Protection of VSC-HVDC systems with mixed usage of power cables and overhead lines

Tünnerhoff, Philipp Christian; Schnettler, Armin; Tenbohlen, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2020-07341

Protection of VSC-HVDC systems with mixed usage of power cables and overhead lines = Schutz teilverkabelter VSC-HGÜ-Systeme

Tünnerhoff, Philipp Christian^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Tünnerhoff, M.Sc.

ImpressumAachen : Verlagshaus Mainz 2020

Umfang1 Online-Ressource (viii, 118 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-359-0

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)^RWTH* ; Tenbohlen, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07341
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/794008/files/794008.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HVDC (frei) ; overhead lines (frei) ; power cables (frei) ; protection (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Integration von VSC-HGÜ-Systemen in existierende AC-Netzstrukturen stellt einen wichtigen Meilenstein für eine erfolgreiche Anbindung dezentraler erneuerbarer Erzeugungseinheiten dar. Neue Übertragungsleitungen sehen sich jedoch zunehmend mit öffentlichem Widerstand konfrontiert. Aufgrund dessen ist zukünftig von einem vermehrten Einsatz teilverkabelter Übertragungssysteme auszugehen, um Planungs- und Genehmigungsprozesse zu beschleunigen. Für einen großflächigen Einsatz dieser Technologie müssen jedoch zunächst verschiedene technische Herausforderungen bewältigt werden. Hierzu gehört insbesondere die sichere, schnelle und selektive Beherrschung von Leitungsfehlern. Da die heutzutage für VSC-HGÜ-Systeme entwickelten Leitungsschutzkonzepte in der Regel auf reinen Kabel- oder Freileitungssystemen beruhen, sind umfassende Untersuchungen des transienten Fehlerverhaltens teilverkabelter Übertragungssysteme erforderlich, um die Anwendbarkeit der bekannten Methoden zu bewerten und diese bedarfsgerecht weiterzuentwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit werden topologische Einflussfaktoren auf die Spannungs- und Stromverläufe anhand von Simulationen transienter elektromagnetischer Vorgänge im Zeitbereich analysiert. Infolge von Wanderwellenreflexions- und transmissionseffekten an den Übergangsstellen zwischen Kabel- und Freileitungsabschnitten kann es in Abhängigkeit der jeweiligen Topologie und des Fehlerortes zu signifikanten Veränderungen der initialen Fehlerausprägungen an den Leitungsübergängen sowie an den Leitungsenden kommen. Einerseits können durch die Verstärkung von Wellenfronten erhöhte Spannungs- und Strombelastungen im Vergleich zu reinen Kabel- und Freileitungssystemen auftreten. Andererseits kann eine eindeutige Erkennung von Wanderwellen am Leitungsende durch Verzerrung und Dämpfung von Wellenfronten erschwert werden. Da der Großteil existierender Fehlerdetektions- und Lokalisierungsverfahren auf der Identifikation schneller Spannungs- und Stromänderungen basiert, kann die Funktionalität des Leitungsschutzes infolgedessen nicht mehr garantiert werden. In Anbetracht der identifizierten Herausforderungen schlägt diese Arbeit den Einsatz verteilter Spannungs- und Strommessungen an den Leitungsübergängen in Verbindung mit einer entsprechenden Signalkommunikation an die Leitungsenden sowie zwischen den jeweiligen Leitungsenden vor. Hierauf aufbauend wird ein erweitertes Schutzkonzept mit zusätzlichen spannungsbasierten Fehlerdetektions- sowie einem stromänderungsbasierten Lokalisierungsverfahren entwickelt, welches auch für den Einsatz in Multi-Terminal-HGÜ-Systemen geeignet ist. Anhand exemplarischer Testsysteme erfolgt eine Validierung der Funktionalität der entwickelten Verfahren sowie deren flexibler Anwendbarkeit in unterschiedlichen Topologien. Dabei wird gezeigt, dass sämtliche Fehlerszenarien erfolgreich erkannt, lokalisiert und geklärt werden.

The integration of VSC-HVDC transmission systems into existing AC grid structures is identified as a key solution to increase the accessibility of remotely located renewable generation. At the same time, realising new transmission corridors is often confronted by public objection. In an effort to reduce planning and commissioning processes, transmission systems with mixed usage of power cables and overhead lines are expected to assume an increasingly important role in the future transmission grid. However, several technical challenges still have to be addressed, in particular the reliable, fast and selective handling of line faults. Since line protection concepts proposed for VSC-HVDC systems today typically only account for either pure cable or pure overhead line transmission, a comprehensive investigation of the transient fault behaviour in mixed systems is needed to be able to assess and further develop the existing methods. In this work, topological impact factors on the voltage and current characteristics are analysed based on electromagnetic transient simulations in the time domain. As a result of travelling wave reflection and transmission effects, which occur at every transition point between a cable and an overhead line section, the initial fault impacts at the transmission line ends and segment interfaces can vary significantly depending on the line topology and the fault location. On the one hand, amplified wave fronts can cause increased voltage and current stresses compared to pure cable or overhead line systems. On the other hand, the initial fault effects at the line terminations can be attenuated significantly without a clear indication of travelling wave fronts. Since most of the proposed fault detection and localisation methods rely on an identification of steep voltage and current changes, comprehensive line protection is no longer guaranteed. To address these challenges, distributed voltage and current measurements are introduced at the line transition points as well as end-to-end and interface-to-end communication channels to transmit the measurement data to the line ends. On this foundation, additional voltage-based detection criteria and a rate-of-change-of-current-based localisation algorithm are incorporated into the protection concept, along with further enhancements, e.g. for applications in multi-terminal DC systems. The functionality and flexible applicability of the developed methods is validated in exemplary test systems pointing out the successful detection, separation and localisation of faults in all of the investigated scenarios.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)