Investigation of Increased stresses on circuit breakers switching offshore AC cables

Abstract

Økende etterspørsel etter fornybar energi har ført til økt bruk av lange HVAC-kabler for kraftoverføring. Shuntreaktorer brukes ofte for å håndtere den reaktive effekten som genereres av disse kablene. Imidlertid kan denne kompensasjonen forårsake zero-miss-fenomenet, hvor strømmen i kretsbryteren ikke krysser null over en utvidet periode, noe som kompliserer driften av kretsbryteren. Dette fenomenet kan føre til alvorlige risikoer, spesielt hvis en feil oppstår under energipåføring på kabel, noe som potensielt kan etterlate systemet ubeskyttet.

Denne avhandlingen har som mål å forstå zero-miss-fenomenet i shunt-kompenserte kabelsystemer og identifisere måter å løse det på. Ved bruk av PSCAD-programvaren ble en modell av et trefaset shunt-kompensert kabelsystem utviklet, inkludert en spenningskilde, kretsbryter, shuntreaktor og høyspentkabel. Studien undersøker effekten av ulike parametere, inkludert kompensasjonsgrad, kabellengde, kildeimpedans og last på forekomsten og varigheten av zero-miss fenomenet.

Hovedfunnene indikerer at visse forhold betydelig øker varigheten av zero-miss-fenomenet. Flere mottiltak som synkronisert bryting, forinnsatte motstander, sekvensiell bryting og bruk av flere shuntreaktorer ble testet for å adressere dette. Simuleringer under forskjellige systemforhold demonstrerte effektiviteten av disse mottiltakene i å redusere zero-miss-strømmen og tilhørende transiente fenomener.

The growing demand for renewable energy has increased the use of long HVAC cables for power transmission. Shunt reactors are commonly used to manage the reactive power generated by these cables. However, this compensation can cause the zero-miss phenomenon, where the current in the circuit breaker does not cross zero for an extended period, complicating the circuit breakers operation. This phenomenon can lead to severe risks, especially if a fault occurs during cable energization, potentially leaving the system unprotected.

This thesis aims to understand the zero-miss phenomenon in shunt-compensated cable systems and to identify ways to solve it. Using PSCAD software, a model of a three-phase shunt-compensated cable system was developed, including a voltage source, circuit breaker, shunt reactor, and high voltage cable. The study investigates the impact of various parameters, including the degree of compensation, cable length, source impedance, and load on the occurrence and duration of the zero-miss phenomenon.

Key findings indicate that certain conditions significantly increase the duration of the zero-miss phenomenon. Several countermeasures such as synchronized switching, preinsertion resistors, sequential switching, and the use of several shunt reactors were tested to address this. Simulations under different system conditions demonstrated the effectiveness of these countermeasures in reducing the zero-miss current and associated transients.