsnivå varav alla strömmar fick räknas upp till aktuell driftspänning. I avsnitt 5.2 finns de omräknade kortslutningseffekterna och med ekvation (2.10) erhölls en resonansfrekvens på 243,4 Hz. Det blir alltså tydligt återigen att resonanspunkten ligger nära femte övertonen. Skillnaden mellan normal drift och normal drift när Matning B kopplas bort är ungefär 60 Hz neråt i frekvens. Om Matning A kopplas bort påverkas inte resonansfrekvensen nämnvärt, se Appendix och figur H.
Simulering av elnätet
Frekvenssvep med beräknade värden på X och R genomfördes cirka tio gånger och det första svepet genomfördes med det normala driftsfallet med 27 MVAr kondensatorbank. Resonansfrekvensen
uppstod då på cirka 225 Hz enligt figur 6.1 och detta jämfört mot beräknade siffror på 243,4 och
257,8Hz. Avvikelsen mellan beräknat värde och simulerat värde beror till största sannolikhet på att vissa indata saknas som t ex kapacitans. Ett driftfall skiljer sig markant och slutsatsen av detta är att ”onormalt driftfall” blir när 130kV-nätet går från maskat till radiellt. Det innebär att Matning A kopplas ifrån och ensam kvar blir Matning B. Eftersom skillnaden i kortslutningseffekt mellan dessa två matningar är mycket stor får det även störst skillnad var resonansfrekvensen uppstår. Dimensioneringen av filter och kondensator kommer inte behöva ta hänsyn till detta ”onormala driftfall”, anledningen beror på att då hamnar resonansfrekvensen vid cirka 300 Hz och där finns ingen jämn överton som kommer förstärkas enligt Appendix och figur E.
Simulering med en mindre kondensatorbank
Vid studiebesöket hos fabriken och samtal med elansvarig framkom att det fanns en del utmaningar med nuvarande kondensatorbank, den kopplas in i ett steg och utan synkbrytare. Effekterna av detta innebär att den endast kan kopplas in när större delar av fabriken har produktionsstopp. Även skyddet för kondensatorbanken kunde lösa ut vid inkoppling och där det gällde att ha en viss last kvar på fabriken för att hålla nere spänningshöjningen vid inkoppling. Fabriken är i dagsläget överkompenserad av reaktiv effekt och där de sällan utnyttjar sin rätt till reaktivt uttag. De har enligt sitt abonnemang rätt till 10,25 MVAr reaktivt uttag och det innebär med en mindre kondensatorbank med 12 MVAr reaktiv effekt att deras totala tillgång på reaktiv effekt blir cirka 22 MVAr. Mätningar visar att det genomsnittliga behovet ligger på cirka 20 MVAr, med en mindre kondensatorbank blir det lättare att styra inkopplingen och den reaktiva effektinmatningen blir lägre. Tyvärr men en mindre kondensatorbank hamnar man nära sjunde övertonen, se avsnitt 6.4. Avsnitt 3.5 visar även att sjunde övertonen har hälften i strömvärde jämfört med femte övertonen i driftfallet utan resonans. Det innebär att ifall resonansfrekvensen flyttas mot sjunde överton så kommer den förstärkas med ungefär samma faktor som den femte övertonen uppvisar vid resonans. I praktiken kommer den inte att förstärkas exakt lika mycket och därför bestämdes det i denna rapport att räkna med att den får samma förstärkning. Slutsatsen av det innebär att man har lite marginal vid UTHD-uträkningarna.
UTHD-beräkningarna
Beräkningarna grundar sig på simuleringarna, från simuleringar erhålls rådata som exporteras för analys till valfritt program. I denna rådata får användaren veta impedansen för plusföljd, minusföljd och nollföljd samt vinkeln. THD-beräkningarna grundar sig endast på plusföljdsimpedansen. Med hjälp av strömövertonerna och impedansen som kommer från simuleringarna erhålls en övertonsspänning, denna övertonsspänning ligger sedan grund för UTHD-resultaten. Tyvärr visar
UTHD-uträkningen i avsnitt 6.7 att ett UTHD under 3 % inte blir troligt med en mindre kondensatorbank, anledningen är den nya parallellresonansen som infinner sig vid sjunde överton. För att klara UTHD med max 3 % spänningsdistorsion skapades ett filter. Filtret använder sig av befintlig reducerad kondensatorbank tillsammans med en resistor och induktor. Resultatet blev ett högpassfilter med uppgift att dämpa impedansen från 220 Hz och uppåt. Se filtret i avsnitt 6, där ses även enligt simuleringarna med filter att impedansen börjar sänkas rejält från 220 Hz och uppåt enligt figur 6.5. Dämpningen håller i sig upp till ungefär 500 Hz innan impedansen blir lika stor som utan filter, eftersom filtret har dimensionerats för normalt driftfall blir UTHD jämförelsen mellan SS-EN50160A1 och normalt driftfall.
7.1 Diskussion
Spänningsdistorsionen är troligtvis beräknad i överkant och anledningen är som nämnts tidigare, att för simuleringarna med en mindre kondensatorbank har strömförstärkningen räknats lika högt som för resonans med femte överton. Troligtvis är strömförstärkningen något lägre vid högre frekvens, strömförstärkningen bestäms av resistansen i kretsen och här har frekvensen en liten påverkan på resistansen. Den slutgiltiga rekommendationen för att skapa en mindre reaktiv inmatning och även sänka spänningsdistorsionen blir att:
- I befintlig kondensatorbank koppla bort erforderliga kondensatorer för att totala reaktiva effekten ska bli cirka 12 MVAr.
- Till den ombyggda kondensatorbanken ansluta en resistor och induktor för att skapa ett högpassfilter. Filtret skapar en impedansdämpning som då kommer sänka övertonsspänningarna under 3 % som är SS-EN50160A1 maximala värde.