Simulation von Störfällen in Verteilungsnetzen mit Heizkraftwerken

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1 imulation von törfällen in Verteilungsnetzen mit Heizkraftwerken orsten Haase *, Fred Prillwitz * * Universität ostock, Institut für Elektrische Energietechnik Albert-Einstein-tr., 859 ostock torsten.haase@uni-rostock.de, fred.prillwitz@uni-rostock.de Einleitung Die Ursachen für törungen in den -kv-verteilnetzen können vielfältig sein. Neben Blitzeinschlägen sind turmböen eine der häufigsten Ursachen, die im schlimmsten Fall zu Umbrüchen von Hochspannungsfreileitungsmasten führen können und damit zu einem Kurzschluss im Netz. Bedingt durch diese Netzfehler entsteht ein pannungstrichter, wobei die pannung im umgebenden Netz je nach Art und Dauer des Fehlers absinkt. Befinden sich konventionelle Erzeugungsanlagen in diesem richter, dann können sich diese Anlagen in Abhängigkeit von der Entfernung zur Fehlerstelle durch Auslösung des Untererregungsschutzes vom Netz trennen. In diesem Beitrag wird eine solch oben dargestellte ituation, die im Jahr im Netzgebiet der enviam aufgetreten ist, untersucht. Ziel der Untersuchung sind die möglichen schädlichen Auswirkungen solcher Netzfehler auf die Betriebsmittel der konventionellen Erzeugungsanlagen, in diesem Fall auf einen Generator mit einer Gasturbine in einem Heizkraftwerk. törungsverlauf Im Januar kam es im -kv-netz der enviam zwischen den Umspannwerken Preilack (Prl) und Neuendorf (Ndf) zu einem Umbruch von drei Hochspannungsfreileitungsmasten. Dies verursachte im gesamten Netz des Heizkraftwerkes (HKW) Cottbus einen pannungseinbruch kleiner,7 U N. Der Gasturbinengenerator ging durch Untererregungsauslösung vom Netz. Kurz darauf erfolgte die Netztrennung der Dampfturbine. Einen ag später wurde das HKW Cottbus aufgrund von zu hohen chwingungen der Gasturbine abgeschaltet. Aus dem Betrieb ergaben sich die Fakten, dass nach der törung im -kv-netz die Gasturbine anfangs nicht mehr gestartet werden konnte und die chwingungen bis zur Abschaltung der Gasturbine zunahmen. Anhand der törungsmitschrift lässt sich folgender törungsverlauf im enviam- Netz als wahrscheinlich rekonstruieren:

2 = -, s = s =,83 s 3 =,38 s 4 =,44 s Das -kv-netz ist störungsfrei. Einpoliger Erdschluss des Leiters auf der Leitung Prl Der Erdschluss erfolgte auf ca. halber Leitungslänge. Zweipoliger Kurzschluss von Leiter und mit Erdberührung auf der Leitung Prl an der gleichen telle. Ursache ist ein Umbruch von 3 Freileitungsmasten. Auslösung des Leistungsschalters der Leitung Prl im W Neuendorf. Der Fehler ist vom enviam-netz getrennt und wird nur noch aus dem Netz der Vattenfall Europe gespeist. Auslösung des Leistungsschalters der Leitung Prl im UW Preilack. Der fehlerbehaftete Abschnitt ist dadurch komplett freigeschaltet. Datenbasis Das Netzmodell des -kv-netzes der enviam wurde nach einem vorliegenden chaltzustand sowie Last- und Kurzschlussdaten erstellt. Die Daten der Generatoren und ransformatoren im HKW Cottbus waren auch bekannt. Für eine imulation im Effektivwertbereich bei Unsymmetrie sowie im Momentanwertbereich werden neben den Daten des Mitsystems auch Angaben zum Gegensystem und Nullsystem der Betriebsmittel benötigt, die alle vorlagen. Das -kv- Netz der enviam im Netzgebiet Cottbus wird über die Leitungen Prl (Preilack Neuendorf ) und Prl 3 (Preilack 3 Neuendorf 3) vom 38/-kV Umspannwerk Preilack der Vattenfall Europe ransmission (VE-) versorgt. Die 38-kV-ammelschienen im UW Preilack werden nicht gekuppelt betrieben. Die Leitungen Prl und Prl 3 speisen im W Neuendorf der enviam die ammelschienen bzw., die miteinander gekuppelt sind. Vor der törung wurden von der VE- über die Leitungen Prl und Prl 3 eine Leistung von P = 75 MW und Q = 6 MVAr in das -kv-netz der enviam eingespeist. Der Generator der Hochdruckdampfturbine des Heizkraftwerkes war zum untersuchten Zeitpunkt schon außer Betrieb. Der Generator der Gasturbine wurde im Auslegungspunkt ( = 7,65 MVA, cosϕ N =,85) betrieben. Modellierung und imulation Das Herzstück des HKW Cottbus ist eine Druckwirbelschichtkesselanlage. Der darin erzeugte Dampf wird durch eine HD- und eine MD-/ ND-Dampfturbine geleitet und erzeugt hier trom. Neben seiner Funktion als Dampferzeuger dient der Kessel als externe Brennkammer einer Gasturbine zur trom- und Druckluftgewinnung. Der Frequenz-Leistungsregler der Gasturbine ist ein PI- egler, der die Position des ervomotors in Abhängigkeit vom Leistungssollwert und der mit der Primärregelstatik gewichteten Drehzahlabweichung vorgibt. Ausgangsgröße des Modells ist der Gasmassenstrom. Die Brennkammer wird vereinfacht durch ein Verzögerungsglied Ordnung nachgebildet.

3 Der komplette Antriebsstrang besteht aus dem Generator, einem Getriebe (mit Zahnrad und itzel), einer flexiblen Kupplung und der Gasturbine. Der Gasturbinen-Generatorsatz wird durch ein Dreimassenmodell nachgebildet, wobei der Generator, das Zahnrad und die Gasturbine inklusive Kupplung und itzel jeweils durch eigene rägheitsmomente dargestellt sind. Die Wellenabschnitte zwischen Generator und Getriebe sowie zwischen Getriebe und Gasturbine werden durch ihre teifigkeit und Dämpfung sowie eibungsverluste charakterisiert. Man kann dadurch die orsion zwischen dem Generator und der urbine nachbilden. Diese Phänomene lassen sich mit einem Einmassenmodell nicht simulieren. Für den pannungsregler wurde ein in Kraftwerken häufig installierter PD-egler mit tabilisierungspfad verwendet. Der törungsverlauf wurde präzise nachgebildet. Das Netzmodell wurde dynamisch an den Mitschriften der Verläufe der pannungen auf den Leitungen Prl und Prl 3 überprüft. Ein Vergleich der in den Abb. dargestellten simulierten Verläufe mit den vom törschreiber gemessenen Verläufen zeigt eine gute Übereinstimmung. Die eaktion des Gasturbinengenerators auf die törung im -kv-netz wurde im Momentan- und Effektivwertbereich untersucht. Berechnet wurden dabei die Drehzahl- und Momentenänderungen aller Elemente des aus Generator, Getriebe und Gasturbine bestehenden Antriebsstranges. Die auftretenden Momentenänderungen sind dann maßgeblich für die Beurteilung eines möglichen chadens am Antriebsstrang. NDFB - PL : pannung Nullsystem in p.u. 3 NDFB - PL : pannung Leiter in p.u. 3 NDFB - PL : pannung Leiter in p.u. 3 3 NDFB - PL : pannung Leiter in p.u DIgILEN Abb. : Momentanwerte der pannungen auf der Leitung Prl

4 = s Leiter-Erde-pannung in kv. DIgILEN - Abb. : Generator vor -pol. Erdschluss =,83 s Leiter-Erde-pannung in kv. DIgILEN - - Abb. 3: Generator vor -pol. Kurzschluss =,84 s Leiter-Erde-pannung in kv. DIgILEN - Abb. 4: Generator nach -pol. Kurzschluss

5 =,38 s Leiter-Erde-pannung in kv. DIgILEN Abb. 5: Generator vor Öffnen des Leistungsschalters in Ndf =,384 s Leiter-Erde-pannung in kv. DIgILEN Abb. 6: Generator nach Öffnen des Leistungsschalters in Ndf Ergebnis der Untersuchung Aus den Abb. 7 lässt sich folgendes ablesen: Vor dem Eintritt des -poligen Erdschlusses wird der Generator übererregt betrieben, d.h. er speist induktive Blindleistung ins Netz. Die pannungs- und tromzeiger sind völlig symmetrisch. Während des -poligen Erdschlusses ändert sich das Verhalten des Generators. Durch den -poligen Erdschluss auf der Leitung Prl kommt es zu einer sprunghaften Änderung der Länge und der Phasenlage der pannungszeiger an der O-eite des rafos am HKW Cottbus. Ein Null- sowie ein Gegensystem treten nun auf. Der Dreiwicklungstrafo (YNynyd5) transformiert und verdreht die pannungen auf die U-eite. Dort tritt kein Nullsystem auf, aber das Gegensystem bewirkt eine sprunghafte Änderung der Länge und der Phasenlage der Zeiger. Der pannungswinkel ändert sich sprungförmig, was zur Folge hat, dass der Polradwinkel sich um diese Differenz erhöht.

6 Gasturbine: Abtriebsmoment urbine in p.u Gasturbinengenerator: Elektrisches Moment in p.u. 3-3 Gasturbine: Drehzahländerung Generator in mhz Gasturbine: Drehzahländerung urbine in mhz Abb. 7: Momentanwerte der Gasturbine und des Generators DIgILEN Dadurch vergrößert sich das elektrische Moment, was eine kurzzeitige Erhöhung der Wirkleistung nach sich zieht. Die Erhöhung des abtreibenden elektrischen Momentes bei konstanter Antriebsleistung hat einen Einbruch der Drehzahl zur Folge, siehe Abb. Das Polrad kehrt nach einem Ausgleichsvorgang wieder in seine ursprüngliche Lage zurück. Während des zweipoligen Kurzschlusses mit Erdberührung ändert sich das Verhalten des Generators. Die tröme in den Phasen und sind in Phasenopposition, d.h. es entsteht ein Wechselstrom. Der Generator geht über in den untererregten Zustand, d.h. es wird kapazitive Blindleistung in das Netz eingespeist. Nach der Auslösung des Leistungsschalters im W Neuendorf und der damit verbundenen rennung des Fehlers vom enviam- Netz wird dem Generator sofort die symmetrische Netzspannung aufgeprägt und nach einem Übergangsvorgang kehrt der Generator in die übererregte Betriebsweise zurück. Aufgrund der in der Untersuchung erzielten Ergebnisse erscheint es unwahrscheinlich, dass die Gasturbine im HKW Cottbus durch die törung im Jahr im -kv-netz der enviam beschädigt worden ist. Der Generator war zu keinem Zeitpunkt der törung vollständig vom Netz getrennt, d.h. es trat keine Inselnetzbildung auf. Die törung war ein fehlerhafter, aber kein kritischer Betriebszustand, für den der Generator und die Gasturbine jedoch ausgelegt sein müssen. Es traten keine Extremwerte bei den Mittelwerten der Drehmomente auf. Die Zulässigkeit der momentanen Belastung, die an der Gasturbine aufgetreten ist, kann nur vom urbinenhersteller beurteilt werden.