Διερεύνηση των εισερχόμενων εξωτερικών υπερτάσεων στον HVDC σταθμό μετατροπής του Αράχθου με τη χρήση του λογισμικού ΑTP-EMTP

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Διερεύνηση των εισερχόμενων εξωτερικών υπερτάσεων στον HVDC σταθμό μετατροπής του Αράχθου με τη χρήση του λογισμικού ΑTP-EMTP ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Αθανάσιος-Ξενοφών Παραθυράς Επιβλέπων: Αναπλ. Καθηγητής Π.Ν Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2013

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το παρόν σύγγραμμα αποτελεί τη διπλωματική μου εργασία στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Ο σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση των εξωτερικών εισερχόμενων υπερτάσεων και η επιβεβαίωση των επιπέδων μόνωσης της μελέτης συντονισμού μονώσεων στον σταθμό μετατροπής του Αράχθου, στην Άρτα, ο οποίος αποτελεί μέρος της HVDC διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας. Η εργασία χωρίζεται σε τρία μέρη. Το πρώτο κεφάλαιο κάνει μια γενική περιγραφή των HVDC συστημάτων μεταφοράς και γίνεται και ειδική αναφορά στην διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας. Στην πρώτη ενότητα γίνεται μια ιστορική αναδρομή στην ανάπτυξη των HVDC συστημάτων μεταφοράς. Στην δεύτερη ενότητα γίνεται μια σύντομη αναφορά στα βασικότερα πλεονεκτήματα της χρήσης HVDC συστημάτων μεταφοράς έναντι των αντίστοιχων ΗVAC. Στην τρίτη ενότητα γίνεται η ανάλυση της διάρθρωσης ενός HVDC συστήματος μεταφοράς και του σταθμού μετατροπής ειδικότερα. Στην τέταρτη ενότητα αναφέρονται και αναλύονται οι κατηγορίες των διάφορων HVDC συστημάτων. Στην πέμπτη ενότητα περιγράφεται και αναλύεται η HVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει την μελέτη συντονισμού μονώσεων σε έναν σταθμό μετατροπής μιας HVDC διασύνδεσης. Η πρώτη ενότητα περιγράφει τους στόχους και την διαδικασία της μελέτης συντονισμού μονώσεων. Στην δεύτερη ενότητα αναλύονται οι τάσεις και οι υπερτάσεις κατά την λειτουργία ενός HVDC σταθμού μετατροπής και τον εξοπλισμό προστασίας, με τον οποίο αυτές αντιμετωπίζονται. Η τρίτη ενότητα περιγράφει τους εκτροπείς υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων, που χρησιμοποιούνται ως επί τω πλείστον, στους HVDC σταθμούς μετατροπής. Η τέταρτη ενότητα ασχολείται με την διαδικασία της μελέτης συντονισμού μονώσεων και τον τρόπο με τον οποίο καθορίζονται οι αντιπροσωπευτικές υπερτάσεις ενός σταθμού. Στην πέμπτη και την έκτη ενότητα, περιγράφεται ο τρόπος προσδιορισμού των διαβαθμισμένων και απαιτούμενων τάσεων αντοχής. Τέλος, στην έβδομη ενότητα, αναλύεται η επιλογή των τυποποιήμενων τάσεων αντοχής.

3 Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την διερεύνηση της μελέτης του συντονισμού μονώσεων για τις εξωτερικές υπερτάσεις του σταθμού μετατροπής του Αράχθου. Η πρώτη ενότητα είναι μια μικρή εισαγωγή για την περιγραφή του κεφαλαίου. Στην δεύτερη ενότητα αναλύεται ο εξοπλισμός του συγκεκριμένου σταθμού μετατροπής στον Άραχθο και παραθέτονται φωτογραφίες. Στην τρίτη ενότητα γίνονται οι προσομοιώσεις διάφορων περιπτώσεων κεραυνικών πληγμάτων στις εισερχόμενες γραμμές μεταφοράς του σταθμού μετατροπής με τη χρήση του λογισμικού πακέτου ΑΤP-EMTP και εξάγονται τα κατάλληλα συμπεράσματα για την επιλογή του βασικού επιπέδου μόνωσης στα διάφορα στοιχεία του εξοπλισμού για τις εξωτερικές υπερτάσεις. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Π. Κουρτίδη και το υπόλοιπο τεχνικό προσωπικό του ΚΥΤ Αράχθου για την ευγενική αντιμετώπιση που έτυχα και την προθυμία τους στην παροχή όλων των απαραίτητων στοιχείων για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ευχαριστώ θερμά τον Αναπληρωτή Καθηγητή κ. Π. Ν. Μικρόπουλο για την άψογη συνεργασία και την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον και πολύπλευρο θέμα. Ακόμη, ευχαριστώ τον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ζ. Δάτσιο για την πολύτιμη βοήθεια του και την καθοδήγησή του στην επίλυση θεωρητικών και πρακτικών προβλημάτων που αντιμετώπισα κατά την εκπόνηση του παρόντος συγγράμματος.

4 Πίνακας περιεχομένων Σελίδα 1. HVDC συστήματα μεταφοράς Ιστορική αναδρομή των HVDC συστημάτων μεταφοράς Πλεονεκτήματα χρήσης HVDC έναντι HVAC διασύνδεσης Διάρθρωση HVDC συστημάτων μεταφοράς Κατηγοριοποίηση των διασυνδέσεων των HVDC συστημάτων μεταφοράς Point-to-point συστήματα Πολυτερματικά συστήματα HVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας Στοιχεία για την HVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας Στοιχεία για την διασύνδεση του ΚΥΤ Αράχθου με το υπόλοιπο ελληνικό δίκτυο μεταφοράς και διανομής Κατασκευαστικές λεπτομέρειες για τις ac και τις dc γραμμές μεταφοράς με τις οποίες διασυνδέεται ο σταθμός μετατροπής στον Άραχθο Κατασκευή HVDC διασυνδετικής γραμμής Ελλάδας-Ιταλίας Οικονομικά οφέλη ηλεκτρικής διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας Συντονισμός μονώσεων σε σταθμό μετατροπής HVDC συστήματος μεταφοράς Στόχοι και διαδικασία μελέτης συντονισμού μονώσεων Ουσιώδεις διαφορές μεταξύ ac και dc συστημάτων Επιμερισμός σταθμού μετατροπής Διαδικασία μελέτης συντονισμού μονώσεων Τάσεις και υπερτάσεις κατά την λειτουργία ενός HVDC σταθμού μετατροπής Σχέδιο προστασίας του σταθμού έναντι υπερτάσεων με τη χρήση εκτροπέων υπέρτασης Τάσεις κανονικής λειτουργίας σε διάφορα σημεία του σταθμού μετατροπής Τύποι και αιτίες υπερτάσεων σε ένα ΗVDC σταθμό μετατροπής Προσωρινές και εσωτερικές υπερτάσεις Εξωτερικές υπερτάσεις Steep-front υπερτάσεις και υπερτάσεις με πολύ μικρή διάρκεια μετώπου Εκτροπείς υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων Χαρακτηριστικά εκτροπέων υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων Κριτήρια επιλογής εκτροπέων υπέρτασης Καθορισμός των αντιπροσωπευτικών υπερτάσεων 42

5 2.5. Καθορισμός των διαβαθμισμένων τάσεων αντοχής Καθορισμός των απαιτούμενων τάσεων αντοχής Καθορισμός των τυποποιημένων τάσεων αντοχής Διαδικασία μελέτης συντονισμού μονώσεων με τη χρήση λογισμικού Εισαγωγή Εξοπλισμός στον σταθμό μετατροπής του Αράχθου Προσομοιώσεις με τη χρήση του λογισμικού πακέτου ATP-EMTP Αναπαράσταση των διάφορων στοιχείων του συστήματος Σενάρια εισερχόμενων εξωτερικών υπερτάσεων στο σταθμό μετατροπής του Αράχθου Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό μετατροπής από την μεριά του HVAC συστήματος μεταφοράς των 400 kv Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό που οφείλονται στην ανάστροφη διάσπαση μόνωσης της γραμμής AC Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό που οφείλονται σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα στην φάση της γραμμής Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό μετατροπής από την μεριά της HVDC διασύνδεσης Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό που οφείλονται στην ανάστροφη διάσπαση μόνωσης της dc γραμμής Εισερχόμενες υπερτάσεις στον σταθμό που οφείλονται σε άμεσο κεραυνικό πλήγμα στην φάση της γραμμής Συμπεράσματα Παράρτημα Α Παράρτημα Β Παράρτημα Γ 99

6 Κατάλογος συμβόλων και ορισμών Στην παρούσα εργασία, θα χρησιμοποιηθούν σύμβολα και ορισμοί που παρατίθενται παρακάτω. Ορισμοί Για τους σκοπούς της μελέτης συντονισμού μονώσεων, οι παρακάτω όροι και οι αντίστοιχοι ορισμοί τους χρησιμοποιούνται. Τάση λειτουργίας dc Μέγιστη μέση τάση λειτουργίας ως προς την γη, αγνοώντας τις αρμονικές κα τις μεταβατικές υπερτάσεις που οφείλονται στην διακοπτική λειτουργία των θυρίστορ Τιμή κορυφής συνεχούς τάσης λειτουργίας (PCOV) Τιμή κορυφής της τάσης συνεχούς λειτουργίας στον εξοπλισμό της dc πλευράς του σταθμού μετατροπής, περιλαμβάνοντας τις μεταβατικές υπερτάσεις που οφείλονται στην διακοπτική λειτουργία των θυρίστορ (commutation overshoots) Μέγιστη τιμή τάσης συνεχούς λειτουργίας (CCOV) Μέγιστη τιμή τάσης συνεχούς λειτουργίας στον εξοπλισμό της dc πλευράς του σταθμού μετατροπής, αγνοώντας τις μεταβατικές υπερτάσεις που οφείλονται στην διακοπτική λειτουργία των θυρίστορ Υπέρταση Τάση μεταξύ μιας φάσης και της γης ή μεταξύ φάσεων με τιμή κορυφής, η οποία ξεπερνάει την τιμή κορυφής της μέγιστης τάσης λειτουργίας του συστήματος στην ac πλευρά και την PCOV στην dc πλευρά του σταθμού μετατροπής Προσωρινή υπέρταση Υπέρταση βιομηχανικής συχνότητας με σχετικά μεγάλη διάρκεια (IEC )

7 Εσωτερική υπέρταση ή υπέρταση με μεγάλη διάρκεια μετώπου Μεταβατική υπέρταση, συνήθως μονόφορη, με διάρκεια μετώπου μεταξύ 20 και 5000 μs και διάρκεια ουράς μεγαλύτερη των 50 ms (ΙΕC ) Εξωτερική υπέρταση ή υπέρταση με μικρή διάρκεια μετώπου Μεταβατική υπέρταση, συνήθως μονόφορη, με διάρκεια μετώπου από 0.1 μέχρι 20 μs και διάρκεια ουράς μεγαλύτερη από 300 μs Υπέρταση με πάρα πολύ μικρή διάρκεια μετώπου Μεταβατική υπέρταση, συνήθως μονόφορη, με χρονική διάρκεια μετώπου μικρότερη του 0.1 μs, συνολική χρονική διάρκεια μικρότερη των 3 ms, και με υπερτιθέμενες ταλαντώσεις συχνοτήτων από 30 khz μέχρι 100 MHz Υπέρταση απότομου μετώπου Μεταβατική υπέρταση, αποτελεί είδος των εξωτερικών υπερτάσεων με διάρκεια μετώπου από 3 ns μέχρι 1.2 μs. Συνδυασμένη υπέρταση (προσωρινή, εσωτερική, εξωτερική και υπέρταση με πολύ μικρή διάρκεια μετώπου) Υπέρταση αποτελούμενη από δύο επιμέρους υπερτάσεις ταυτόχρονα. Κατηγοριοποιείται ανάλογα με το ποια συνιστώσα εμφανίζει μεγαλύτερη τιμή. Αντιπροσωπευτικές υπερτάσεις Υπερτάσεις, οι οποίες θεωρούνται ότι έχουν την ίδια διηλεκτρική καταπόνηση με τις κατηγορίες των υπερτάσεων κατά την λειτουργία του συστήματος (ΙΕC ). Αντιπροσωπευτική εσωτερική υπέρταση (RSLO) Υπέρταση, που εφαρμόζεται στα άκρα ενός στοιχείου εξοπλισμού, με κυματομορφή της τυποποιημένης εσωτερικής κρουστικής τάσης Αντιπροσωπευτική εξωτερική υπέρταση (RFAO)

8 Υπέρταση, που εφαρμόζεται στα άκρα ενός στοιχείου εξοπλισμού, με κυματομορφή της τυποποιημένης εξωτερικής κρουστικής τάσης Αντιπροσωπευτική υπέρταση απότομου μετώπου (RSTO) Υπέρταση με τυποιημένη κυματομορφή με χρονική διάρκεια μετώπου μικρότερη από την αντίστοιχης μιας τυποποιημένης εξωτερικής κρουστικής τάσης αλλά μεγαλύτερης από μιας υπέρτασης με πολύ μικρή χρονική διάρκεια μετώπου, όπως καθορίζεται στο πρότυπο της ΙΕC, Συνεχής τάση λειτουργίας (U c ) Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση, που μπορεί να υπάρχει συνεχώς μεταξύ των ακροδεκτών του εκτροπέα υπέρτασης, χωρίς αυτός να υπερθερμαίνεται ή να καταστρέφεται Συνεχής τάση λειτουργίας με αρμονικές (U ch ) Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση συμπεριλαμβανομένων των υπάρχουσων αρμονικών, που μπορεί να υπάρχει συνεχώς μεταξύ των ακροδεκτών του εκτροπέα υπέρτασης Ισοδύναμη τιμή κορυφής της τάσης συνεχούς λειτουργίας ενός εκτροπέα υπέρτασης (ECOV) R.m.s τιμή της τάση λειτουργίας βιομηχανικής συχνότητας σε ένα εκτροπέα μεταλλικών οξειδίων, η οποία ισοδυναμεί με την συνεχή τάση λειτουργίας οποιασδήποτε κυματομορφής, που καταπονεί τον εκτροπέα, και επιφέρει την ίδια διηλεκτρική καταπόνηση Παραμένουσα τάση εκτροπέα υπέρτασης Τάση που αναπτύσσεται στα άκρα ενός εκτροπέα κατά την διέλευση του ρεύματος εκκένωσης Ρεύματα διέλευσης ενός εκτροπέα υπέρτασης Για ένα δοσμένο σύστημα και για κάθε κατηγορία υπερτάσεων, το ρεύμα εκκένωσης διαμέσου του εκτροπέα υπέρτασης, για το οποίο καθορίζεται η αντίστοιχη αντιπροσωπευτική υπέρταση. Τυποποιημένες κυματομορφές για

9 κρουστικών ρευμάτων εκκένωσης για εσωτερικές, εξωτερικές και υπερτάσεις απότομου μετώπου δίνονται στο πρότυπο της IEC, Άμεσα προστατευόμενος εξοπλισμός Εξοπλισμός συνδεδεμένος παράλληλα με έναν εκτροπέα υπέρτασης, όπου η μεταξύ τους απόσταση μπορεί να αμεληθεί και κάθε αντιπροσωπευτική υπέρταση να θεωρηθεί ίση με το αντίστοιχο επίπεδο προστασίας του εκτροπέα Επίπεδα προστασίας ενός εκτροπέα υπέρτασης Για κάθε επίπεδο τάσης, η παραμένουσα τάση που εμφανίζεται στα άκρα του εκτροπέα κατά την διέλευση του ρεύματος εκκένωσης που αντιστοιχεί σε τυπικό ρεύμα διέλευσης Επίπεδο προστασίας σε εσωτερικές υπερτάσεις (SIPL) Παραμένουσα τάση στα άκρα ενός εκτροπέα υπέρτασης όταν εφαρμόζεται το κρουστικό ρεύμα εκκένωσης που αντιστοιχεί στο ρεύμα διέλευσης για την αντιπροσωπευτική εσωτερική υπέρταση Επίπεδο προστασίας σε εξωτερικές υπερτάσεις (LIPL) Παραμένουσα τάση στα άκρα ενός εκτροπέα όταν εφαρμόζεται το κρουστικό ρεύμα εκκένωσης που αντιστοιχεί στο ρεύμα διέλευσης για την αντιπροσωπευτική εξωτερική υπέρταση Επίπεδο προστασίας για υπερτάσεις απότομου μετώπου (STIPL) Παραμένουσα τάση στα άκρα ενός εκτροπέα όταν εφαρμόζεται το κρουστικό ρεύμα εκκένωσης που αντιστοιχεί στο ρεύμα διέλευσης για την αντιπροσωπευτική υπέρταση απότομου μετώπου Διαβαθμισμένη τάση αντοχής Για κάθε κατηγορία τάσεων, η τιμή της τάση αντοχής της μόνωσης, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, η οποία ανταποκρίνεται στα κριτήρια επιλογής της μόνωσης.

10 Απαιτούμενη τάση αντοχής Η τάση δοκιμής που θα πρέπει να αντέχει η μόνωση σε μια τυποποιημένη δοκιμή αντοχής, η οποία θα εξασφαλίζει ότι η τάση αντοχής της μόνωσης θα είναι ίση με την διαβαθμισμένη τάση αντοχής σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας Τυποποιημένη τάση αντοχής Τάση δοκιμής κατάλληλα επιλεγμένη ίση ή μεγαλύτερη από την απαιτούμενη τάση αντοχής Τυποποιημένη τάση αντοχής για εσωτερικές υπερτάσεις (SSIWV) Τάση αντοχής της μόνωσης με κυματομορφή αυτή της τυποποιημένης εσωτερικής κρουστικής τάσης Τυποποιημένη τάση αντοχής για εξωτερικές υπερτάσεις (SLIWV) Τάση αντοχής της μόνωσης με κυματομορφή αυτή της τυποποιημένης εξωτερικής κρουστικής τάσης Τυποποιημένη τάση αντοχής για υπερτάσεις απότομου μετώπου (SSFIWV) Τάση αντοχής της μόνωσης με κυματομορφή που ορίζεται στο πρότυπο της IEC,

11 Σύμβολα Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα χρησιμοποιηθούν τα παρακάτω σύμβολα. Κ a : ο συντελεστής διόρθωσης για τις περιβαλλοντικές συνθήκες Κ cd : ο διαβαθμισμένος συντελεστής διαβάθμισης της αιτιοκρατικής μεθόδου Κ cs : ο διαβαθμισμένος συντελεστής της στατιστικής μεθόδου Κ s : ο συντελεστής ασφάλειας U r : η ονομαστική τάση του εκτροπέα U w : η τυποποιημένη τάση αντοχής U cw : η διαβαθμισμένη τάση αντοχής U pl : το επίπεδο προστασίας του εκτροπέα υπέρτασης από εξωτερικές κρουστικές τάσεις U ps : το επίπεδο προστασίας του εκτροπέα υπέρτασης από εσωτερικές κρουστικές τάσεις U rp : η αντιπροσωπευτική υπέρταση U rw : η απαιτούμενη τάση αντοχής

12

13 1. HVDC συστήματα μεταφοράς 1.1 Ιστορική αναδρομή των HVDC συστημάτων μεταφοράς Η ανάπτυξη των HVDC συστημάτων μεταφοράς χρονολογείται πίσω στην δεκαετία του 1930,όταν δημιουργήθηκαν οι δίοδοι ατμού υδραργύρου (mercury arc valves) (εικόνα 1)[1]. Η πρώτη σημαντική εφαρμογή της τεχνολογίας HVDC υπήρξε η διασύνδεση του ηπειρωτικού συστήματος της Σουηδίας με το νησί Gotland, το 1954 [2]. Η ισχύς της σύνδεσης ήταν 20 MW υπό τάση 100 kv και η υποβρύχια σύνδεση είχε μήκος 98 km. Στη συνέχεια ακολούθησαν και άλλα έργα, στα οποία χρησιμοποιήθηκε η ίδια τεχνολογία στην μετατροπή, όπως η υποβρύχια σύνδεση Αγγλίας-Γαλλίας (1961), η σύνδεση Σαρδηνίας-Ιταλίας (1967) κ.ά.[2]. Εικόνα 1.1: Δίοδοι ατμών υδραργύρου στην πρώτη διασύνδεση Gotland [1] Το 1972 εφαρμόστηκε για πρώτη φορά μία νέα τεχνολογία ηλεκτρονικών ισχύος για την μεταφορά HVDC. Το συγκεκριμένο έργο έγινε στον Καναδά (Eel River) και η μετατροπή της εναλλασσόμενης σε συνεχή τάση γίνεται μέσω της χρήσης συστοιχιών θυρίστορ (thyristor valves). Η συγκεκριμένη διασύνδεση είναι τύπου back-to-back και χρησιμοποιείται για την σύνδεση δύο ασύγχρονων δικτύων, του δικτύου του New Brunswick και του Hydro Quebec, στο βορειανατολικό κομμάτι του Καναδά [3]. Από εκείνη την χρονιά και μετά, τα περισσότερα έργα HVDC διασύνδεσης που αναπτύχθηκαν, χρησιμοποιούσαν αυτήν την τεχνολογία. 1

14 Το έτος 1997 σηματοδοτεί την εφαρμογή μιας νέας μεγάλης καινοτομίας στον χώρο των συστημάτων μεταφοράς HVDC. Εκείνο το έτος, η εξέλιξη και η ανάπτυξη στον χώρο των ηλεκτρονικών ισχύος αντικαθιστά τα θυρίστορ με νέα διακοπτικά στοιχεία, τα IGBT s, και η τεχνολογία που τα χρησιμοποιεί ονομάζεται HVDC Light. Μέσα στο 2010 τέθηκε σε λειτουργία η πρώτη HVDC Light διασύνδεση που χρησιμοποιεί εναέριες γραμμές μεταφοράς, στη διασύνδεση ανάμεσα στο Zambezi, δίπλα στα σύνορα με τη Zambia στην περιοχή του Caprivi και στο Gerus, το οποίο βρίσκεται στο κεντρικό κομμάτι της Namibia (εικόνα 2) [4]. Το συγκεκριμένο έργο συνδέει δύο αδύναμα δίκτυα (ως προς την ισχύ βραχυκύκλωσης), το δίκτυο της Namibia με αυτό της Zambia, και βοηθά στην διατήρηση της ευστάθειας τους, κύριο χαρακτηριστικό αυτής της τεχνολογίας. Εικόνα 1.2: Σταθμός μετατροπής στο Gerus, στο κεντρικό μέρος της Namibia [4] 1.2 Πλεονεκτήματα χρήσης HVDC έναντι HVAC διασύνδεσης Η τεχνολογία HVDC συστημάτων μεταφοράς έχει γνωρίσει τεράστια ανάπτυξη τις τελευταίες δεκαετίες και έχει παίξει σημαντικό ρόλο στην μεταφορά ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις και στην διασύνδεση ηλεκτρικών δικτύων. Αυτό οφείλεται στα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει μια HVDC διασύνδεση έναντι της αντίστοιχης ΗVAC [5], τα οποία είναι: 2

15 Μείωση των απωλειών ισχύος κατά τη διάρκεια μεταφοράς του ηλεκτρισμού Δεν προκύπτουν προβλήματα ευστάθειας του συστήματος μεταφοράς και συνεπώς δεν υπάρχουν περιορισμοί απόστασης για την μεταφορά ισχύος τόσο για εναέριες όσο και για υποβρύχιες γραμμές μεταφοράς Δυνατότητα διασύνδεσης ηλεκτρικών δικτύων που έχουν διαφορετικές συχνότητες ή διαφορετικά συστήματα ελέγχου Διατηρεί την ικανότητα του κάθε δικτύου για αυτόνομο έλεγχο συχνότητας και ισχύος H ταχύτητα στην αντιστροφή της ροής και της πολικότητας της ηλεκτρικής ισχύος Βελτιώνει την ευστάθεια των AC διασυνδεδεμένων συστημάτων καθώς έχει υψηλή απόκριση στον έλεγχο της μεταφερόμενης ισχύος. 1.3 Διάρθρωση των HVDC συστημάτων μεταφοράς Σε ένα κλασσικό HVDC σύστημα, η ηλεκτρική ενέργεια λαμβάνεται από ένα AC δίκτυο, μετατρέπεται σε DC με την βοήθεια ενός σταθμού μετατροπής (converter station), μεταφέρεται μέσω DC εναέριων γραμμών μεταφοράς ή καλωδίων στο σημείο λήψης και μετατρέπεται ξανά σε AC με την βοήθεια ακόμη ενός σταθμού μετατροπής, ο οποίος τροφοδοτεί το AC δίκτυο που συνδέεται σε αυτόν τον σταθμό μετατροπής. Ανάλογα με τις ανάγκες του έργου που καλείται να εξυπηρετήσει το HVDC σύστημα μεταφοράς, προσδιορίζεται και η τοπολογία του σταθμού μετατροπής [6], που στην γενική μορφή της μοιάζει με αυτήν του Σχήματος 1.3. Παρακάτω, παρουσιάζονται και αναλύονται τα επιμέρους τμήματα που αποτελούν ένα σταθμό μετατροπής. 3

16 Σχήμα 1.3: Διάρθρωση τυπικού σταθμού μετατροπής [7] Τα στοιχεία που αποτελούν έναν σταθμό μετατροπής είναι: Μετατροπέας Μετασχηματιστές Ισχύος Ac φίλτρα Dc φίλτρα Πηνία εξομάλυνσης Μέσα αντιστάθμισης άεργου ισχύος (μόνο σε φυσικής μεταγωγής μετατροπείς) 4

17 Εικόνα 1.4: Τοπολογία σταθμού μετατροπής [8] Μετατροπέας (Converter bridge) Το κύκλωμα του μετατροπέα αποτελεί το πιο ουσιαστικό κομμάτι του σταθμού μετατροπής και γενικότερα της ΗVDC διασύνδεσης. Χρησιμοποιεί ευρύτατα την τεχνολογία των ηλεκτρονικών ισχύος, ηλεκτρονικές ημιαγώγιμες βαλβίδες υψηλής τάσης (εικόνα 1.7), ώστε να μετατρέψει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή (λειτουργία ανόρθωσης) και αντίστροφα την συνεχή σε εναλλασσόμενη (λειτουργία αντιστροφής) καθοδηγούμενο από ένα σύστημα ελέγχου. Ουσιαστικά, πρόκειται για μια τριφασική γέφυρα δώδεκα παλμών (εικόνα 1.5,1.6), η οποία αποτελείται από δύο τριφασικές γέφυρες έξι παλμών. Τα τυπικά HVDC συστήματα μεταφοράς περιέχουν μια γέφυρα δώδεκα παλμών ανά πόλο, αλλά τελευταία έχουν αναπτυχθεί συστήματα με δύο ή και παραπάνω δωδεκαπαλμικές γέφυρες ανά πόλο [9,10,11]. Αυτό γίνεται για λόγους αύξησης του επιπέδου της μεταφερόμενης ισχύος και της αξιοπιστίας και διαθεσιμότητας του συστήματος. 5

18 Οι γέφυρες έξι παλμών συνδέονται παράλληλα, μέσω μετασχηματιστών στο ac δίκτυο. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε δύο μετασχηματιστές δύο τυλιγμάτων είτε ένας μετασχηματιστής τριών τυλιγμάτων. Στην πρώτη περίπτωση των δύο Μ/Σ δύο τυλιγμάτων, ο ένας βρίσκεται σε συνδεσμολογία Y/Y και ο άλλος σε συνδεσμολογία Υ/Δ. Στην δεύτερη περίπτωση της χρήσης ενός Μ/Σ με τρία τυλίγματα, το πρωτεύον τύλιγμα βρίσκεται σε συνδεσμολογία Υ ενώ το δευτερεύον και το τριτεύον βρίσκονται το ένα σε συνδεσμολογία Υ και το άλλο σε Δ. Έτσι, οι τάσεις τροφοδοσίας των εξαπαλμικών γεφυρών εμφανίζουν διαφορά φάσης 30 ή 150. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης, συνδέει τις δύο γέφυρες έξι παλμών σε σειρά στη DC πλευρά και παράλληλα στην AC πλευρά, έτσι ώστε να υπάρχουν υψηλές DC τάσεις και περιορισμό των αρμονικών των AC ρευμάτων και της κυμάτωσης της DC τάσης [12]. Ανάλογα με το είδος των ημιαγωγικών διακοπτών ισχύος που χρησιμοποιούνται στην γέφυρα προκύπτουν και τα διάφορα είδη μετατροπέων που εφαρμόζονται στους σταθμούς μετατροπής [13]. Οι κατηγορίες είναι οι εξής: Φυσικής μεταγωγής (Line Commutated Current Source Converter, CSC) Στην περίπτωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής, οι ημιαγωγικοί διακόπτες ισχύος που χρησιμοποιούνται είναι τα θυρίστορ. Το θυρίστορ είναι ένας ελεγχόμενος ημιαγωγικός διακόπτης, ο οποίος μπορεί να αντέξει σε αρκετά υψηλά ρεύματα (4000 Α) και είναι ικανός να διακόψει πολύ υψηλές τάσεις (μέχρι 10kV). Συνδέοντας πολλά θυρίστορ σε σειρά είναι δυνατόν να χτίσουμε μια μία μονάδα ή συστοιχία θυρίστορ (thyristor valve), η οποία μπορεί να λειτουργεί σε αρκετά υψηλές τάσεις (τάξης 10 2 kv). Οι μετατροπείς φυσικής μεταγωγής εξαρτώνται από την ac τάση του συστήματος και λειτουργούν με την συχνότητα του δικτύου. Λειτουργούν με επαγωγικό συντελεστή ισχύος, καθώς η έναυση τους γίνεται με καθυστέρηση φάσης. Μέσω του ελέγχου της γωνίας έναυσης των θυρίστορ, ελέγχεται η ροή της μεταφερόμενης ισχύος γρήγορα και αποτελεσματικά. 6

19 Μεταγωγής μέσω πυκνωτών (Capacitor Commutated Converter, CCC) Η κατηγορία αυτή των μετατροπέων αποτελεί μία βελτίωση των μετατροπέων φυσικής μεταγωγής, η οποία εμφανίστηκε στα τέλη της δεκαετίας του 90 κυρίως για αδύναμα συστήματα back-to-back εφαρμογών. Στους μετατροπείς μεταγωγής μέσω πυκνωτών έχουμε τη χρήση πυκνωτών μεταγωγής, οι οποίοι τοποθετούνται σε σειρά μεταξύ του μετασχηματιστή (ή των μετασχηματιστών) του μετατροπέα και των μονάδων των θυρίστορ. Οι πυκνωτές μεταγωγής παρέχουν άεργο ισχύ στον μετατροπέα ανάλογη του φορτίου του. Έτσι, λοιπόν, καλύπτουν την ανάγκη αντιστάθμισης άεργου ισχύος στον μετατροπέα, αποκλείοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάγκη χρήσης πυκνωτών αντιστάθμισης και μεγάλων συστοιχιών φίλτρων για τον ίδιο σκοπό. Εξαναγκασμένης μεταγωγής (self-commutated Voltage Source Converter, VSC) Οι ημιαγωγικοί διακοπτικοί μηχανισμοί στην περίπτωση αυτή είναι GTO s ή IGBT s. Η λειτουργία του μετατροπέα επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης διαμόρφωσης εύρους παλμών (Pulse Width Modulation, PWM). Με την PWM διαμόρφωση επιτρέπεται η ταυτόχρονη μεταβολή του πλάτους και της φάσης της AC τάσης εξόδου του αντιστροφέα στην επιθυμητή τιμή και μορφή ταχύτατα. Συνεπώς, δίνεται η δυνατότητα ανεξάρτητου έλεγχου τόσο της ενεργού όσο και της άεργου ισχύος του συστήματος, που είναι και το βασικότερο πλεονέκτημα των VSC s. Τα συστήματα μεταφοράς HVDC που χρησιμοποιούν την τεχνολογία αυτή, είναι γνωστά ως HVDC Light ή HVDC Plus [14,15]. Μετασχηματιστής (Converter transformer) Ανάμεσα στον μετατροπέα και τo AC δίκτυο είναι συνδεδεμένοι μετασχηματιστές με μεταβλητό λόγο μετασχηματισμού (tap changer). Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για δύο λόγους, για την προσαρμογή της τάσης μεταξύ της εναλλασσόμενης τάσης και της συνεχούς τάσης αλλά και για 7

20 την ύπαρξη γαλβανικής ή ωμικής απομόνωσης μεταξύ της τροφοδοσίας από το σταθμό παραγωγής και της εξόδου του μετατροπέα (εικόνα 1.8,1.9). Πηνίο εξομάλυνσης (Smoothing reactor) Το πηνίο που βρίσκονται στην DC πλευρά, στη γραμμή του πόλου, είναι συνδεδεμένο σε σειρά με την γέφυρα δώδεκα παλμών (εικόνα 1.12) [16]. Χρησιμοποιείται για περαιτέρω μείωση των DC αρμονικών αλλά και για τον περιορισμό των βραχυκυκλωμάτων σε περίπτωση που συμβεί ένα σφάλμα στην DC γραμμή. Επιπλέον με το πηνίο αυτό αποφεύγεται η ασυνέχεια στην περίπτωση λειτουργίας υπό χαμηλό φορτίο. Ο συνδυασμός του πηνίου εξομάλυνσης με τα DC φίλτρα περιορίζουν την απότομη αύξηση του ρεύματος κατά την ύπαρξη σφαλμάτων μετάβασης (commutation failures). AC φίλτρα (AC filters) Ο μετατροπέας των δώδεκα παλμών εισάγει στο δίκτυο αρμονικά ρεύματα τάξης, τα οποία είναι ανεπιθύμητα, καθώς προκαλούν την παραμόρφωση της τάσης του δικτύου, υπερφορτίσεις και αστάθεια στον έλεγχο του μετατροπέα. Εξαιτίας της υψηλής τάξης των αρμονικών, ο περιορισμός τους από τα AC φίλτρα είναι ευκολότερος. Τα φίλτρα παρέχουν μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης στα αρμονικά ρεύματα, εμποδίζοντας την εισαγωγή τους στο δίκτυο (εικόνα 1.10). Τα φίλτρα συνήθως συντονίζονται για τις 11 η, 13 η,23 η,25 η αρμονικές σε γέφυρα δώδεκα παλμών [12]. Επιπλέον στην διαδικασία μετατροπής, οι μετατροπείς καταναλώνουν άεργο ισχύ, η οποία αντισταθμίζεται από τις συστοιχίες των φίλτρων, ενώ η υπόλοιπη παρέχεται από συστοιχίες μέσων αντιστάθμισης. DC φίλτρα (DC filters) Η τάση εξόδου του μετατροπέα στην DC πλευρά περιέχει αρμονικές, για την καταστολή των οποίων χρησιμοποιούνται τα DC φίλτρα. Τα DC φίλτρα περιορίζουν την κυμάτωση στην τάση εξόδου, ενώ το DC ρεύμα εξομαλύνεται κυρίως από την αυτεπαγωγή εξομάλυνσης και τις αυτεπαγωγές στα DC φίλτρα. Τα είδη DC φίλτρων που χρησιμοποιούνται είναι φίλτρα συντονισμού (εικόνα 1.13) και ενεργά φίλτρα (εικόνα 1.11) [17]. Με την χρήση των 8

21 κατάλληλων DC φίλτρων, ικανοποιούνται οι αρκετά αυστηρές απαιτήσεις για τα επίπεδα παρεμβολών των dc γραμμών. Μέσα αντιστάθμισης άεργου ισχύος (μόνο σε φυσικής μεταγωγής μετατροπείς) (reactive power compensators) Οι φυσικής μεταγωγής μετατροπείς, κατά την λειτουργία τους, απορροφούν άεργο ισχύ. Στη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, η άεργος ισχύς που καταναλώνεται είναι περίπου το 50% της ενεργού ισχύος που μεταφέρεται μέσω της HVDC σύνδεσης. Στη μεταβατική κατάσταση λειτουργίας, η κατανάλωση άεργου ισχύος μπορεί να είναι και μεγαλύτερη. Για αυτό τον λόγο, πρέπει κοντά στους μετατροπείς να υπάρχουν αντισταθμιστές άεργου ισχύος. Στην περίπτωση που η HVDC σύνδεση γίνεται μεταξύ δύο ισχυρών AC συστημάτων, η προσφορά ισχύος γίνεται συνήθως μέσω εγκάρσιων πυκνωτών (shunt capacitor). Ανάλογα με την ζήτηση ισχύος, μέρος της προσφερόμενης άεργου ισχύος στους μετατροπείς μπορεί να γίνει μέσω σύγχρονων πυκνωτών ή πυκνωτών αντιστάθμισης. Ένα μέρος της ζητούμενης άεργου ισχύος μπορεί να καλύπτεται και από τους πυκνωτές των AC φίλτρων που χρησιμοποιούνται [18]. Εικόνα 1.5: Γέφυρα δώδεκα παλμών με συστοιχίες θυρίστορ [19] 9

22 Εικόνα 1.6: Τυπική γέφυρα δώδεκα παλμών για ένα 500 kv DC σύστημα [18] Εικόνα 1.7: Συστοιχία υδρόψηκτων θυρίστορ [20] Distribution Projects Ltd) (AIstom Transmission and 10

23 Εικόνα 1.8: Μετασχηματιστής μετατροπέα Siemens [21] Εικόνα 1.9: Μετασχηματιστές μετατροπέα [22] 11

24 Εικόνα 1.10: AC φίλτρα και μέσα αντιστάθμισης άεργης ισχύος [18] εγκάρσιων πυκνωτών) στην HVDC διασύνδεση στην Gezhouba, στην Shangai (τράπεζες Εικόνα 1.11: Ενεργό DC φίλτρο στον σταθμό μετατροπής της διασύνδεσης Tian Guang [18] 12

25 Εικόνα 1.12: Πηνίο εξομάλυνσης ξηρού τύπου στην σταθμό μετατροπής της διασύνδεσης Tian Guang (Αυτεπαγωγή: 150 mh, Ονομαστική τάση: 500 kv DC, Ονομαστικό ρεύμα: 1800 Α DC) [18] Εικόνα 1.13: DC φίλτρα στον σταθμό μετατροπής της διασύνδεσης Guangzhou στην China [18] 13

26 1.4 Κατηγοριοποίηση των διασυνδέσεων των HVDC συστημάτων μεταφοράς Point-to-point συστήματα Τα περισσότερα HVDC συστήματα μεταφοράς ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία. Σε αυτήν την κατηγορία συνδέονται δύο AC δίκτυα και η HVDC διασύνδεση που χρησιμοποιείται είναι είτε μονοπολική είτε διπολική. Μονοπολική διασύνδεση Οι δύο σταθμοί μετατροπείς συνδέονται με έναν μόνο αγωγό (εικόνα 1.14). Συνήθως, ως αγωγός επιστροφής χρησιμοποιείται η γη ή η θάλασσα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως όταν για την μεταφορά της ισχύος χρησιμοποιείται καλώδιο. Μερικές φορές δεν επιτρέπεται αυτού του είδους η επιστροφή γιατί προκαλείται ροή ρεύματος μέσα από ανεπιθύμητες οδούς, όπως μεταλλικές κατασκευές με συνέπεια την διάβρωσή τους και η πρόκληση ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιείται ένας μεταλλικός αγωγός χαμηλής τάσης ως επιστροφή (εικόνα 1.15). Εικόνα 1.14: Μονοπολική διασύνδεση όπου το έδαφος ή η θάλασσα χρησιμοποιείται ως αγωγός επιστροφής [18] 14

27 Εικόνα 1.15: Μονοπολική διασύνδεση όπου ως αγωγός επιστροφής χρησιμοποιείται μεταλλικός αγωγός χαμηλής τάσης [18] Διπολική διασύνδεση Είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη διασύνδεση και αυτή που χρησιμοποιείται κυρίως στις περιπτώσεις όπου έχουμε συστήματα μεταφοράς με εναέριες γραμμές. Αποτελείται από δύο πόλους, έναν θετικής πολικότητας και έναν αρνητικής πολικότητας όπου ο ουδέτερος τους γειώνεται (εικόνα 16). Σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας, το ρεύμα που ρέει στον κάθε πόλο είναι το ίδιο και έτσι δεν ρέει ρεύμα μέσα από αγωγό επιστροφής ή την γη. Σε περίπτωση σφάλματος στον έναν πόλο, ο άλλος μπορεί να λειτουργήσει κανονικά με επιστροφή μέσα από την γη ή τον αγωγό επιστροφής. Σε μια διπολική διασύνδεση, η ισχύς που μεταφέρεται είναι διπλάσια της μεταφερομένης ισχύος στην αντίστοιχη μονοπολική διασύνδεση. Αυτό δημιουργεί μικρότερο ποσοστό αρμονικών σε κατάσταση κανονικής λειτουργίας. Εικόνα 1.16: Διπολική διασύνδεση με χρήση της γης ως επιστροφή [18] 15

28 Back-to-back διασύνδεση Σε αυτό τον τρόπο διασύνδεσης, οι δύο μετατροπείς βρίσκονται στον ίδιο σταθμό. Γενικά, χρησιμοποιείται για την σύνδεση δύο ασύγχρονων δικτύων, τα οποία βρίσκονται σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους. Στην back-to-back διασύνδεση δεν χρησιμοποιείται γραμμή ή καλώδιο μεταφοράς ανάμεσα στους μετατροπείς (εικόνα 17). Το ύψος της dc τάσης συνήθως σε αυτόν τον τρόπο διασύνδεσης, είναι μικρότερο σε σχέση με τους άλλους τρόπους διασύνδεσης. Εικόνα 1.17: Back-to-back διασύνδεση [18] Πολυτερματικά συστήματα Γενικά, σε αντίθεση με τη σημείο-προς-σημείο διασύνδεση, η οποία περιορίζεται σε ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ δύο σημείων, τα πολυτερματικά συστήματα δίνουν τη δυνατότητα σύνδεσης όλων των ενδιαφερομένων τερματικών σταθμών σε ένα κοινό δίκτυο μεταφοράς. Αυτό όμως, θα έχει σαν αποτέλεσμα να πρέπει να αναπτυχθεί ένα πιο περίπλοκο σύστημα ελέγχου, σε σχέση με τη σημείο-προς-σημείο διασύνδεση. Συνεπώς, όταν τρεις ή περισσότεροι HVDC υποσταθμοί γεωγραφικά απομακρυσμένοι, συνδέονται μεταξύ τους με εναέριους αγωγούς ή καλώδια, το HVDC σύστημα μεταφοράς ονομάζεται πολυτερματικό (multi-terminal, ΜΤDC) [23]. Οι επιπλέον σταθμοί που υπάρχουν μπορούν να συνδέονται είτε παράλληλα με τους ήδη υπάρχοντες, οπότε έχουμε το παράλληλο πολυτερματικό σύστημα (εικόνα 1.18), είτε σε σειρά, οπότε το σύστημα είναι σειριακό πολυτερματικό σύστημα (εικόνα 1.19). 16

29 Εικόνα 1.18: Σειριακό πολυτερματικό HVDC σύστημα Εικόνα 1.19: Παράλληλο πολυτερματικό ΗVDC σύστημα 1.5 ΗVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας Στοιχεία για την HVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας Η ηλεκτρική διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας αποτελεί τμήμα μιας συνολικότερης προσπάθειας για την ενοποίηση των ηλεκτρικών δικτύων των χωρών της Δυτικής Ευρώπης. Η υπάρχουσα διασύνδεση είναι μονοπολική, με έναν αγωγό θετικής πολικότητας και επιστροφή μέσω θαλάσσης. Για το συγκεκριμένο έργο υπάρχει η προοπτική να επεκταθεί το ήδη υπάρχον μονοπολικό σύστημα σε διπολικό. Μια τέτοια εξέλιξη θα διπλασιάσει την ποσότητα της μεταφερόμενη ισχύος, δηλαδή η μεταφερόμενη ισχύς θα φτάσει τα 1000 ΜW. Σε κατάσταση μονοπολικής λειτουργίας, η μέγιστη μεταφερόμενη ισχύς είναι 500 MW. H ονομαστική τάση είναι 400 kv και το μέγιστο ρεύμα 1250 Α. Οι δύο σταθμοί μετατροπείς του έργου βρίσκονται στα άκρα της γραμμής, ο ένας στην πλευρά της Ελλάδας και ο άλλος στην πλευρά της Ιταλίας. Ο σταθμός μετατροπής στην πλευρά της Ελλάδας βρίσκεται στον Άραχθο ενώ στην 17

30 πλευρά της Ιταλίας βρίσκεται στην Galatina (εικόνα 1.20).Η διασύνδεση των δύο σταθμών μετατροπής απαρτίζεται από τα εξής στάδια (εικόνα 1.21) [24]: Από τον ιταλικό σταθμό μετατροπής Γαλατίνας, ένα υπόγειο καλώδιο DC εκτείνεται σε 43 χλμ. μέχρι το Οτράντο, στην ιταλική ακτή. Από το σημείο αυτό ξεκινά το υποβρύχιο καλώδιο DC μήκους 163 km που φθάνει στην ελληνική ακτή, στον Αετό, ο οποίος βρίσκεται κοντά στα αλβανικά σύνορα. Μια εναέρια γραμμή DC μήκους 110 χλμ. συνδέει τον Αετό με τον Άραχθο, όπου έχουν κατασκευαστεί o σταθμός μετατροπής και ένα κέντρο υψηλής τάσης αντίστοιχα. Εικόνα 1.20: HVDC διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας [24] 18

31 Εικόνα 1.21: Το βαθυμετρικό προφίλ της HVDC διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας [24] Εικόνα 1.22: HVDC διασύνδεση επί ελληνικού εδάφους και οι HVAC διασυνδέσεις του ΚΥΤ Αράχθου [25] 19

32 1.5.2 Στοιχεία για την διασύνδεση του Αράχθου με το υπόλοιπο ελληνικό δίκτυο μεταφοράς και διανομής Σύστημα μεταφοράς 400 kv AC Για τις AC γραμμές μεταφοράς, οι οποίες εκτείνονται από τα ΚΥΤ Τρικάλων και Αχελώου προς τον Άραχθο (εικόνα 1.22), έχουμε δύο γραμμές μεταφοράς απλού κυκλώματος 400 kv, με τρίδυμο αγωγό ανά φάση, από το ΚΥΤ Τρικάλων στον Άραχθο, μήκους 103,5 km, και από το ΚΥΤ Αχελώου στον Άραχθο, μήκους 72,5 km [24]. Σύστημα μεταφοράς 150 kv AC Ο ζυγός του Αράχθου 400 kv συνδέεται επίσης με το σύστημα μεταφοράς των 150 kv μέσω δύο τριφασικών αυτομετασχηματιστών 280 MVA,400/157,5 kv, 19,6% [26] Κατασκευαστικές λεπτομέρειες για τις AC και τις DC γραμμές μεταφοράς με τις οποίες διασυνδέεται ο σταθμός μετατροπής στον Άραχθο Λεπτομέρειες για τις γραμμές μεταφοράς 400 kv AC στην διασύνδεση του ΚΥΤ Αράχθου με τα ΚΥΤ Τρικάλων και Αχελώου Οι γραμμές μεταφοράς απλού κυκλώματος με τρίδυμο αγωγό ανά φάση, χρησιμοποιούνται μόνο στην διασύνδεση του ΚΥΤ Αράχθου με το ΚΥΤ Τρικάλων και Αχελώου αντίστοιχα. Αυτή η επιλογή έγινε ύστερα από συγκριτική μελέτη του κόστους μεταφοράς ενέργειας για Γ.Μ 400kV απλού κυκλώματος, με δίδυμο ή τρίδυμο αγωγό και διπλού κυκλώματος με δίδυμο αγωγό. Από την μελέτη προέκυψε ότι για μεταφορά ενέργειας μεγαλύτερης των 600 MW με Γ.Μ 400 kv απλού κυκλώματος επιτυγχάνεται αισθητά οικονομικότερο αποτέλεσμα με χρησιμοποίηση τρίδυμου αντί δίδυμου αγωγού ανά φάση, ενώ παράλληλα αυξάνει η φυσική ισχύς κατά 10% και το θερμικό όριο κατά 50%. Οι πυλώνες που σχεδιάστηκαν και χρησιμοποιούνται για την ανάρτηση και τον τερματισμό των γραμμών είναι οι S7,G7,R7,T7,Z7 [27]. 20

33 Λεπτομέρειες για τις ΗVDC γραμμές μεταφοράς Για την ανάρτηση και την τάνυση των dc γραμμών μεταφοράς σχεδιάστηκαν και χρησιμοποιούνται οι S18,R18,T18,Z18 [27]. Στην αρχική φάση μονοπολικής λειτουργίας της DC Γ.Μ για μεταφορά ισχύος 500 MW οι πύργοι φέρουν μόνο έναν αγωγό πόλου, o oποίος είναι τρίδυμος. Για μείωση των απωλειών η διατομή των αγωγών επιστροφής πρέπει να είναι η ίδια με την συνολική διατομή των υποαγωγών του πόλου και έτσι αποφασίστηκε οι πύργοι να φέρουν δύο αγωγούς επιστροφής στην θέση των αγωγών προστασίας και ένα αγωγό επιστροφής στην θέση του μελλοντικού δεύτερου πόλου. Οι πύργοι έχουν υπολογιστεί να φέρουν δύο δέσμες τρίδυμων αγωγών δεδομένου ότι προβλέπεται μεταφορά ισχύος 1000 MW σε κατάσταση διπολικής λειτουργίας, με θετικό και αρνητικό πόλο. Σε έκτακτες καταστάσεις μονοπολικής λειτουργίας, οι αγωγοί προστασίας λειτουργούν και ως αγωγοί επιστροφής Κατασκευή HVDC διασυνδετικής γραμμής Ελλάδα-Ιταλίας Τα έργα πραγματοποιήθηκαν από το 1997 έως το 2001 με ένα σύνολο ωρών εργασίας από ελληνικής πλευράς. Η τάση της μεταφοράς σε όλο το μήκος της σύνδεσης είναι 400 KV για μια ηλεκτρική ισχύ 500 MW. Προβλέπεται η δυνατότητα εγκατάστασης ενός δεύτερου καλωδίου που θα επιτρέψει να φθάσει η ισχύς σε 1000 MW σε διπολική σύνδεση Οικονομικά οφέλη ηλεκτρικής διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας Η διαρκής αύξηση της ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας, ειδικά στα αστικά και βιομηχανικά κέντρα, επιβάλλει τη λειτουργία ενός συστήματος ολοένα και πιο κοντά στο όριο της ικανότητας μεταφοράς του ενώ πολλές φορές η μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος γίνεται με ασθενή δίκτυα. 21

34 Η δημιουργία μιας ανταγωνιστικής διεθνούς αγοράς ηλεκτρισμού επιβάλλει την διασύνδεση συστημάτων που, για δεκαετίες ολόκληρες, λειτουργούσαν ανεξάρτητα. Αυτές οι διασυνδέσεις δημιουργούν τεράστια δίκτυα στα οποία, εκτός από σοβαρά προβλήματα λειτουργίας που εμφανίζονται, προστίθεται και η ανάγκη εξασφάλισης των ανταλλαγών ισχύος στις χρονικές στιγμές και στις ποσότητες που καθορίζουν οι παίκτες της αγοράς. Η διασύνδεση της Ελλάδας με την Νότια Ιταλία και γενικά με το δίκτυο των χώρων της Ευρωπαϊκής Ένωσης πραγματοποιήθηκε με την κατασκευή της HVDC διασύνδεσης, το Μέχρι τότε η Ελλάδα δεν ήταν απευθείας συνδεδεμένη με το ηλεκτρικό δίκτυο των χωρών της Ευρωπαϊκής Ένωσης. Τα πλεονεκτήματα της νέας διασύνδεσης, η οποία πραγματοποιήθηκε με τη στήριξη του ευρωπαϊκού προγράμματος INTERREG, είναι πολυάριθμα. Με την παγίωση της ενιαίας αγοράς της ενέργειας η διασύνδεση διευρύνει τις δυνατότητες παραγωγής ηλεκτρισμού των δύο χωρών από πλευράς της ENEL στην Ιταλία και της ΔΕΗ στην Ελλάδα [24]. Εξάλλου, επιτρέπει τη μείωση της κατανάλωσης πετρελαίου, καθώς και τη μείωση των δαπανών εκμετάλλευσης, χάρη σε μια πιο ευέλικτη διαχείριση των δικτύων κατά τις ώρες αιχμής (οι δύο χώρες μπορούν να αλληλοβοηθηθούν προκειμένου να αποφύγουν την υπερλειτουργία ορισμένων σταθμών). Επίσης, εξασφαλίζει ένα πιο αξιόπιστο εφοδιασμό έναντι στην υπερβολική ζήτηση ή τις τυχαίες διακοπές ρεύματος. Σε αυτά προστίθενται οι θετικές επιπτώσεις για τις τοπικές τεχνολογικές δυνατότητες και την απασχόληση, καθώς και οι νέες προοπτικές για τις ενεργειακές ανταλλαγές της Ένωσης με την Ανατολική Ευρώπη και την ανατολική Μεσόγειο. 22

35 Βιβλιογραφία 1ου κεφαλαίου [1] Litzenberger W. : A short history of the Pacific HVDC Intertie, Power Systems Conference and Exposition, PSCE '06, 2006 IEEE PES, Oct Nov , p.24-27,atlanta, GA. [2] Αsplund G., Carlsson L. : ABB from pioneer to world leader, ABB Review 4/2008, [3] [4] e833.aspx [5] Μικρόπουλος Π. : HVDC Συστήματα Μεταφοράς, Πανεπιστημιακές Παραδόσεις, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 2005 [6] Chan-Ki K., Vijay K. S., Gil-Soo J., Seong-Joo L., Seok-Jin L. : HVDC Transmission: Power Conversion Applications in Power Systems, John Wiley&Sons, 2009 [7] Rudervall R., Charpentier J.P., Sharma R. : High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper,, Energy Week 2000,Washingon D.C, USA, March 7-8, 2000 [8] Εriksson K. : Station Design and Layout. ABB Power Systems, 2009, [9] Huang H., Ramaswani V. : Design of UHVDC Converter Station, IEEE/PES Transmission and Distribution, Conference & Exhibition: Asia and Pacific, Dalian, China, 2005 [10] Astrom U, Weimers L., Lescale V., Asplund G. : Power Transmission with ΗVDC at Voltages Above 600 kv. IEEE/PES Transmission and Distribution, Conference & Exhibition: Asia and Pacific, Dalian, China, [11] Astrom U., Lescale V. : Converter Stations for 800 kv HVDC. [12] Κιοσκερίδης Ι. : Ηλεκτρονικά Ισχύος, Εκδόσεις Τζιόλα,

36 [13] Rudervall R., Charpentier J.P., Sharma R. : High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper, Energy Week 2000,Washingon D.C, USA, March 7-8, 2000 [14] Schettler F., Huang H., Christl N. : HVDC Transmission Systems using Voltage Sourced Converters Design and Applications, Siemens AG, Erlangen, Germany, [15] Asplund G. : HVDC Light-DC transmission based on voltage sourced converters, ABB Review 1/1998 [16] Dong M., Xie S., Zhang D., He H., Bao M., He J., Huang H., Li X., Cai Z. : Influence of Smoothing Reactor Arrngement on Transients of converter station for Double-circuit HVDC system College of Electrical & Electronics Engineering, Huazhong University of Science & Technology and China Southern Power Grid Technology Research Centre [17] Gunnarsson S., Jiang L., Petersson A. : Active Filters in HVDC Transmissions, 4c125708a002ec4f0/$File/Active%20Filters%20In%20Hvdc%20Transmission. pdf [18] [19] [20 [21] _spring_2008/energy/uebertragung.htm [22] [23] Hausler M.: Multiterminal HVDC for High Power Transmission in Europe. CEPEX99, Pooznan, Poland, March

37 [24] Giorgi A., Rendina R., Goergantzis G., Marchiori C., Pazienza G., Corsi S., Pincella C., Pozzi M., Danielsson K.G, Jonasson H., Orini A.,Grampa R. : The Italy-Greece HVDC Link, CIGRE, Session 2002, [25] [26] Βοβός Ν., Γιαννακόπουλος Μ., Παστός Δ., Βουγιουκλής Κ. : Λειτουργική απόκριση της διασύνδεσης ΕΡ/ΣΡ/ΕΡ Ελλάδας-Ιταλίας και επιπτώσεις από την μονοπολικής της λειτουργία, Εργαστήριο Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποιήσεως Ηλεκτρικής Ενέργειας, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Πατρών, Μάιος 1999 [27] Καλαφάτης Σ. Β., Βογιατζάκης Ι. Ε., «Μελέτη σχεδίαση και δοκιμή νέων τύπων πύργων εναέριων γραμμών μεταφοράς 400 kv Ε.Ρ. και Σ.Ρ. για το έργο της διασύνδεσης Ελλάδας-Ιταλίας» Ελληνική Επιτροπή CIGRE, Σύνοδος Αθήνα 95, Αθήνα, Νοέμβριος

38 2. Συντονισμός μονώσεων σε σταθμό μετατροπής HVDC συστήματος μεταφοράς 2.1 Στόχοι και διαδικασία μελέτης συντονισμού μονώσεων Οι κύριοι στόχοι της μελέτης συντονισμού μονώσεων σε ένα σταθμό μετατροπής είναι [1]: Να καθοριστούν οι μέγιστες τάσεις κανονικής λειτουργίας και αντίστοιχα οι μέγιστες προσωρινές και μεταβατικές υπερτάσεις με τις οποίες είναι δυνατόν να καταπονηθεί ο εξοπλισμός του σταθμού μετατροπής σε συνθήκες λειτουργίας Να επιλεχθεί το επίπεδο της διηλεκτρικής αντοχής και τα χαρακτηριστικά των στοιχείων του εξοπλισμού, προκειμένου να έχουμε ασφαλή, οικονομική και αξιόπιστη λειτουργία στην περίπτωση που συμβούν οι παραπάνω υπερτάσεις Ουσιώδεις διαφορές μεταξύ ΑC και DC συστημάτων Με βάση τους παραπάνω στόχους, ο συντονισμός μονώσεων σε έναν HVDC σταθμό μετατροπής ακολουθεί τις ίδιες αρχές με αυτόν που εφαρμόζεται σε ένα AC σταθμό [2]. Ωστόσο, υπάρχουν διαφορές, οι οποίες επιζητούν προσοχή, ως προς την μελέτη συντονισμού μονώσεων ενός σταθμού μετατροπής. Οι κυριότερες διαφορές ενός σταθμού μετατροπής έγκειται στην ανάγκη για την εύρεση των απαιτήσεων μόνωσης και προστασίας σε κάθε συστοιχία θυρίστορ των εν σειρά συνδεδεμένων συστοιχιών, που αποτελούν τον μετατροπέα. Επίσης απαιτείται προσοχή για τον συντονισμό μονώσεων σχετικά με την ύπαρξη διαφορετικών επιπέδων μόνωσης για τον εξοπλισμό, καθώς υπάρχουν στοιχεία εξοπλισμού με διαφορετικές τάσεις λειτουργίας στα άκρα τους. Ακόμη είναι η τοπολογία του μετατροπέα, η οποία απαλείφει τον κίνδυνο άμεσης έκθεσης του χώρου των θυρίστορ σε εξωτερικές υπερτάσεις. Αυτό συμβαίνει γιατί ο χώρος των θυρίστορ συνδέεται με τα άλλα δύο κομμάτια του υποσταθμού (AC και DC μεριά του σταθμού μετατροπής) με μεγάλες αυτεπαγωγές. Ακόμη, υπάρχει το φαινόμενο της πόλωσης σε ένα dc σύστημα, το οποίο επιβάλλει μεγαλύτερα μήκη ερπυσμού στους μονωτήρες 26

39 και μεγαλύτερα ανοίγματα αέρα για την απόσταση μεταξύ φάσεων και την απόσταση φάσης-γης. Τέλος, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη σημασία στην κατάσταση λειτουργίας του σταθμού μετατροπής όπως είναι η μονοπολική, η διπολική και η πολυτερματική λειτουργία [3]. Η τοπολογία του μετατροπέα, ο έλεγχος του, τα χαρακτηριστικά των θυρίστορ, η χρήση μέσων αντιστάθμισης στην ac πλευρά, η χρήση μεγάλων τραπεζών φίλτρων και στην AC αλλά και στην DC πλευρά του σταθμού είναι αυτά που διαφοροποιούν έναν AC σταθμό από ένα HVDC σταθμό μετατροπής Επιμερισμός σταθμού μετατροπής Όσο αφορά την μελέτη συντονισμού μονώσεων, ο σταθμός μετατροπής χωρίζεται σε τρία κομμάτια (σχήμα 2.1)[4]: AC τμήμα του σταθμού μετατροπής Πρόκειται για το ac τμήμα του σταθμού που περιλαμβάνει τις γραμμές μεταφοράς που συνδέεται ο σταθμός μετατροπής, τους ac ζυγούς, τα ac φίλτρα, τα μέσα αντιστάθμισης άεργης ισχύος και την ac πλευρά των μετασχηματιστών. Χώρος θυρίστορ Πρόκειται για το κομμάτι του σταθμού μετατροπής που περιλαμβάνει τα τυλίγματα των μετασχηματιστών που συνδέονται με τον μετατροπέα, τον μετατροπέα, το κομμάτι του πόλου μέχρι το άκρο της αυτεπαγωγής εξομάλυνσης (από την πλευρά του μετατροπέα). DC τμήμα του σταθμού μετατροπής Περιλαμβάνει την αυτεπαγωγή εξομάλυνσης, τα DC φίλτρα, την dc γραμμή/πόλο και την γραμμή του ηλεκτροδίου και τους αντίστοιχους ζυγούς τους 27

40 Σχήμα 2.1: Ανάλυση ενός HVDC σταθμού μετατροπής σε επιμέρους τμήματα [3] (AC πλευρά, χώρος θυρίστορ, DC πλευρά) Διαδικασία μελέτης συντονισμού μονώσεων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, προκειμένου να γίνει μια μελέτη συντονισμού μονώσεων σε ένα HVDC σταθμό μετατροπής, πρέπει να ακολουθηθεί μια διαδικασία, η οποία απαρτίζεται από τα ακόλουθα στάδια: 1. Ανάλυση των χαρακτηριστικών του συστήματος και του σταθμού μετατροπής 2. Καθορισμός των αντιπροσωπευτικών υπερτάσεων 3. Καθορισμός των διαβαθμισμένων τάσεων αντοχής 4. Καθορισμός των απαιτούμενων τάσεων αντοχής 5. Καθορισμός των τυποποιημένων τάσεων αντοχής Η γενική μέθοδος διερεύνησης για την μελέτη συντονισμού μονώσεων είναι η ίδια για έναν HVDC σταθμό μετατροπής όπως και για ένα AC σύστημα. Αυτή προϋποθέτει: 28

41 μια αξιολόγηση των χαρακτηριστικών λειτουργίας του σταθμού μετατροπής και του HVDC συστήματος γενικότερα μια εκτίμηση για την φύση και το είδος της μόνωσης σε κάθε στοιχείο του εξοπλισμού τον καθορισμό των αντιπροσωπευτικών υπερτάσεων σε κάθε στοιχείο του εξοπλισμού την σχεδίαση της προστασίας έναντι υπερτάσεων με εκτροπείς υπέρτασης και την εκτίμηση των καταπονήσεων που αυτοί θα δέχονται, οι οποίες θα καθορίζουν τα χαρακτηριστικά τους [3]. 2.2 Τάσεις και υπερτάσεις κατά την λειτουργία ενός HVDC σταθμού μετατροπής Σχέδιο προστασίας του σταθμού έναντι υπερτάσεων με τη χρήση εκτροπέων υπέρτασης Από τα τέλη του 1970, η προστασία έναντι υπερτάσεων των HVDC σταθμών μετατροπής έχει βασιστεί κυρίως πάνω στην χρήση των εκτροπέων υπέρτασης μεταλλικών οξειδίων. Αυτό οφείλεται κυρίως στην ανωτερότητα των χαρακτηριστικών λειτουργίας τους έναντι των εκτροπέων υπέρτασης SiC (καρβίδιου του πυριτίου) και στην αξιόπιστη λειτουργία τους όταν συνδέονται σε σειρά ή και παράλληλα. Η τοποθέτηση των εκτροπέων βασίζεται στην τοπολογία των κυκλωμάτων του σταθμού μετατροπής και στον τύπο της γραμμής μεταφοράς (καλώδιο, εναέρια γραμμή, συνδυασμός και των δύο). Το κυρίαρχο κριτήριο είναι ότι κάθε επίπεδο τάσης και ο εξοπλισμός που συνδέεται σε αυτό, προστατεύεται επαρκώς σε ένα κόστος ανάλογο με την επιθυμητή αξιοπιστία και την ικανότητα αντοχής του εξοπλισμού. Για ένα HVDC σύστημα μεταφοράς διπολικής λειτουργίας με μία δωδεκαπαλμική γέφυρα ανά πόλο, δίνεται ένα τυπικό σχέδιο για προστασία έναντι υπερτάσεων από εκτροπείς υπέρτασης στo σχήμα 2.2. Πρέπει να σημειωθεί ότι κάποιοι εκτροπείς υπέρτασης είναι δυνατόν να απαλειφθούν από το παρόν τυπικό σχέδιο, ανάλογα με την δυνατότητα αντοχής του εξοπλισμού στο σημείο εκείνο, και ανάλογα με την προστασία που παρέχουν 29

42 άλλοι εκτροπείς υπέρτασης σε εκείνο το σημείο. Ως παράδειγμα παραθέτω την προστασία του dc ζυγού, ο οποίος μπορεί να προστατευτεί από τον συνδυασμό του εκτροπέα υπέρτασης που συνδέεται στα άκρα της άνω εξαπαλμικής γέφυρας (bridge arrester, B) και του εκτροπέα υπέρτασης που συνδέεται ανάμεσα στις δύο εξαπαλμικές γέφυρες (mid-point DC bus arrester, Μ) έναντι της χρήσης του εκτροπέα υπέρτασης του dc ζυγού (DC bus arrester, CB). Ακόμη, παρόμοια σχέδια προστασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σταθμούς με δύο δωδεκαπαλμικές γέφυρες ανά πόλο ή για back-to-back σταθμούς. Στην περίπτωση back-to-back σταθμού, χρησιμοποιούνται μόνο οι εκτροπείς υπέρτασης που προστατεύουν τις συστοιχίες των θυρίστορ (valve arresters, V) ξεχωριστά εφόσον η κανονική τάση λειτουργίας του συστήματος είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με αυτήν μιας μονοπολικής ή μιας διπολικής διασύνδεσης. Για HVDC σταθμούς μετατροπής οι οποίοι συνδέονται απευθείας με DC καλώδιο, οι εκτροπείς υπέρτασης στην DC γραμμή/καλώδιο (DC line/cable arrester, DB/DL) μπορούν να μην χρησιμοποιηθούν καθώς ο ζυγός του πόλου μπορεί να μην είναι εκτεθειμένος σε εξωτερικές υπερτάσεις. Στην AC πλευρά του σταθμού, χρησιμοποιούνται συνήθως εκτροπείς υπέρτασης ανάμεσα στην φάση και τη γη για την προστασία των ζυγών (AC bus arresters, A). Εκτροπείς χρησιμοποιούνται κατά μήκος των αυτεπαγωγών των AC και DC φίλτρων ή ακόμη και από το σημείο της αυτεπαγωγής του φίλτρου με την υψηλότερη τάση μέχρι την γη (AC/DC filter arresters, FA1,FA2 και FD1,FD2). Σε συστήματα, όπου χρησιμοποιούνται συνδυασμός καλωδίων και εναέριων αγωγών, είναι δυνατόν να συνδεθούν εκτροπείς στον τερματισμό των καλωδίων για την προστασία τους από τυχόν υπερτάσεις που δημιουργούνται κατά μήκος των εναέριων γραμμών. 30

43 Σχήμα 2.2: HVDC σταθμός μετατροπής με γέφυρα δώδεκα παλμών ανά πόλο και εκτροπείς υπέρτασης, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την προστασία του εξοπλισμού [3] Οι βασικές αρχές σύμφωνα με τις οποίες επιλέγονται τα σχέδια προστασίας έναντι υπερτάσεων με την χρήση εκτροπέων είναι: Υπερτάσεις που δημιουργούνται στην AC πλευρά του σταθμού μετατροπής πρέπει, όσο καθίσταται δυνατό, να περιορίζονται από τους εκτροπείς στην AC πλευρά. Η κύρια προστασία είναι οι εκτροπείς υπέρτασης στους AC ζυγούς (Α). Υπερτάσεις που δημιουργούνται στην DC γραμμή ή στην γραμμή του ηλεκτροδίου πρέπει, όσο είναι δυνατό, να περιορίζονται από τους DC εκτροπείς υπέρτασης (εκτροπείς υπέρτασης της DC γραμμής/του καλωδίου (DB/DL), εκτροπείς υπέρτασης του ζυγού του μετατροπέα (CB) και εκτροπείς υπέρτασης στο ζυγό του ηλεκτροδίου (neutral bus arresters, E)). Όσο αφορά υπερτάσεις που δημιουργούνται μέσα στον ίδιο τον σταθμό μετατροπής, οι συστοιχίες θυρίστορ που αποτελούν τον κρίσιμο εξοπλισμό του σταθμού μετατροπής, προστατεύονται 31

44 απευθείας από εκτροπείς. Οι συγκεκριμένοι εκτροπείς ονομάζονται εκτροπείς συστοιχίας θυρίστορ (valve arresters, V). Τα πρωτεύοντα τυλίγματα των μετασχηματιστών προστατεύονται από τυχόν υπερτάσεις που προέρχονται από την μεριά της AC γραμμής μεταφοράς από τους εκτροπείς υπέρτασης στους AC ζυγούς (A). Η προστασία των δευτερευόντων τυλιγμάτων των μετασχηματιστών επιτυγχάνεται συνήθως από συνδυασμό εκτροπέων υπέρτασης, όπως ο συνδυασμός ενός εκτροπέα υπέρτασης συστοιχίας θυρίστορ (V) και ενός εκτροπέα υπέρτασης του dc ζυγού (DB) Τάσεις κανονικής λειτουργίας σε διάφορα σημεία του σταθμού μετατροπής Στο σχήμα 2.3, απεικονίζονται οι κυματομορφές των τάσεων κανονικής λειτουργίας, αγνοώντας τις μεταβατικές τάσεις υψηλών συχνοτήτων (commutation overshoots), που οφείλονται στην διακοπτική λειτουργία των θυρίστορ στις γέφυρες του μετατροπέα. Οι εικονιζόμενες τάσεις είναι είτε ως προς γη έιτε είναι ανάμεσα σε δύο σημεία του σταθμού. Η τάση κανονικής λειτουργίας (Σχήμα 2.4) που εφαρμόζεται στους εκτροπείς υπέρτασης σε ένα HVDC σταθμό μετατροπής διαφέρει από αυτήν που εφαρμόζεται στους εκτροπείς σε ένα AC σταθμό, καθώς έχει υψηλό περιεχόμενο αρμονικών συνιστωσών (DC συνιστώσα και αρμονικές υψηλής τάξεως). Η διακοπτική λειτουργία των θυρίστορ δημιουργεί μεταβατικές τάσεις υψηλών συχνοτήτων (commutation overshoots), οι οποίες υπερτίθενται στην τάση που ασκείται στα άκρα του θυρίστορ, σε κατάσταση αποκοπής. Λόγω αυτής της υπέρθεσης, αυξάνονται οι τάσεις στα τυλίγματα του μετασχηματιστή από την πλευρά του μετατροπέα και στους εκτροπείς που είναι συνδεδεμένοι σε κάθε συστοιχία θυρίστορ και φυσικά, στις ίδιες τις συστοιχίες των θυρίστορ [5]. 32