ÖVE/ÖNORM TR 61869-102 Ausgabe: 2015-03-01 Messwandler Teil 102: Ferroresonanzschwingungen in Schaltanlagen mit induktiven Spannungswandlern (IEC TR 61869-102:2014) Instrument transformers Part 102: Ferroresonance oscillations in substations with inductive voltage transformers (IEC TR 61869-102:2014) Medieninhaber und Hersteller: OVE Österreichischer Verband für Elektrotechnik Austrian Standards Institute ICS 17.220.20 Copyright OVE/Austrian Standards Institute 2015. Alle Rechte vorbehalten! Nachdruck oder Vervielfältigung, Aufnahme auf oder in sonstige Medien oder Datenträger nur mit Zustimmung gestattet! Verkauf von in- und ausländischen Normen und technischen Regelwerken durch Austrian Standards Institute Heinestraße 38, 1020 Wien E-Mail: sales@austrian-standards.at Internet: www.austrian-standards.at Webshop: www.austrian-standards.at/webshop Tel.: +43 1 213 00-300 Fax: +43 1 213 00-818 Alle Regelwerke für die Elektrotechnik auch erhältlich bei OVE Österreichischer Verband für Elektrotechnik Eschenbachgasse 9, 1010 Wien E-Mail: verkauf@ove.at Internet: www.ove.at Webshop: www.ove.at/webshop Tel.: +43 1 587 63 73 Fax: +43 1 587 63 73-99 Ident (IDT) mit zuständig IEC TR 61869-102:2014 (Übersetzung) OVE/Komitee TK MR Mess- und Regelungstechnik
ÖVE/ÖNORM TR 61869-102:2015 Nationales Vorwort Dieser Technische Bericht IEC TR 61869-102:2014 hat sowohl den Status von Österreichischen BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK gemäß ETG 1992 als auch den einer ÖNORM gemäß NG 1971. Bei ihrer Anwendung ist dieses Nationale Vorwort zu berücksichtigen. Für den Fall einer undatierten normativen Verweisung (Verweisung auf einen Standard ohne Angabe des Ausgabedatums und ohne Hinweis auf eine Abschnittsnummer, eine Tabelle, ein Bild usw.) bezieht sich die Verweisung auf die jeweils neueste Ausgabe dieses Standards. Für den Fall einer datierten normativen Verweisung bezieht sich die Verweisung immer auf die in Bezug genommene Ausgabe des Standards. Der Rechtsstatus dieser ÖSTERREICHISCHEN BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK/ÖNORM ist den jeweils geltenden Verordnungen zum Elektrotechnikgesetz zu entnehmen. Bei mittels Verordnungen zum Elektrotechnikgesetz verbindlich erklärten ÖSTERREICHISCHEN BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK/ÖNORMEN ist zu beachten: Hinweise auf Veröffentlichungen beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, auf den Stand zum Zeitpunkt der Herausgabe dieser ÖSTERREICHISCHEN BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK/ÖNORM. Zum Zeitpunkt der Anwendung dieser ÖSTERREICHISCHEN BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK/ÖNORM ist der durch die Verordnungen zum Elektrotechnikgesetz oder gegebenenfalls auf andere Weise festgelegte aktuelle Stand zu berücksichtigen. Informative Anhänge und Fußnoten sowie normative Verweise und Hinweise auf Fundstellen in anderen, nicht verbindlichen Texten werden von der Verbindlicherklärung nicht erfasst. Europäische Normen (EN) werden gemäß den Gemeinsamen Regeln von CEN/CENELEC durch Veröffentlichung eines identen Titels und Textes in das Gesamtwerk der ÖSTERREICHISCHEN BESTIMMUNGEN FÜR DIE ELEKTROTECHNIK/ÖNORMEN übernommen, wobei der Nummerierung der Zusatz ÖVE/ÖNORM bzw. ÖNORM vorangestellt wird. 2
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Inhalt Einleitung... 8 1 Anwendungsbereich... 9 2 Normative Verweisungen... 9 3 Einführung in Ferroresonanzschwingungen... 9 3.1 Definition der Ferroresonanz... 9 3.2 Anregung von stationären und instationären Ferroresonanzschwingungen... 11 4 Einphasige und dreiphasige Schwingungen... 13 4.1 Einphasige Ferroresonanzschwingungen... 13 4.2 Das vereinfachte Ersatzschaltbild für einphasige Ferroresonanzschwingungen... 14 4.3 Kapazitive Spannungswandler... 17 4.4 Dreiphasige Ferroresonanzschwingungen... 17 4.4.1 Allgemeines... 17 4.4.2 Aufbau... 17 4.4.3 Anregung der Ferroresonanz... 18 4.4.4 Resultierende Kurvenform der Ferroresonanzschwingung... 18 4.4.5 Typische Oszillogramme der dreiphasigen Ferroresonanz... 21 5 Beispiel von Ferroresonanz-Konfigurationen... 22 5.1 Einphasige Ferroresonanz Schaltfeld in einer 245-kV-Freiluftschaltanlage... 22 5.2 Einphasige Ferroresonanzschwingungen aufgrund von Leitungskopplungen... 24 5.3 Dreiphasige Ferroresonanzschwingungen... 27 6 Induktive Spannungswandler (Hauptteile)... 28 7 Das Ersatzschaltbild für einphasige Ferroresonanz... 30 7.1 Schematische Darstellung... 30 7.2 Magnetisierungskennlinie... 31 7.3 Stromkreisverluste... 32 8 Notwendige Angaben für die Untersuchung von Ferroresonanz... 33 8.1 Allgemeines... 33 8.2 Einphasige Ferroresonanz... 33 8.3 Dreiphasige Ferroresonanz... 34 9 Computersimulation von Ferroresonanzschwingungen... 35 9.1 Allgemeines... 35 9.2 Elektrischer Stromkreis und Stromkreiselemente... 35 9.3 Stromkreisverluste... 35 4
9.4 Beispiele von Simulationsergebnissen für einphasige Ferroresonanzschwingungen...36 9.4.1 Allgemeines...36 9.4.2 Fall 1: Transiente, abnehmende Ferroresonanzschwingung...36 9.4.3 Fall 2: Stationäre Ferroresonanzschwingung mit Netzfrequenz...37 9.4.4 Fall 3: Stationäre subharmonische Ferroresonanzschwingung...37 9.4.5 Fall 4: Stationäre chaotische Ferroresonanzschwingung...38 9.5 Simulation dreiphasiger Ferroresonanz...39 10 Experimentelle Untersuchungen, Prüfverfahren und praktische Messungen...40 10.1 Allgemeines...40 10.2 Einphasige Ferroresonanzschwingungen...40 10.3 Dreiphasige Ferroresonanzschwingungen...43 11 Vermeidung und Unterdrückung von Ferroresonanzschwingungen...44 11.1 Flussdiagramm...44 11.2 Vorhandene Schaltanlagen...46 11.3 Neue Projekte...46 11.4 Vermeidung von Ferroresonanzschwingungen...46 11.4.1 Allgemeines...46 11.4.2 Einphasige Ferroresonanzschwingungen...47 11.4.3 Dreiphasige Ferroresonanzschwingungen...47 11.5 Dämpfung von Ferroresonanzschwingungen...47 11.5.1 Allgemeines...47 11.5.2 Einphasige Ferroresonanzschwingungen...47 11.5.3 Dreiphasige Ferroresonanzschwingungen...49 Anhang A (informativ) Schwingungen in nichtlinearen Stromkreisen...51 A.1 Übersicht...51 A.2 Die Vereinfachung der nichtlinearen elektrischen Stromkreise mit dem Theorem von Thévenin...53 A.3 Die Differentialgleichung für Ferroresonanzschwingungen...53 A.4 Schwingungsfrequenzen in Ferroresonanzsystemen...55 Literaturhinweise...56 Bilder Bild 1 Beispiel einer typischen Magnetisierungskennlinie eines ferromagnetischen Kerns...10 Bild 2 Ersatzschaltbild des einfachsten Ferroresonanzkreises...10 Bild 3 Beispiele von gemessenen einphasigen Ferroresonanzschwingungen mit 2 16 - Hz - Schwingungen...12 3 Bild 4 Schematische Darstellung eines freigeschalteten Abgangsfeldes mit Spannungswandlern als ein Beispiel, in dem einphasige Ferroresonanz auftreten kann...13 Bild 5 Ersatzschaltbild einer Netzsituation, die zu einphasigen Ferroresonanzschwingungen neigt, wobei sie über die kapazitive Kopplung von parallel verlaufenden Freileitungssystemen angeregt und aufrechterhalten wird...14 5
Bild 6 Ersatzschaltbilder für die theoretische Analyse von einphasigen Ferroresonanzschwingungen... 16 Bild 7 Isoliertes Netz als Beispiel für das Ersatzschaltbild in einer Situation, in der eine dreiphasige Ferroresonanzschwingung auftreten kann... 17 Bild 8 Zeigerdiagramm zur Erklärung der Schwingung des Erdpotentials... 18 Bild 9 Von Bergmann verwendeter Laboratoriums-Prüfaufbau... 19 Bild 10 Bereiche der Kapazität C und der verketteten Spannung U, in denen unterschiedliche harmonische und subharmonische Ferroresonanzschwingungen bei einem Widerstand R = 6,7 Ω im Prüfaufbau nach Bergmann beobachtet wurden... 20 Bild 11 Bereiche der Kapazität C und der verketteten Spannung U, in denen Ferroresonanzschwingungen mit der zweiten Subharmonischen bei Veränderung des Widerstands R im Prüfaufbau nach Bergmann beobachtet wurden... 20 Bild 12 Bereiche der Kapazität C und der verketteten Spannung U, in denen unterschiedliche Schwingungstypen von Ferroresonanzschwingungen mit der zweiten Subharmonischen bei einem Widerstand R = 6,7 Ω im Prüfaufbau nach Bergmann beobachtet wurden... 21 Bild 13 Anzeige eines Störungsrecorders einer dreiphasigen Ferroresonanzschwingung... 22 Bild 14 Schaltfelder in der 245-kV-Schaltanlage, in der einphasige Ferroresonanzen auftreten können... 23 Bild 15 Beispiele von Schwingungen der einphasigen Ferroresonanz beim Ausschalten des Leistungsschalters nach Bild 14... 24 Bild 16 Einphasiges Schema der Netzsituation auf der 60-kV-Spannungsebene im Bereich der Schaltanlagen 1, 2 und 3... 25 Bild 17 Mastbild auf der von den Freileitungen zwischen Schaltanlage 1 und Schaltanlage 2 gemeinsam benutzten Strecke... 26 Bild 18 Ferroresonanzschwingungen, die an der Leitung Nr. 5 an Schaltanlage 2 aufgezeichnet worden sind... 26 Bild 19 Einphasiges Schema der 170-kV-Schaltanlage (links) und der 12-kV-Schaltanlage (rechts), in denen während des Schaltvorgangs dreiphasige Ferroresonanzschwingungen aufgetreten sind... 27 Bild 20 Oszillogramme der dreiphasigen Spannungen am induktiven Spannungswandler T04... 28 Bild 21 Ersatzschaltbild des Spannungswandlers und die Vereinfachung für die Ferroresonanzuntersuchungen... 29 Bild 22 Ersatzschaltbild für die Analyse einphasiger Ferroresonanzschwingungen... 31 Bild 23 Beispiel einer Hysteresekurve eines Spannungswandlerkerns, gemessen bei 50 Hz... 32 Bild 24 Ersatzschaltbild für dreiphasige Ferroresonanzschwingungen... 34 Bild 25 Transiente, abnehmende Ferroresonanzschwingungen mit der fünften Subharmonischen 50/5 Hz (10 Hz)... 36 Bild 26 Stationäre Ferroresonanzschwingungen mit Netzfrequenz... 37 Bild 27 Stationäre Ferroresonanzschwingungen mit 10 Hz... 38 Bild 28 Stationäre chaotische Ferroresonanzschwingungen... 39 Bild 29 Beispiel für den Anschluss eines Messwiderstandes zur Erfassung des Stromsignals durch die Primärwicklung des Spannungswandlers am Anschluss N (siehe Schaltbild in Bild 30)... 41 Bild 30 Messung des Stroms durch die Primärwicklung und der Spannung an der Sekundärwicklung des Spannungswandlers... 42 Bild 31 Messung einer einphasigen Ferroresonanzschwingung... 43 6
Bild 32 Messung von dreiphasigen Ferroresonanzschwingungen mit einem Oszilloskop...44 Bild 33 Flussdiagramm zur Analyse und Vermeidung von Ferroresonanzschwingungen...45 Bild 34 Ersatzschaltung mit Dämpfungseinrichtung (rote Kreise), die an die Sekundärwicklung des Spannungswandlers angeschlossen ist...47 Bild 35 Beispiel der wirksamen Dämpfung von einphasigen 2 Ferroresonanzschwingungen mit 16 Hz...48 3 Bild 36 Dämpfung von Ferroresonanzschwingungen in der offenen Dreiecksschaltung von Spannungswandlern im Schaltfeld...49 Bild 37 Dämpfung von Ferroresonanzschwingungen mit Spannungswandlern im Sternpunkt des Leistungstransformators...50 Bild A.1 Ersatzschaltung Stromkreis für die Analyse der Ferroresonanzschwingung...51 Bild A.2 Ersatzschaltung für die Ableitung der nichtlinearen Differentialgleichung zweiter Ordnung...54 Bild A.3 Ein nichtlineares Schwingungssystem...55 Tabellen Tabelle 1 Anregungsarten und mögliche Entwicklungen von Ferroresonanzschwingungen...11 Tabelle 2 Parameter...33 7