HVDC Sustavi prijenosa

7/24/2019 HVDC Sustavi prijenosa

1/45

SVEUILITE U SPLITU

SVEUILINI ODJEL ZA STRUNE STUDIJE

ODSJEK ZA ELEKTROTEHNIKU

IVAN KLJAKOVI

ZAVRNI RAD

VISOKONAPONSKI ISTOSMJERNI HVDCPRIJENOSNI SUSTAVI

SPLIT, VELJAA 2015. g.


2/45

SVEUILITE U SPLITU

SVEUILINI ODJEL ZA STRUNE STUDIJE

ODSJEK ZA ELEKTROTEHNIKU

PREDMET: PRIJENOSNE MREE

ZAVRNI RAD

KANDIDAT: IVAN KLJAKOVI

TEMA ZAVRNOG RADA:VISOKONAPONSKI ISTOSMJERNI

HVDC PRIJENOSNI SUSTAVI

MENTOR: EDUARD KEC dipl.ing.el.

SPLIT, VELJAA 2015.


3/45I

SAETAK

VISOKONAPONSKI ISTOSMJERNI HVDC PRIJENOSNI SUSTAVI

U ovom zavrnom radu opisan je visokonaponski istosmjerni sustav prijenosa(HVDC). Opisane su prednosti, nedostaci i temeljne razlike takvih sustava u odnosu na

visokonaponski izmjenini prijenos elektrine energije (HVAC). Opisane su moguekonfiguracije spajanja visokonaponskih istosmjernih mrea i sve bitne komponente koje senalaze u sustavu, s naglaskom na pretvarake stanice u kojima se nalazi veina ovihkomponenata. Opisan je osnovni nain upravljanja ovih sustava s naglaskom na funkcije istupnjeve upravljanja. Na kraju su navedeni osnovni sustavi zatite koji osiguravaju pouzdanrad i sigurnost ovih sustava.

ABSTRACT

HIGH-VOLTAGE DIRECT CURRENT HVDC TRANSMISSION SYSTEMS

This paper describes the high-voltage DC transmission system (HVDC). It describes

advantages, disadvantages and fundamental differences of these systems in relation to the

high-voltage AC power transmission (HVAC). It describes possible configurations connecting

high-voltage direct current networks and all of the essential components contained in the

system, with an emphasis on the converter station where the most of these components are

found. It explains the basic ways of controling these systems with a focus on the control

functions and levels. Finally it describes basic protection systems which ensures reliable

operation and security of these systems.


4/45II

SADRAJ

SAETAK................................................................................................................................... I

ABSTRACT ................................................................................................................................ I

1. UVOD .................................................................................................................................... 1

2. VISOKONAPONSKI ISTOSMJERNI HVDC PRIJENOSNI SUSTAVI ............................ 2

2.1. Povijesni razvoj ............................................................................................................... 2

2.2. Osnovni princip rada HVDC sustava .............................................................................. 3

2.3. Tehniko i ekonomsko opravdanje................................................................................. 4

2.4. Prednosti HVDC sustava u odnosu na HVAC sustave ................................................... 6

2.5. Nedostaci HVDC sustava u odnosu na HVAC sustave .................................................. 7

2.6. Razlike izmeu istosmjernog DC i izmjeninog AC prijenosa elektrine energije........ 8

3. IZVEDBE HVDC PRIJENOSNOG SUSTAVA ................................................................. 10

3.1. Back-to-back HVDC sustavi prijenosa ......................................................................... 10

3.2. Jednopolni HVDC sustavi prijenosa ............................................................................. 11

3.3. Dvopolni HVDC sustavi prijenosa ................................................................................ 12

3.4. Vieterminalni HVDC sustavi prijenosa....................................................................... 14

4. KOMPONENTE HVDC PRIJENOSNOG SUSTAVA ....................................................... 15

4.1. Tiristorski ventil ............................................................................................................ 15

4.1.1. Hlaenje tiristorskih ventila................................................................................... 16

4.1.2. LTT Tiristori .......................................................................................................... 18

4.2. Transformator pretvara ................................................................................................ 19

4.2.1. Glavni dijelovi transformatora pretvaraa.............................................................. 20

4.3. Prigunica za smanjenje valovitosti.............................................................................. 21

4.4.Harmonijski filteri .......................................................................................................... 22

4.4.1 AC harmonijski filteri i kondenzatorske baterije .................................................... 22

4.4.2. DC harmonijski filter ............................................................................................. 23

4.5.Odvodnici prenapona ..................................................................................................... 23

4.6. Istosmjerni dalekovodi .................................................................................................. 25

4.6.2. Izolatori .................................................................................................................. 25

4.6.3. Istosmjerni energetski kabeli .................................................................................. 27

4.6.4. Brzi DC prekidai ................................................................................................... 28


5/45III

4.6.5. Uzemljivake sonde............................................................................................... 29

5. ZATITA I UPRAVLJANJE HVDC SUSTAVIMA.......................................................... 32

5.1.Upravljanje HVDC prijenosnim sustavima .................................................................... 32

5.1.1. Upravljanje tokovima snaga u HVDC sustavima .................................................. 32

5.1.2. Osnovne funkcije upravljanja HVDC sustavima ................................................... 33

5.1.3. Stupanj upravljanja i zatite................................................................................... 34

5.2. Zatita HVDC prijenosnog sustava............................................................................... 36

6. ZAKLJUAK...................................................................................................................... 39

LITERATURA: ........................................................................................................................ 40


6/451

1. UVOD

Dinamian napredak izmjeninog prijenosa polako postie svoj maksimum, a potrebe za

sigurnijim i efikasnijom opskrbom energije rastu. Istosmjerni prijenos (HVDC) se nametnuokao rjeenje za pruanje potpore postojeem izmjeninom sustavu. Problem udaljenosti

proizvodnje i potronje te njihova koncentriranost na udaljenijim ili nepristupanimlokacijama je doprinijela razvoju HVDC-a. Time se postavljaju novi zahtjevi za rad

postojeeg sustava.

U proteklih 50 godina,prijenosna mo HVDC sustava se povealas 20 MW na 80 GW. Oko30% ove prijenosne moi je razvijeno u posljednjih 10 godina. Veina HVDC sustavaisporuuje energiju od toke do toke na velike udaljenosti. Meutim, razvoj tehnologije

pretvaraa otvara nove mogunosti u primjeni HVDC sustava i u distribucijskim mreama.

Takve primjene ukljuuju spajanje asinkronih mrea ili mrea koje rade na razliitimfrekvencijama i interkonekcije diljem ekoloki osjetljivih podruja. Iako prijenos veineelektrine energije u svijetu ima temelj na tehnologijama visokog napona izmjenine struje(HVAC),tehnologija visokog napona istosmjerne struje (HVDC) prua alternativu kododreenih okolnosti.


7/452

2. VISOKONAPONSKI ISTOSMJERNI HVDC PRIJENOSNI SUSTAVI

2.1. Povijesni razvoj

Prvi prijenosni sustavi elektrine snage u povijesti su sustavi istosmjerne struje (DC).Meutim, niski istosmjerninaponi ograniavali su udaljenost prijenosaenergije i prijenosnumotakvih sustava. Nakon razvoja energetskog transformatora krajem 19. stoljea, postalo jemogue prenijeti elektrinu energiju na vee udaljenosti pomou prijenosnih sustava visokognapona izmjenine struje (HVAC). Tehnoloki napredak visokonaponskih diodnihcijevi,tiristora i IGBT tranzistora, otvaraju mogunost prijenosa istosmjerne elektrineenergije na visokim naponima na velike udaljenosti.

1951 godine, eksperimentalno dovreno je30 MW HVDC postrojenje u Rusiji. Sastojalo se

od 116 km dugog, 200 kV nadzemnog dalekovoda od Moskve do Kasira. Godine 1954. prvikomercijalni HVDC prijenosni sustav je naruen u vedskoj. Sustav je radio na principuivinogventil ispravljaa i omoguio jeprijenos energije 96 km dugim vodom, napona 100kV i snage 20 MW (podvodna veza izmeu Gotland-a i vedskog kopna).

Razvoj cijevnih tiristorskih pretvaraa dovodido poveane primjene HVDC naina prijenosa.Godine 1972. prvi sustav pomou cijevnih tiristorskih pretvaraa je izraen u Kanadi, kao 320MW-tni projekt, i spajao je sustave New Brunswick i Quebec provincija. Najvei svjetskiHVDC projekt se nalazi u Brazilu, gdje se 6300 MW snage isporuuje iz Itaipu hidroelektrane

preko 800 km voda napona 600 kV.

Sl i ka 2.1.Rast instalirane snage HVDC sustava u svijetu


8/453

2.2. Osnovni princip rada HVDC sustava

Jednostavan prikaz HVDC sustava je prikazan na sljedeoj slici.

Sli ka 2.2.Jednostavan prikaz HVDC sustava

Izmjenina elektrina energija (AC1 strana) se dovodi napretvarakoji djeluje kao ispravlja.Izlaz toga ispravljaa jeistosmjerna elektrina energija, koji je neovisna ofrekvenciji i fazi naizmjeninoj strani. Istosmjerna elektrina energija se prenosi kroz provodni medij; bilo da seradi o nadzemnom dalekovodu, energetskim kabelom ili kratkoj duinisabirnica do suprotnogterminala gdje se nalazi drugi pretvara. Ovaj drugi pretvara radi kao linijski komutiraniizmjenjiva eng. line-commutated inverter i omoguuje tok energije u prijemnu izmjeninumreu(AC2 strana).


9/454

Sl i ka 2.3.Jednopolna shema dvopolnog HVDC pretvaraa

2.3. Tehniko i ekonomsko opravdanje

HVDC prijenosni sustavi se primjenjuju u sljedeim sluajevima:

Kod podvodnih veza duih od 30-50 km, gdje prijenos izmjeninim AC kabelom ne bibio ekonomski uinkovit zbog zahtjeva za kompenzaciju jalove energije.

Kod asinkronih veza izmeu izmjeninih sustava koji rade na razliitim frekvencijama

Npr.povezivanje 50 Hz generatora (Hidroelektrana Itaipu) u Paragvaju sa 60 Hzsustavima u Brazilu

Kod prijenosa velikih snaga na velike udaljenosti npr. Sustav Cahora Bassa,

isporuuje 1800 MW preko 1414 km dugog dalekovoda od Songa, u Mozambiku doApolona u Junoj Africi

Nadalje, efikasna kontrola protoka energije, to je mogue kod HVDC sustava, ima pozitivanutjecaj na stabilnost sustava. Kao rezultat nedavnog napretka u tehnologiji pretvaraa, HVDCsustavi se sve vie uzimaju u obzir kao alternativa za klasine HVAC sustave.

HVDCprijenosni sustavi nisu u irokoj uporabi, iz sljedeih razloga:

Potekoe u komunikaciji gdje lokalna infrastruktura nedostaje.


10/455

Tehnika sloenost u izvedbi i radu sustava. Skupa postrojenja gdje se vri pretvaranje elektrine energije iz izmjenine u

istosmjernu i obrnuto.

Troak HVDC prijenosnog sustava ovisi o imbenicima kao to su: snaga koja se prenosi

prijenosnim medijem (npr. kabel ili nadzemni dalekovod), utjecaj na okoli, sigurnosni iregulatorni zahtjevi. Ukupna cijena izgradnje HVDC sustava moe se podijeliti u dvije glavnekomponente: pretvarake stanice i prijenosni sustavi (trase). Osim glavnog troka nadzemnogdalekovoda, dodatni trokovi variraju ovisno o trokovima zemljita, te dostupnosti terenakojim se treba prijei. Za prijenos 2000 MW snaga, toka izjednaenja u cijeni izmeuistosmjernog i izmjeninog naina prijenosa se nalazi na udaljenosti od 650 km (slika 2.)Prema Woodford Investment Management-u, kapitalni trokovi jednog HVDC nadzemnogdalekovoda moe biti 80% -100% cijene za istu naponsku razinu izmjeninog HVACdalekovoda. Meutim,HVDC dalekovod je sposoban prenijeti dva puta veu snagu u odnosuna istu udaljenost. Ukupna cijena HVDC prijenosnog sustava je visoka zbog velikih trokova

pretvarakih stanica, to moe biti i do tri puta skuplje u odnosu na izmjenine trafostanice(uz pretpostavku istih trokova izvedbe dalekovoda).

Kao poetna uputa za izbor izmeu HVAC i HVDC prijenosa elektrine energije, jedanproizvoa primjenjuje naelo da ako se barem 1000 MW prenosi preko 1000 km, tada jeHVDC prijenos isplativiji.

Sl i ka 2.3.Varijacija HVDC trokova prijenosa s udaljenou


11/456

2.4. Prednosti HVDC sustava u odnosu na HVAC sustave

Unato to izmjenina struja dominira prijenosom elektrine energije u svijetu, prednostiHVDC sustava daju neke poeljnije opcije nad sustavima HVAC prijenosa, a to pokazuju

sljedee stavke:

Podmorski kabeli gdje visoki kapacitet uzrokuje dodatne gubitke kod izmjeninestruje (primjerice, 250 km dugi Baltiki kabel izmeu vedske i Njemake).

Prijenos jako velikih snaga od toke do toke na velike udaljenosti.

Poveanje kapaciteta postojee elektrine mree u situacijama u kojima su dodatnivodii skupi za primjenu.

Doputajui prijenos snage izmeu nesinkroniziranih izmjeninih distribucijskih iprijenosnih sustava.

Smanjenje presjeka ica i broja stupova za odreeni kod odreenih snaga.

Stabiliziranje preteno izmjenine elektrine AC mree bez poveanja maksimumastruje kratkog spoja.

Smanjenje gubitaka zbog efekta korone (zbog viih naponskih razina) u odnosu naizmjenine HVAC dalekovode slinih snaga.

Smanjenje trokova prijenosa, jer istosmjerni HVDCprijenos zahtijeva manje vodia;npr., dva vodia za tipinu bipolarnu HVDC konfiguraciju prijenosa u odnosu na tri

vodia koji su potrebni za trofaznu izmjeninu HVAC konfiguraciju prijenosa.

Vodii istosmjernog HVDC dalekovoda ne stvaraju nisko frekventno (ELF) elektromagnetskopolje kao toga stvaraju vodii izmjeninog HVAC dalekovoda. Iako su u prolosti postojalezabrinutosti u vezi moguih tetnih uinka takvih polja, ukljuujui i sumnju na poveanjestopa leukemije, trenutni znanstveni konsenzus ne smatra da su nisko frekventna

elektromagnetska polja tetna.

Prednosti gore opisanih stavki potiu uporabu HVDC trasa za odvajanje velikihelektroenergetskih sustava u nekoliko nesinkroniziranih dijelova. Npr. Porast

elektroenergetskog sustava u Indiji koji se gradi kao nekoliko regionalnih sustava snage koji

su povezani s HVDC dalekovodima i s "back-to-back" pretvaraima s centraliziranomkontrolom tih HVDC elemenata. Isto tako, u Kini, 800 kV HVDC je glavni nain za

prijenos velikih snaga na vrlo velike udaljenosti od velikih hidroelektrana i termoelektrana do

distributivnih mrea.


12/457

2.5. Nedostaci HVDC sustava u odnosu na HVAC sustave

Glavni nedostaci HVDC prijenosnih sustava, ukljuujui i istosmjerne HVDC veze kojepovezuju HVAC sustave, prikazani su u nastavku:

Pretvarake stanice koje spajaju mree izmjeninog napona su skupe. Pretvaraketrafostanice su sloenije od HVAC trafostanica, ne samo u dodatnoj opremi za

pretvorbu, vei u nainu kontrolei u regulaciji sustava.

Za razliku od HVAC sustava, projektiranje i upravljanje vie trasa HVDC sustava jesloeno. Kontrolu toka snage u takvim sustavima zahtijeva kontinuiranu komunikacijuizmeu svih trasa, i protok energije mora biti aktivno reguliran od strane kontrolnogsustava.

Pretvaraka trafostanica generira harmonike struje i napona, dok je proces pretvorbepraen potronjom jalove energije. Kao rezultat, potrebno je instalirati skupe ureajeza filtriranje i za kompenzaciju jalove snage.

Kratki spojevi u HVAC mrei blizu povezanih HVDC transformatorskih stanica,uzrokuju kvarove u prijenosnom HVDC sustavu. Pretvarake (inverter) trafostanice sunajosjetljivije.

Broj trafostanica u modernom multi-terminal HVDC transportnom sustavu ne moebiti vei od osam, a velike razlike u njihovim kapacitetima nisu dozvoljene. to je

vei broj trafostanica,tada razlika u kapacitetu izmeu njim mora biti to manja. Prematome, praktiki je nemogue konstruirati HVDC prijenosni sustav s vie od pettrafostanica.

Uzemljenje HVDC dalekovodaje sloeno i komplicirano, zbog potrebe za izvedbompouzdanog i trajnog kontakta prema zemlji i potrebe za eliminacijom pojave opasnog

"napona koraka."

Protok struje kroz zemlju u jednopolnim sustavima moe uzrokovati elektrokemijskukoroziju podzemnih metalnih instalacija, najee cjevovoda.


13/458

2.6. Razlike izmeu istosmjernog DC i izmjeninog AC prijenosa elektrineenergije

Izbor izmeu HVDC i HVAC prijenosa uglavnom ovisi o zahtjevima izvoenja trase. Neke

od glavnih razlika izmeu HVDC i HVAC dalekovoda u smislu prenapona i izolacije saetisu u sljedeoj tablici:

Stavka Razlike izmeu istosmjernih DC i izmjeninih AC sustava prijenosa

Izolacija

Istosmjerni HVDC dalekovodi zahtijevaju manju izolaciju za istu snagu

koja se prenosi u odnosu na izmjenine HVAC dalekovode jer je vrnavrijednost napona za istosmjerne sustave jednaka efektivnoj vrijednosti

napona, dok je vrna vrijednostnapona za izmjenine sustave zaputaveaod efektivne vrijednosti napona.

Prenaponi Istosmjerni prenaponi su vii od izmjeninih prenapona zbog razlika ustvaranju samih prenapona i obliku valova prenapona.

Oneienjeizolatora

Oneienje izolatora na istosmjernim HVDC dalekovodima u odnosu na izmjenine HVAC dalekovode dovodi do pojave veih parazitnih struja.Zbog ovoga je potrebna posebna izvedba izolatora za istosmjerne HVDC

dalekovode.

Izdrljivostoneienih

izolatora

Izolatori mogu izdrati nie istosmjerne napone od izmjeninih napona priistoj koliini zagaenja iza isti profil izolatora.

Efekti polariteta

na smetnje

Radiosmetnje se javljaju uglavnom pozitivnim istosmjernim HVDC

stupovima dok kod izmjeninih HVAC stupova, sve faze stvarajuradiosmetnje.

Vremenski

uinci naradiosmetnje

Pojava radiosmetnji kod istosmjernih HVDC dalekovoda je vea prisuhom vremenu nego pri vlanomvremenu (kia, snijeg...), u odnosu naizmjenine HVAC dalekovode.

Podnoljivostradiosmetnji

Brzina ponavljanja radiosmetnji je nia zaistosmjerne HVDC dalekovodenego za izmjenine HVAC dalekovode (mala je vjerovatnost da e

smetnje tj. umovi na niskim frekvencijama ometati komunikacijskesustave).

Telefonske

(komunikacijske)

smetnje

Zbog visokih razina harmonika struje i napona na istosmjernim DC

dalekovodima u usporedbi s izmjeninim AC dalekovodima, harmonijskesmetnje inducirane u susjednim telefonskim sustavima mogu biti velike i

tako ometaju pravilan rad susjednih telefonskih sustava. Posebno

filtriranje je potrebno da bi se ograniile smetnje na dozvoljene razine.Jednopolni sustavi, u odnosu dvopolne sustave imaju vei utjecaj nakomunikacijske sustave.


14/459

Gubici zbog

korone

Omjer gubitaka snage zbog vremenskih uvjeta je puno manji za

istosmjerne HVDC dalekovode u odnosu na izmjenine HVACdalekovode. Maksimalni gubici zbog korone su obino nii kodistosmjernih HVDC dalekovoda u odnosu na izmjenine HVACdalekovode.

Elektrinapoljaoko dalekovoda

Elektrina poljakoju stvaraju istosmjerni HVDC dalekovodi nisu ovisnavremenskom intervalu (t) i zbog toga ne izazivaju pojavu induciranjanapona u tijelima ljudi i ivotinja. Induciraninaponi koji stvaraju struje, auzrokovani su harmonijskim valovima, su zanemarivi.

Struje u

ljudskom tijelu

Ogranienja za jakost istosmjernih DC struja u ljudskom tijelu su vei uodnosu na izmjenine AC struje.

Ioni oko

dalekovoda

Koncentracije iona u blizini istosmjernih HVDC dalekovoda mogu biti

znatno iznad normalne razine u okolini (mogu doprinijeti stvaranju

smetnji u PLC sustavima i susjednim telefonskim linijama).

Pojave

elektrinihlukova

Elektrini lukovi (pranjenja) su ea pojava ispod izmjeninih HVACvodia dalekovoda, a ispod istosmjernih HVDC vodia dalekovoda surijetkost. Naponi elektrinih lukova nisu ovisni o vremenskom intervalu(t).

Jakost

magnetskog

polja

Jakost magnetskog polja kod istosmjernih HVDC dalekovoda je slino jakosti magnetskog polja zemlje. Ne postoje nikakvi poznati biolokiuinci(ljudsko tijelo).

Jakost struja uvodiima

Jakost istosmjernih struja u vodiima ovisi o radnom otporu dok jakostizmjeninih struja u vodiima ovisi o induktivitetu.

Valna

impedancija

Paketi vodia smanjuju valnu impedanciju kod izmjeninih HVACdalekovoda.Valna impedancija ne igra nikakvu ulogu kod istosmjernih

HVDC dalekovoda pod uvjetom da prevladavaju stacionarni uvjeti.

Tabli ca 2.1.Razl ike izmeu istosmjernih DC i izmjeninih AC sustava pr ijenosa


15/4510

3. IZVEDBE HVDC PRIJENOSNOG SUSTAVA

Postoji vieizvedbi (konfiguracija) HVDC sustava koje je mogueodabrati pri izradi novih ipovezivanju postojeih HVDC sustava. imbenici kao to su izbor lokacije, izbor kabela itd.

utjeu na odabir konfiguracije HVDC sustava.

3.1. Back-to-back HVDC sustavi prijenosa

Back-to-back HVDC veze su posebni sluajevi jednopolnih HVDC sustava, u kojima nepostoje istosmjerni dalekovodi i oba se pretvaraa nalaze na istoj lokaciji.Iz ekonomskihrazloga svaki pretvaraje najee dvanaestnoimpulsni ,a tiristor za oba pretvaraase nalazeu istoj prostoriji. Sustav za upravljanje, oprema za hlaenje i pomoni sustav mogue jeintegrirati u jednu (zajedniku) konfiguraciju za oba pretvaraa .DC filteri nisu potrebni, aneutralni prikljuak se nalazi u prostoriji gdje se nalaze tiristori. Slika 3.1 prikazuje dvije

razliite konfiguracije back-to-back HVDC veze.

Sl i ka 3.1.Back-to-back HVDC sustavi

Openito, za back-to-back HVDC veze prevladava niski napon, dok su jakosti struja kroztiristore velike u usporedbi s ostalim HVDC sustavima povezanih preko nadzemnih vodova ili

kabela. Razlog tome je to trokovi tiristorskih cijevi mnogo vie ovise o naponu tj. priporastu napona raste broj tiristora koje treba koristiti. Mogue je ugraditiniskonaponski tercijarni namot u pretvaraki transformator za AC filtriranje ikompenzaciju.

Veliki back-to-back HVDC sustav moe sadravati dvije nezavisne ili vie nezavisnih vezatako da kvar jedne pretvarake jedinice nee izazvati potpuni gubitak prijenosa energije.


16/4511

3.2. Jednopolni HVDC sustavi prijenosa

Jednopolni HVDC sustavi koriste zemlju ili metalni vodi kao povratnu vezu.JednopolniHVDC sustav sa zemljom kao povratnim vodiem se sastoji od jednog ili vie

esteroimpulsnih pretvarakih jedinica spojenih preko jednog vodia u seriju ili paralelu ijedne povratne veze na svakom kraju, kao to je prikazano na slici 3.2. To moe biti isplativorjeenje za kabelsku izvedbu HVDC sustava prijenosa. Na krajevima je dalekovode(pretvarae) potrebno uzemljiti prekoposebnih sondi da bi se postigla povratna veza.

Sl i ka 3.2. Jednopolni HVDC sus tav sa zemljom kao povratnim vodiem

Jednopolni HVDC sustav s metalnom povratnom vezom obino se sastoji od jednogvisokonaponskog i jednog srednjenaponskog vodia kao to je prikazano na slici 3.3.Jednopolna konfiguracija se koristi kada izgradnja sondi dalekovoda i sondi uzemljivaarezultira neekonomskim rjeenjem zbog malih udaljenosti ili velikih vrijednosti otpora tla.

Sl i ka 3.3.Jednopolni HVDC sustav s metalnim povratnim vodiem


17/4512

3.3. Dvopolni HVDC sustavi prijenosa

Dvopolni HVDC sustav se sastoji od dvije trase, od kojih svaka obuhvaadvanaestnoimpulsnepretvarake jedinice, koje mogu biti spojene u seriju ili paralelu. Postoje

dva vodia, jedan s pozitivnim, a drugi s negativnim polaritetom koji su spojeni na masu zaprotok energije u jednom smjeru. Za promjenu smjera toka energije, potrebno je vodiimapromijeniti polaritet. Dvopolni sustav je kombinacija dva jednopolna sustava koji koriste

zemlju kao povratnu vezu, to je prikazano na slici 3.4.

Sl i ka 3.4.Dvopolni HVDC sustav

Rad u sluaju oteenja i kvarova:

Ako doe doispada jedne trase, druga moe raditisamo ako postoji povratna veza.

Za sluaj prekida radajedne trase, dugotrajni protok struje kroz tlo bi bio nepoeljan,pa dvopolni sustav mora raditi kao jednopolni sustav s metalnim vodiem kaopovratnom vezom, to je prikazano na slici 3.5. Prijenos struje metalnim vodiem inatrag bez prekida zahtijeva posebno postrojenje koje sadri MRTB prekida eng.Metallic Return Transfer Breaker. Kada su u pitanju kratkoroni prekidi toka snageova sklopka nije potrebna.


18/4513

Sl i ka 3.5.Dvopolni HVDC sustav s metalnim vodi em kao povrat nom vezom iMRBT prekidaem

Kada jedna trasa ne radi na nazivnom strujnom optereenju, obje trase dvopolnogsustava mogu raditi na razliitim vrijednostima struja, sve dok su obje elektrode

uzemljivaa povezane.

U sluaju djelominog oteenja izolacije, jedna ili obje trase mogu kontinuirano raditina smanjenom naponu.


19/4514

3.4. VieterminalniHVDC sustavi prijenosa

Multiterminalni tj. vieterminalni sustavi nastaju kada je tri ili vie pretvarakih stanica,geografski udaljenih, povezano s prijenosnim vodom ili kabelom na istosmjerni prijenosni

sustav. Pretvarake stanice se mogu spajati paralelno ili serijski. Pretvarake stanice mogu bitibilo kojeg tipa, a danas se sve vie upotrebljava kombinacija VSC i LCC pretvaraa.Vieterminalni nain spajanja omoguuje nastanak istosmjerne prijenosne mree na koju sespaja vie razliitih izmjeninih prijenosnih sustava. Slika 3.6. prikazuje takav sustav gdje sevidi spajanje tri izmjenina sustava. Pretvarake stanice su fiziki odvojene i povezane

prijenosnim vodom ili kabelom,a pretvarake stanice 1 i 2 rade kao ispravljai, a stanica 3 kaopretvara.

Sli ka 3.6.Multiterminalni HVDC sustav


20/4515

4. KOMPONENTE HVDC PRIJENOSNOG SUSTAVA

4.1. Tiristorski ventil

Tiristorski ventil eng. Valve Thyristor je osnovna komponenta modernog HVDC pretvaraakoja sadri mnogo serijski povezanih tiristora, kako bi se osigurao potrebni napon praga(blokiranja). Tiristori koji se koriste u HVDC pretvaraima spadaju meu najvee

poluvodike komponente proizvedene u industriji. Slika 4.1 prikazuje 8,5 kV tiristor sasilicijskim diskom promjera od 115 mm.

Sl i ka 4.1.8,5 kV 125 mm Tiristor: Silicijski odsjeak (lijevo) i cjelokupn akapsula (Desno)

Energetski tiristori su skupi, a u HVDC postrojenjima ih ima na tisue. Veoma su osjetljivi izahtijevaju mnogo dodatnih komponenti za nadzor, upravljanje i zatitu . Kapsula kaonajznaajnijakomponenta tiristorskih ventila, ima iznenaujue mali udio u ukupnoj cijeni.

Moderni tiristorski ventili su relativno standardizirani, odnosno veina rada je nakarakteristikama proizvoda izvedena u konstrukcijskoj fazi, to omoguuje jednostavnu

primjenu ventila za pojedine projekte. Nadalje, ovisno o potrebi odreenih projekata (izvedbucjelokupnog sustava) i naponske razine potrebno je izvriti prilagodbu broja serijski

povezanih tiristora.

HVDC tiristorski ventili se gotovo nikad ne instaliraju kao pojedinane jedinice ve uvijek,

kao nekoliko povezanih tiristorskih ventila, a zajedno ine Viestruku Upravljaku Jedinicueng. "Multiple Valve Unit" ili MVU. MVU moe biti ugraen izravno na podili, na strop kaovisei element to je danas najei oblik ugradnje. Zbog izolacije, raspored tiristorskihventila je najee takav da se donjonaponski tiristorski ventili (obino povezani s trokutesteroimpulsnim mostom) koriste kao dio izolacije tamo gdje su gornjonaponski tiristorskiventili (obinopovezani sa mostom u obliku zvijezde) montirani. Stoga je kraj donjonaponskestrane na kojem se nalazi tiristorski ventil privren na pod ili strop.Tiristorski ventili obinosu posloeni okomito u etverostruke eng."quadrivalve" strukture. Tri su takve strukture

potrebne na kraju svakog stupa. Slika 4.2. prikazuje tipiniMVU.


21/4516

Sl i ka 4.2. Viestruka pretvarakajedinica MVU

Najvea pozornost MVU stavljena je na opasnosti od nastanka poara u modernimtiristorskim ventilima. Sve komponente moraju biti ispitane toplinski (kako bi se smanjila

opasnost od pregrijavanja) i elektriki (na svim ostalim komponentama koje se spajaju

paralelno s tiristorima mora biti poznata naponska opteretivost). Nadalje potencijal irenjapoara moe biti zaustavljen pravilnim izborom materijala i komponenata. Na primjer,Priguni kondenzatori, mogu biti konstruirani bez ulja.

4.1.1. Hlaenje tiristorskih ventila

Za hlaenje modernih tiristorskih ventila, rashladne tekuine koje se koriste su istadeionizirana voda, koja je, ako se koristi s visokonaponskom opremom sigurna sve dok je

ista, bezikakvih oneienja(iona). Oprema kroz koju protjee ova tekuinamora biti takvada ne zagauje vodu i osigurava da vodljivost vode bude vrlo malim vrijednostima. Dotokrashladne tekuineje uvijek osiguran za tiristore i otpornike, a obino i za di / dt prigunicu.


22/4517

Rashladna tekuina voda se distribuira paralelno svakom tiristorskom ventilu prekoizolacijskih plastinih cijevi, a toplina se odvodi na vanjskehladnjake.

Sljedea slika prikazuje Simensov cijevni sustav hlaenja:

Sl i ka 4.3. Simensov cijevni sustav hlaenja modula; a) tiristor; b) rashladno

tijelo; c) prikljuak cijevi; d) cjevovod

Iako je vodljivost vode u HVDC tiristorskom ventilu iznimno niska, nikada nije nula. Zato

postoji potencijal za izazivanje neeljenih elektrokemijskih uinaka. Najia deioniziranavoda moe imati vrlo niskevrijednosti vodljivosti i to manje od 0,1 S / cm. Meutim, bezobzira koliko je sofisticiran proces deionizacije, nije mogue smanjiti vodljivost potpuno nanulu, jer je voda uvijek disocira u i ione, u mjeri koja ovisi uglavnom o temperaturi.

Kao posljedica, kroz bilo koji cjevovod koji obuhvaadvije toke na razliitim elektrinimpotencijalima e uzrokovati protok malih struja kroz vodu. Kada je napon samo izmjeninogkaraktera, posljedice nisu ozbiljne, ali kada napon, ima istosmjernu komponentu, odreeneelektrokemijske reakcije e se odvijati na anodi i katodi elektrode.

Sl i ka 4.4.Sustav hlaenja tekuim rashladnim sredstvom

Aluminij, koji se esto koristi kao rashladno tijelo ima odlinu toplinskuvodljivost, ali je vrloosjetljiv na koroziju u sluaju kada kroz vodu teku male struje i zadiru izravno u njegovu

povrinu. Kako bi se sprijeilo oteenje aluminija, potrebno je osigurati da struje ne tekuizravno iz vode u aluminij, ve da teku preko nekog drugog materijala. Na ovaj nain(prikazano na slici 4.4.) se osjetljivi aluminij titi od oteenja.


23/4518

4.1.2. LTT Tiristori

Odavno je poznato da se tiristori mogu ukljuivati ubrizgavanjem fotonaumjesto elektrona navrata (gate). Koritenje ove nove tehnologije smanjuje broj komponenti u tiristorskim

ventilima do 80%. Ovo smanjenje komponenti rezultira poveanom pouzdanou iraspoloivou prijenosnog sustava. S LTT tehnologijama, svjetlosni impuls koji dolazi nagate prenosi se pomou svjetlosnih vlakana prolazei kroz kuite tiristora izravno natiristorsku oblogu i tako nema potrebe za pomonim napajanjima koji trebaju osigurati visokinapon. Potrebna snaga za vrata je samo 40 mW. Prenaponska zatita je integrirana u oblozi.Daljnje prednosti ukljuivanja pomou fotona omoguile su rad u sustavima kada doe do

pada napona ili kod razliitih kvarova unutar sustava.

Sli ka 4.5.Presjek LTT tiristora i LTT tiristorski modul

LTT tiristore je prvi proizveo Simens a uspjeno su koritenipo prvi put u 1997. godini (Cellopretvarako postrojenje u Sjedinjenim amerikim dravama). Nadalje, ova tehnologija

tiristorskih ventila se koristi za Moyle Interkonektor (kabelska veza 2 x 250 MW) kojipovezuje Irsku i Ujedinjeno Kraljevstvo i nalazi se na ugovoru za 3000 MW-tni, 500 kV-tniGuizhou-Guangdong sustav.

Praenje tiristorskih performansi postie se pomou jednostavnog djelitelja napona koji sesastoji od standardnih otpornika i kondenzatora; signali se prenose na masu preko optikihvlakana. Svi potrebni elektroniki sklopovi za nadzor rada tiristora se nalaze na nultom

potencijalu u zatienom okruenju, to dodatno pojednostavljuje sustav. Opseg nadzora jeisti kao i za klasine elektrine tiristore(ETT tiristori).

Moe se oekivati da e ova tehnologija postati industrijski standard HVDC tiristorskih

ventila 21. stoljea, razvijajuiput prema tiristorskim ventilima koji ne trebaju odravanje.


24/4519

4.2. Transformator pretvara

Transformator pretvara djeluje kao meusklopizmeu HVDC pretvaraai HVAC sustava teprua nekoliko funkcija:

Galvansko odvajanje izmeu AC i DC sustava

Pruanje tone vrijednostnaponapretvaraa

Ograniava efekt nagle promjene izmjeninog napona na uvjete rada pretvaraa

Pruanje faznog pomaka od 30 (elektrinih) potrebnih za rad dvanaestnoimpulsnihpretvaraaputem zvijezda i trokut namota

Sl i ka 4.7.Transformator pretvara i razliiti razmjetaji namota

Dvanaestnoimpulsni pretvara zahtijeva dva trofazna sustava koji su meusobnopomaknutiza 30 ili 150 stupnjeva. To se postie ugradnjom transformatora na svakoj strani mree sgrupama spoja Yy0 i Yd5. Istovremeno, osiguravaju potrebnu izolaciju od napona kako bi se

omoguilo povezivanje pretvarakih mostova u seriju na DC strani, to je neophodno zaHVDC tehnologiju. Izolacija transformatora se napree razlikom potencijala izmjenine i

istosmjerne strane. Transformatoripretvaraiopremljeni su regulacijskim preklopkama kakobi se osigurala tona vrijednost napona tiristorskih ventila.


25/4520

4.2.1. Glavni dijelovi transformatora pretvaraa

1. Jezgra: HVDC transformatori su obino jednofazni transformatori, pri emu su namoti tiristorskih ventila za spojeve zvijezda i trokut konfigurirani ili za jednu ili odvojeno za dvije

jezgre, ovisno o nazivnoj snazi i naponu sustava. Kvaliteta transformatorskih limova, njihovolameliranje i nazivna indukcija mora biti u skladu s posebnim zahtjevima koji pokrivaju

gubitke, razinu buke, naduzbuivanje, itd. Posebnu pozornost treba obratiti na istosmjernopredmagnetiziranje jezgre zbog pojave malih asimetrija tijekom rada i parazitnih DC struja iz

mrea izmjeninog napona. Uinke istosmjerne predmagnetizacije treba unaprijed uproizvodnji kompenzirati (npr. dodavanjem dodatnih kanala za hlaenje).

2. Namoti: Veliki broj parametara koji utjeu na prijenosnu mo kao to sunazivna snaga,prijenosni omjer, napon kratkog spoja, i gubici zahtijevaju znaajnu fleksibilnost u izradinamota.

U koncentrinimizvedbama namota, namoti zvijezde ili trokuta koji lee izravno na jezgrisuse pokazali u mnogim sluajevima kao optimalno rjeenje. Fazni namot (obino s odvodnimnamotom) se montira radijalno izvan jezgre.

Namoti s visokim stupnjevima izolacije i veliki dio strujnih harmonika traeposebne zahtjeveu proizvodnji i kvaliteti namota. Zajedno s izolacijama od impregniranog papira, svakim

stupom, ukljuujui i ventil, namotom za odvod prenapona, tvori kompaktnu jedinicu, koja jeu stanju podnositi naponska naprezanja, rasipne gubitke, i izdrati u sluaju kratkog spoja.

3. Kotao: Izvedbe kotla kod HVDC transformatora proizlaze iz sljedeih uvjeta:

Provodni izolatori trebaju biti u prostoru gdje se nalaze tiristorski ventili

Rashladni sustav mora biti montiran na strani gdje se mora odvijati brzo odvoenjetopline a da pri tom toplina ne utjee na druge komponente postrojenja

Za HVDC transformatore s namotima spojenih u trokut i zvijezdu u jednom kotlu, provodni

izolatori moraju biti rasporeeni tako da se njihovi krajevi prilagode geometriji tornjevatiristorskih ventila. To esto dovodi do visokih izvedbi kotlova gdje je potrebno izvestispajanje i potrebe postavljanja spremnika ulja na specifinu visinu.

4. Izolatori: U odnosu na porculanske, koriste se kompozitni izolatori koji pruaju bolju

otpornost na prainu i kod pojave krhotina. Testiranje s 15% viim naponom u odnosu nanamote naglaava poveani aspekt sigurnosti ovih komponenti.


26/4521

4.3. Prigunicaza smanjenje valovitosti

Funkcije prigunice:

Prevencija pojave isprekidanosti struje: Isprekidane struje zbog valovitosti mogu

uzrokovati visoke prenapone u transformatoru iprigunici. Prigunicasluikako bi sesprijeilo prekidanje struje priminimalnom optereenju.

Ograniavanje istosmjernih struja kvara: Prigunicamoesmanjiti struju kvara, njenupogrenu komutaciju i kvarove na vodovima. To je od primarne vanosti, kada se zaprijenos koristi dugi istosmjerni kabel. Kod nadzemnih vodova, strujna naprezanja u

ventilima su nia od naprezanja koja bise pojavila tijekom kratkog spoja u ventilima.

Prevencija rezonancije u istosmjernom strujnom krugu: Prigunica se koristi kako bi

se izbjegla rezonancija u istosmjernom strujnom krugu na niskim frekvencijama poput100 ili 150 Hz. Ovo je vano, jer je potrebno izbjei efekt pojaanjaza harmonike kojiproizlaze iz izmjeninihsustava, kao to je zasienje transformatorske jezgre.

Smanjivanje strujnih harmonika, ukljuujui ogranienje telefonskih smetnji:Ogranienje smetnji (interferencija) kojeproizlaze iz istosmjernih dalekovoda je bitnafunkcija istosmjernih DC filtera. Meutim, prigunica takoer igra vanu ulogu usmanjenju strujnih harmonika djelujui kao serijska impedancija.

Sl ik a 4.7.Uljna prigunica (lijevo) i zrana prigunica (desno)


27/4522

4.4.Harmonijski filteri

Filteri na izmjeninoj strani neke HVDC pretvarakestanice imaju dvije glavne dunosti:

Ponititi strujne harmonike koje generira HVDC pretvara i tako smanjiti utjecajstrujnih harmonika na postojee izmjenine sustave, kao to su izoblienja napona itelefonske smetnje

opskrbljivati jalovom snagompretvaraku stanicu u svrhu kompenzacije

4.4.1 AC harmonijski filteri i kondenzatorske baterije

Filteri se instaliraju da bi ograniili harmonike generirane na izmjeninoj strani sustava. Zadvanaestnoimpulsni pretvara generiraju se, 11., 13., 23. i 25. harmonici. Kondenzatorske

baterije se instaliraju da kompenziraju potronju jalove energije koju uzima pretvara. Filteritakoer doprinose kompenzacijijalove snage.

Sli ka 4.8.AC fil ter i i kondenzatorske ba ter ije pretvarake st anice u angaju

Potronja jalove snage koji troi HVDC pretvara ovisi o radnoj snazi, reaktancijitransformatora i kutu upravljanja, i poveava se poveanjem radne snage.

est zahtjev za pretvarake stanice je puna kompenzacija i prekomjerna kompenzacija prinazivnom optereenju. Ovi faktori odreuju veliinu i broj filtera i kondenzatorskih baterija.


28/4523

4.4.2. DC harmonijski filter

Naponski harmonici koji se pojavljuju na istosmjernoj strani pretvarakih stanica stvarajuizmjenine struje koje se superponiraju s istosmjernim strujama na dalekovodima. Te

izmjenine struje koje teku na veim frekvencijama stvarajusmetnje u susjednim telefonskimsustavima unato ogranienju od strane prigunica.

DC harmonijski filteri, koji su spojeni paralelno sa stupovima, su uinkovito sredstvo zaborbu protiv ovih problema. Konfiguracija DC filtera vrlo snano podsjeaAC filtere HVDCpretvarakih stanica. Postoji nekoliko vrsta filtera. irokopojasni filteri s ili bezvisokofrekventne propusnosti se esto koriste. Jedan ili nekoliko vrsta DC filtera se mogukoristi u istojpretvarakoj stanici.

4.5.Odvodnici prenapona

Glavni zadatak odvodnika prenapona je da zatititi opremu od tetnih uinaka prenapona.Povezani su preko svakog ventila u pretvarakom mostu, te u AC i DC rasklopnim

postrojenjima. Za vrijeme normalnog pogonskog rada, odvodnik prenapona ne bi trebao imati

negativan uinak na elektroenergetski sustav. tovie, odvodnikprenapona mora biti u stanjuizdrati tipine skokove napona bez nastanka bilo kakvih teta. Nelinearni otpornici sasljedeim svojstvimaispunjavaju ove uvjete:

Niski otpor tijekompojave prenapona sa svrhom ograniavanja vrijednosti prenapona

Visoku otpor tijekom normalnog pogonskog rada s ciljem izbjegavanja negativnih

posljedica na elektroenergetski sustav

Dovoljnu sposobnost apsorpcije energije za stabilan rad

MO (metal-oksidni) odvodnici prenapona se koriste u srednjenaponskim i visokonaponskim

mreama. Vrlo visoka razina zatite i sposobnost apsorpcije velike koliine energijepri pojaviprenapona je veoma vana. Za visoke naponske razine, jednostavna konstrukcija MOodvodnika prenapona je uvijek prednost.


29/4524

Sl i ka 4.9.Presjek odvodnika prenapona s pol imerskim kuit em tvr tke Simens

Slika 4.9. prikazuje presjek kuita odvodnika prenapona. Kuite se sastoji od plastinecijevi armirane staklenim vlaknima s izolacijskim nastavcima izraenimod silikonske gume.


30/4525

4.6. Istosmjerni dalekovodi

Istosmjerni dalekovodi mogu biti dio cjelokupnog HVDC ugovora o prijenosu bilo unutar

projekta na osnovi "klju u ruke" ili kao zasebno ugovoreni samostalni predmet, koji e

kasnije biti integriran u HVDC mreu. Kao primjer takvog dalekovoda, postojei bipolarnistup (300-kV veza) izmeu Tajlanda i Malezijeje prikazana na slici 4.10.

Sl i ka 4.10. Istosmjerni dalekovod (bipolarna 300-kV veza)

Takvi istosmjerni dalekovodi su mehaniki izvedeni kao i normalni izmjenini dalekovodi, aglavne razlike su:

Konfiguracija vodia

Zahtjevi i utjecaji elektrinih polja Izvedba izolatora

4.6.2. Izolatori

Najkritiniji aspekt je izvedba izolatora i opisana je detaljnije u nastavku. Za istosmjernedalekovode, ispravna izvedba izolatora je najvanija tema za neometan rad tijekomivotnogvijeka istosmjernih postrojenja.


31/4526

Osnovne izvedbe

Opi planizolatora temelji se na preporukama IEC 60815 standarda koji prua 4 klasezagaenja.

Ovaj IEC standard vrijedi za izmjenine dalekovode. Meusobne udaljenostivodia

zbog opasnosti proboja ovise o linijskim naponima. Kada se ovi razmaci primjene zaistosmjerne vodie po IEC 60815 standardu, treba primijetiti da vrni napon

prevladava izmeu vodia i neutralnog voda (zemlje). Stoga, ove udaljenosti radi

opasnosti od proboja morajubiti pomnoene s.

Kada izolatori rade na istosmjernom naponu u odnosu na izmjenini naponpodvrgnutisu nepovoljnim uvjetima oneienja povrine uzrokovanim stalnim djelovanjem

jednosmjernog elektrinog polja. DC faktori zagaenja po preporuci CIGR (CIGRE-izvjee WG04 CIGR SC33, Mexico City 1989) moraju se primjenjivati. Faktorikorekcije vrijede samo za porculanske izolatore.

Vrste izolatora

Postoje 3 vrste izolatora koji se koriste na istosmjernim dalekovodima:

Kapasti

Porculanski tapni Kompozitni tapni

Sl i ka 4.11.Razl ii te vrste izolatora i nj ihova meusobna usporedba


32/4527

4.6.3. Istosmjerni energetski kabeli

Istosmjerni energetski kabeli predstavljaju vanu ulogu kod prijenosa elektrine energijepreko mora i jezera. Prijenos putem HVDC kabela je poeljna opcija jer je mogue na

udaljenosti vee od70 km prenijeti snagu od nekoliko stotina do vie od tisuaMW (vrijediza dvopolne sustave).

4.6.3.1 Vrste istosmjernih kabela

Za HVDC sustave postoje dvije razliite vrste podmorskih kabela:

1) Maseni impregnirani kabel

Ovaj tip kabela se koristi u veini postojeih HVDC sustava . Sastoji se od razliitih slojevakoji ine jednu funkcionalnu cjelinu (slika 4.12.) . Vodije izgraen od sukanih bakrenih icaoko sredinje krune ipke. Vodi je pokriven (izoliran) uljnim i smolom impregniranim

papirima. Ekran je izveden od ugljinog papira dok se vanjski sloj sastoji od bakrenogmaterijala. Potpuno impregnirani kabel obloen je olovnim zatitnim omotaem koji titiizolaciju od vanjskih utjecaja. Sljedei sloj je izraen od polietilenske navlake koja titikabelod korozije. Oko polietilenskog sloja nalaze se pocinane eline trake koje tite kabel odtrajnih deformacija tijekom procesa utovara kabela. Preko elika stavlja se sloj

polipropilenske trake (termoplastika), a na kraju se preko ovoga stavljaju dodatne pocinaneeline trake koje ine oklop kabela. Kabeli mogu raditi na nazivnim naponima i do 500 kV,

imaju prijenosnu modo 800 MW , te se mogu polagati na dubine do 1000 m ispod razinemora i imaju gotovo neograniene duljine prijenosa. Prijenosna momasenih impregniranihkabela je ogranienatemperaturom vodia, to rezultira niskommogunoupreoptereenja.

Sl i ka 4.12.Presjek Masenog impregniranog kabela


33/4528

2) Uljni kabel

U usporedbi s masenim impregniranim kabelom, vodi je izoliran impregniranimpapirom suljem niske viskoznosti i ukljuuje uzdunikanal da se omogui protok ulja uzdu kabela.Uljni kabeli prikladni su i za izmjenine i istosmjerne napone s istosmjernim naponskim

razinama do 600 kV i mogu se polagati na velikim dubinama. Zbog potrebnog protoka uljadu kabela, duljina kabela je ograniena na vrijednosti manje od 100 km jer postoji opasnostod zagaenja okolia prilikom istjecanja ulja.

3) XLPE kabel

Kakobi se prevladali nedostaci gore navedenih tipova kabela, u uporabu se sve vie javljaju iXLPE kabeli. XLPE kabeli su kabeli od umreenog polietilenakoji tvori izolacijski materijal.Vodi je izraen od okruglih meusobno pouenih bakrenih ica bakra koji su izoliranislojevima umreenog polietilena. Izolacijski materijal je prikladan za rad na temperaturamavodia do90 C(normalno pogonsko stanje) i kod kratkog spoja na temperaturama do 250 C.

4.6.4. Brzi DC prekidai

Kao i u izmjeninimtrafostanicama, sklopni ureaji se takoer koristeu istosmjernim HVDCstanicama. Jedna skupina takvih ureaja moe se okarakterizirati kao prekidai s izravnimtrenutnim komutacijskim sposobnostima, obino pod nazivnom "Vrlo brzi istosmjerni

prekidai". Standardni SF6 izmjenini prekidai zadovoljavaju zahtjeve za istosmjerna

postrojenja.

Sl i ka 4.13.MRBT prekida u Kini /T ian Guang


34/4529

4.6.4.1. Vrste brzih DC prekidaa

Tip prekidaa Princip rada

HSNBS

(High-Speed Neutral Bus switch)

HSNBS prekida komutira jedan dioistosmjerne struje putem sonde za uzemljenje

u neutralnoj tocitransformatorske stanice..

HSGS

(High-Speed Ground Switch)

HSGS prekida spaja neutralnu toku suzemljivakom reetkom u sluaju dauzemljivaka sonda postane izolirana.

MRBT

(Metallic Return Transfer Breaker)

Ako je jedan pol dvopolnog sustava blokiran,

automatski se postie jednopolni nain radadrugog stupa, ali s povratnom strujom kroz

zemlju. Ako je rad putem povratne vezeogranien, postoji alternativni nainjednopolnog rada koji omoguuje radblokiranog pola kao metalnu povratnu vezu.

MRTB prekida omoguava besprekidni toksnage od tla do metalne povratne veze.

GRTS

(Ground Return transfer Switch)

GRTS prekida omoguava prebacivanje izjednopolnog u dvopolni nain rada sustavabez prekida toka snage.

4.6.5. Uzemljivake sonde

Uzemljivake sonde su bitna sastavnica jednopolnog HVDC prijenosnog sustava, jer oneprenose pogonsku struju na kontinuiranoj osnovi. Doprinose profitabilnosti kod HVDC

sustava s malom prijenosnom moi, budui da su trokovi za drugi vodi (s upola manjimnazivnim naponom) znatno vei, ak i za prijenos na kratke udaljenosti.

Uzemljivake elektrode se takoer korsite u svim dvopolnim i multiterminalnim HVDC

sustavima. Strujni krugovi u HVDC sustavima kao i u drugim visokonaponskim sustavimazahtijevaju referentnu toku za definiranje naponske razine sustava i kao osnova zakoordinaciju izolacije i prenaponske zatite. Kod dvopolnog HVDC sustava, mogue je

povezati neutralnu toku na uzemljivake reetke HVDC stanice gdje su i zvjezditatransformatora pretvaraa povezana. Ali budui da istosmjerne struje koje teku kroz + i -

polove nikada nisu apsolutno jednake, razlika struja tee kontinuirano od neutralne toke utlo. Uobiajena jepraksa locirati uzemljenje neutralne toke na odreenoj udaljenosti (10 do50 km) od HVDC stanice pomou posebnih uzemljivakih sondi.


35/4530

4.6.5.1. Izvedbe uzemljivakih sondi

Uzemljivake sonde za HVDC sustave mogu biti zemljane, obalne ili podmorske. Ujednopolnim HVDC sustavima, gdje se energija prenosi iskljuivo podmorskim kabelima,

postoje temeljne razlike izmeu izvedbe anodnih i katodnih sondi.

Horizontalne zemljane sonde

Ako je dostupna dovoljno velika ravnapovrinas relativno homogenim karakteristikama tla,tada je horizontalna uzemljivaka sonda najisplativiji oblik zemljaneelektrode.

Kao to je prikazano na slici 4.14., sami vodi sonde, koji je uglavnom izraen od eljeza, jepoloen vodoravno u posteljicu od koksa dimenzija 0.5 x 0.5 na dubini od priblino 2 m

Sli ka 4.14. Presjek horizontalne zemljane sonde

Vertikalne zemljane sonde

Ako sloj tla blizu povrine ima visoki specifini otpor, a ispod postoji vodljivisloj na dubiniod nekoliko desetaka metara, tada je koritenje vertikalnezemljane sonde jedan od moguihrjeenja.


36/4531

Sl i ka 4.15.Presjek vertikalne zemljane sonde

Katodne podmorske sonde

Izvedba i konstrukcija katodne podmorske sonde jednopolnog HVDC sustava s podmorskim

prijenosnim energetskim kabel ne predstavlja problem. Budui da ne postoji korozijamaterijala, bakreni kabel poloen na dnubi trebao biti teoretski dovoljan. Duljina kabela mora

biti izvedena tako da gustoa struje na njegovoj povrini uzrokujejakost elektrinog polja

manje od 3 V / m u okolnome moru, to jesigurno za kupae i ronioce. Anodne podmorske sonde

Sl i ka 4.16. Presjek anodne podmorske sonde

Slika 4.16. prikazuje primjer linearne podmorske sonde za anodni rad. Sonde se sputajunamorsko dno te se spajaju na dovodni kabel.

Anodne obalne sonde

Izvedba obalne sonde je slina izvedbi vertikalne zemljane sonde. Grafitni tapovi su

instalirani u buotinama koje su potopljene uz obalu. Prednost obalnih sondi je lakoodravanje i zamjena.


37/4532

5. ZATITA I UPRAVLJANJE HVDC SUSTAVIMA

5.1.Upravljanje HVDC prijenosnim sustavima

5.1.1. Upravljanje tokovima snaga u HVDC sustavima

Glavni elementi pojednostavljenog HVDC sustava prikazani su na slici 5.1. U obje stanice,

pretvarai su spojeni na izmjenine AC sustave putem specijalnih transformatora.Odgovarajue ukljuivanjetiristorskih ventila stvara DC napone U1 i U2. Veliina i polaritetU1 / U2 napona definirani su odgovarajuim kutovima paljenja. Tipina vrijednost zaispravljake stanice je oko 15 el. a za pretvarake oko 140 el. Na ispravljakoj stanici,

potreban je neto vei istosmjerni naponda uzrokuje tok struje kroz istosmjerni sustav. Jakoststruje kontrolira strujni upravljaki sklop, s prijenosom snage uvijek iz ispravljake uizmjenjivakustanicu.

Linijski komutirani HVDC sustavi su vrlo uinkoviti, s est ventila svakog mosta koji susainjeni od jednosmjernih tiristora. Zbog ove topologije, istosmjerna struja je jednosmjernogkaraktera i na taj nain izazva preokret toka snage, a polaritet napona kojeg generira svaki

pretvara mora biti zaokrenut. Promjenom kuta paljenja na oba terminala, mijenja se polaritetnapona pretvaraa, to dovodi do nastanka preokreta toka snage.

Sl ik a 5.1.Pojednostavljeni HVDC sustav


38/4533

5.1.2. Osnovne funkcije upravljanja HVDC sustavima

Svaka stanica u HVDC sustavu ima tri osnovne kontrolne toke: tiristorski kutovi paljenja,stanja prekidaa (na filterima) i postavke preklopke transformatora pretvaraa. Ove tri

kontrolne toke se upravljaju pomou sljedeih upravljakih petlji:

Upravljanje pretvaraa

Brzo upravljanje kutova paljenja tiristora kontrolira protok energije kroz pretvaraeu svakojstanici. Sustav se koristi za upravljanje istosmjerne struje na ispravljakoj strani iistosmjernog napona na strani pretvaraa.

Upravljanje jalovom snagom

Budui da obje HVDC stanice apsorbiraju jalovu snagu tijekom prijenosa snage, potrebno jeprovesti neke kompenzacije. Ova kompenzacija mora biti promjenjiva, jer se induktivna

komponenta optereenja poveava s radnom snagom. Svaka stanica ima sklopove zaupravljanje jalovom snagom koji ukljuuju/iskljuuju kondenzatorske baterijeovisno o radnojtociHVDC sustava.

Upravljanje transformatorskom regulacijskom preklopkom

Za odravanje raspona optimalnog rada HVDC sustava promjenom izmjeninog napona vrise upravljanje transformatorske regulacijske preklopke. Promjenom poloaja regulacijske

preklopke, mijenja se vrijednost izmjeninog napona na stezaljkama pretvaraa i na taj senaindobiva optimalna statika radna toka sustava.

Sl ik a 5.2.Pregled upravl jakih funkci ja


39/4534

5.1.3. Stupanj upravljanja i zatite

Stupanj upravljanja i zatite se sastoji od sustava za upravljanje i zatitu, ukljuujuiodgovarajue mjerne sustave. Upravljake naredbe koje se alju, npr. referentni naponsabirnice itd. izvravaju se u upravljakim sklopovima. Sklop za automatsko upravljanje

pretvaraapostie eljeni prijenos snage i regulaciju napona na sabirnicama istovremenokombinirajui automatskim ukljuivanjem filtera, kondenzatorskih baterijaiprigunice.

Operatorske naredbe ukljuivanja / iskljuivanja na visokonaponskim ureajima sumeusobno povezane u upravljakim sklopovima kako bi se sprijeio neispravan rad

prekidaa, rastavljaa i sklopki. Takoer instalirane su blokade za sprjeavanje zabranjenihkonfiguracija u sustavu ili postrojenju. Blokade sprjeavajupristup osoblja prostorijama gdje

se nalaze ventili ,filteri, i tamo gdje nema adekvatne zatite oddirektnog i indirektnog dodira.

5.1.3.1. Upravljaka stanica

Glavna podruja upravljakestanice su:

Upravljanje rasklopnim postrojenjem

Upravljanje i praenje pomonihsustava Upravljanje tokovima jalove snage

Regulacija izmjeninog napona

Upravljanje AC i DC rasklopnim postrojenjem s operatorskim navoenjem

Upravljaka stanica upravlja visokonaponskim ureajimai procesuira izmjerene vrijednosti uAC i DC rasklopnim postrojenjima. Upravljaka stanica prati stanje u rasklopnim

postrojenjima u kombinaciji sa stanjem HVDC sustava.

Dodatni proces blokade kontinuirano provjerava da li su ispunjeni potrebni preduvjeti. Ovisno

o rezultatu tih provjera, dozvola za uklop svakog ureaja je definirana i poslana u HMI(korisniko suelje). Tek kad su ispunjeni svi uvjeti za uklop ureaja ,operater prima naznaku

daje rad (uklop) ureaja mogu.

Upravljanje polovima

Upravljanje polovima je srce upravljakogHVDC sustava. Operater upravlja tokovima snagato ovisi o prilikama u sustavu i zadanim vrijednostima. Upravljanje polovima takoer utjeena stabilnost i dinamike performance u izmjeninim AC sustavima. Znaajke kao to sustabilizacija njihanja snage, kontrola frekvencije ipodsinkrono priguenjerezonancije su nekeod dostupnih mogunosti.

Primarna funkcija upravljakog sustava polova je zadrati prijenosnu snagu u odreenimzadanim granicama. To se postie optimalnim odzivom tijekom poremeaja sustava i stabilan


40/4535

je za sve konfiguracije sustava. Tijekom normalnog pogonskog rada, na ispravljau se vriupravljanje strujom dok se na izmjenjivau vri upravljanje napona. Pomoni sustavupravljanja kuta gaenja izmjenjivaa prua sigurnosnu granicu kako bi se smanjilikomutacijski kvarovi na ispravljau.

Upravljanje jalovom snagom

Upravljanje jalovom snagom se postie koordiniranim uklopom/isklopom reaktivnihkomponenti (kondenzatori i prigunice)i upravljanjem kuta paljenja ispravljaa. Budui da sufilteri i kondenzatorske baterije zajednike komponenteza cijelu stanicu, ovo upravljanje sevri upravljakoj stanici. Tok jalove snage se upravlja prema minimalnim i maksimalnimgranicama koje postavlja operator. Alternativno, upravljanje izmjeninim naponom jemogue

primjenom sline metode upravljanja toka jalove snage.

Upravljanje istosmjernom strujom, kutom gaenja i regulacija napona

Upravljanje istosmjernom strujom se vri na strani ispravljaa i izmjenjivaa , ali na razliitenaine. Na ispravljakoj strani, upravlja se strujom Id koju odreuje sklop za upravljanje tokasnage. Na strani izmjenjivaa, sklop za upravljanje strujom djeluje kao rezervna funkcija i

postaje aktivan za vrijeme pojava odstupanja i kvarova na ispravljakoj strani.

Zadatak regulacije istosmjernog napona je za odravanje istosmjernog napona na zadanojvrijednosti. Na strani izmjenjivaa, sklop za regulaciju napona odrava napon u nazivnimvrijednostima dok na strani ispravljaa, sklop za regulaciju napona ograniava istosmjerni

napon do njegove maksimalne vrijednosti, koja je malo via odnazivnog napona pretvaraa.

Kut gaenja je automatski podeen tako da nikad ne pada ispod referentne vrijednosti od 17stupnjeva. Izmjerena vrijednost je najmanji kut gaenja (12 valves) uzetih iz prethodnogciklusa (rada tiristora). Gamma vrijednost se uzima za svaki (valve) s preciznim mjerenjem

vremena izmeu kraja (prestanka) komutacije i vremena kada izmjenini napon prijeevrijednost nula(naraste u pozitivni dio sinusoide).

Upravljanje transformatorskom regulacijskom preklopkom

Razliiti naini upravljanja regulacijske sklopke se koriste ovisno o radnoj konfiguraciji ieljenim moduupravljanja. U jednom modu, upravljanje regulacijske preklopke se vripremareferencama kuta paljenja ispravljaa (npr = 15 2 ) i kuta gaenjaizmjenjivaa(npr = 20 2 ).Pomoualternativnog naina rada na ispravljakoji izmjenjivakojstrani regulira seUdi0 (AC napon na tiristorskim ventilima) prema nazivnoj vrijednosti napona cijelog

pretvarako/izmjenjivakog postrojenja. Regulacija naponom Udi0 se koristi u back-to-backHVDC sustavima.


41/4536

Sl i ka 5.3.HVDC upravl jaka stan ica (dvopolni HVDC sustav)

5.2. Zatita HVDCprijenosnog sustava

Temeljna zadaa sustava zatite je sprijeiti bilo kakvo oteenje pojedinih komponentiHVDC sustava uzrokovane kvarovima ili prevelikim naprezanjima. Odabrani sustavi zatiteosiguravaju da se otkriju sve mogue mane, i omoguuju selektivno isklapanje u sluajukvarova u sustavu. Oprema za zatitu je osmiljena kako bi u sluaju kvara sveobuhvatnafunkcija nadzora osigurala visok stupanj sigurnosti. Time se izbjegavaju nepotrebni isklopi

zbog zatajenja zatitne opreme. U sluaju pogreke unutar zatite, sustav praenja generiraalarm i sprjeava rad neispravnog sustava zatite.AC zatita kao i DC zatita se sastoji odglavnog i priuvnog sustava koji su utemeljeni na razliitim principima rada. Svaki sustavzatite koristi razliite mjerne ureaje, razliita napajanja i lokalno su odvojeni. Glavni i

priuvnisustavi zatiterade istovremeno i tako osiguravaju nesmetan nadzor HVAC i HVDCpostrojenja. HVDC postrojenje je podijeljeno u razliite neovisne zone zatite. Sve zoneunutar HVDC sustava su zatiene s odgovarajuim stupnjevima okidanja i potrebnimvremenima okidanja za svaku tienu zonu.


42/4537

Zatita pretvaraa

Zadaa zatite pretvaraa je otkrivanje kvarova na sekundarnoj strani transformatorapretvaraa u dvorani gdje se nalaze ventili, koji dovode do prekomjernog naprezanjatiristorskih ventila. Sastoji se od sljedeih funkcija zatite:

Nadstrujna zatita Mosna diferencijalna zatita Zatitaod kratkog spoja DC diferencijalna zatita Zatita prenapona Zatita od izmjeninih prenapona

Sl i ka 5.4.Pr imjer sustava zat ite na strani pretvaraa

Zatita DC sabirnica

Zadaa zatite sabirnica jeda titi visokonaponske i niskonaponske sabirnice od zemljospoja.Sastoji se od sljedeih funkcija zatite:

Diferencijalna zatita visokonaponskih DC sabirnica Diferencijalna zatita niskonaponskih DC sabirnica

Pomona diferencijalna zatita (ukljuuje zatitu pretvaraa)


43/4538

Zatita DC filtera

Zadaa zatite DC filtera je da titi DC filtere od kratkih spojeva, nadstruja i neispravnihkondenzatorskih baterija. Sastoji se od sljedeih funkcija zatite:

Diferencijalne zatite Nadstrujne zatite Diferencijalna nadstrujna zatita visokonaponskih kondenzatora

Zatita uzemljivakih sondi

Zadaa zatite uzemljivakih sondi je da titi uzemljivake sonde od zemljospoja, kratkihspojeva, nadstruja. Sastoji se od sljedeih funkcija zatite:

Zatita od nesimetrinih struja Nadstrujna zatita Zatitaod prenapona Zatita prekidaa

ZatitaDC dalekovoda/kabela

Zadaa zatite DC dalekovoda/kabela je da titi dalekovode i kabele od zemljospoja teogranii tetu i ponovno vrati dalekovod/kabel u normalni pogon. Sastoji se od sljedeih

funkcija zatite:

Zatita od putnog vala Otkrivanje podnapona

Diferencijalna zatita DC dalekovoda/kabela

Zatita od harmonikai rezonancije

Osnovna zadaa ove zatite je otkrivanje 1. ili 2. strujnog ili naponskog harmonika. Oviharmonici proizlaze iz pogrenog paljenjapretvaraa ilizbog asimetrinih pogreaka u ACsustavu. Ako harmonik prelazi unaprijed postavljenu granicu, onda binarni signal inicira 1. ili

2. harmonijsko zatitno djelovanje.

Zatita od podsinkronizacije ima zadatak daotkriva rezonancije u sustavu npr. zbog oscilacijageneratora u nekoj elektrani. Rezonancije se mogu detektirati u istosmjernoj struji. Ako

podsinkrona rezonancija prelazi unaprijed postavljenu granicu, onda binarni signal inicira

zatitno djelovanje.


44/4539

6. ZAKLJUAK

Visokonaponski istosmjerni prijenos ima brojne prednosti nad visokonaponskim izmjeninimprijenosom, a najvea mu je prednost i isplativost kod prijenosa na velike udaljenosti.

Ulaganjem u razvoj ove tehnologije prijenosa otvara brojna vrata u budunosti u smislupovezivanja velikih prijenosnih mrea u jednu funkcionalnu cjelinu. Porast koritenjaelektrine energije u svijetu dovodi do potranje sve veeg broja izvora elektrine energije(elektrane, vjetroparkovi i sl.) koje je potrebno povezati s krajnim potroaima koji se mogunalaziti na velikim udaljenostima. HVDC sustavi daju pouzdan, siguran i uinkovit nain

prijenosa elektrine energije do krajnih potroaa.Ugradnja sve veeg broja HVDC kabela ilivodova bi mogla dovesti do stvaranja velikih HVDC sustava na koji bi se mogli prikljuiti

postojei izmjeninisustavi.Najvei problem ovih sustava predstavlja cijena njihove izvedbei izgradnje te stabilnost u radu. Razvojem pretvarakih stanica ,a najvie tehnologije

pretvaranja istosmjernih struja i napona u izmjenine i obrnuto dovode do tipizacije stanica

to smanjuje ukupnu cijenu izgradnje ovih sustava. Kako bi takav sustav bio pouzdan iuinkovit, potrebno je ouvati stabilnost to je najvei izazov u stvaranju ovih sustava

prijenosa. Razvijene metode za upravljanjem, zatitom i kontrolom stabilnosti dajuprostor zabudua istraivanja i napredak HVDC sustava prijenosa.


45/45

LITERATURA:

1. S. Bisnath, A.C. Britten, D.H. Cretchley, D. Muftic, T. Pillay, R. Vajeth: The planning,

design and construction of overhead power lines, ESKOM , February 2005.

2. C. Barker: HVDC for begginers and beyond, ALSTOM

3. High Voltage Direct Current Transmission- Proven Technology for Power Exchange,

SIMENS AG, 2011.

4. sa M. Halvorsdatter Kjrholt: HVDC Transmission Using a Bipolar Configuration

Composed of an LCC and MMC, June 2014.

5.Control And Protection System For HVDC Applications From SIEMENS, St. Joseph

Engineering college, Mangalore

6. D.M. Larruskain, O. Abarrategui, I. Zamora, G. Buigues, V. Valverde, A. Iturregi:Requirements for Fault Protection in HVDC Grids, March 2015.

7. K.R. Padiyar: HVDC Power Transmission Systems - Technology and System Interactions,

New Delhi,2005.

Documents

HVDC Sustavi prijenosa