Eliminating zero-missing phenomenon in long, high voltage, underground cables

The maximum length of an high voltage underground cable (HV UGC) cable is oftenconstrained by the criterion that the cable cannot have more than 50% reactivepower compensation. If this limit is exceeded the current in the circuit breaker maynot have a zero crossing after energization, which is referred to as the zero missingphenomenon. This is problematic if a fault occur shortly after energization. Inthe past 10 years, different methods have been proposed which would allow greaterreactive power compensation. These methods either prevent the zero missing phenomenon(preventive methods) or provide a way to open the circuit breaker if afault occurs (handling methods).A new 200 km, 220 kV line has been proposed in Iceland referred to as Sprengisandslína.One proposed option is to build it as an OHL-UGC-OHL line as the voltagecriteria is not fulfilled if Sprengisandslína is built as an UGC with a 50% reactivepower compensation. The aim of this thesis is to see whether the zero missing phenomenoncan be avoided by implementing countermeasures - this gives a preliminaryresults whether Sprengisandslína can be built as an UGC. In this thesis the four differentpreventive methods are analyzed with a transient study for Sprengisandslína:(1) Pre-insertion resistor, (2) simultaneous synchronized switching, (3) synchronizedswitching where the cable is energized before the shunt reactor, and (4) synchronizedswitching where the shunt reactor is energized before the cable.Preliminary steady state studies were performed to determine the minimum numberof shunt reactors needed to fulfill the voltage criteria. The results showed thatthe minimum number needed were three assuming they are all of equal size locatedevenly along the cable (one at each end and one in the middle). Additionally, it isnecessary to see whether the generators would become underexcited if the cable isiiienergized with 100% reactive power compensation as it can reduce the lifetime ofthe generators. The results showed that the generators did not become underexcited.The countermeasure of synchronized switching where the shunt reactor is energizedbefore the cable and the countermeasure of simultaneous synchronized switchingwere shown to eliminate the zero-missing phenomenon when the cable was energizedwith 100% reactive power compensation. Synchronized switching where theshunt reactor is energized before the cable was seen to have lower switching overvoltages,21% higher than the nominal value, and the lower inrush current of 2.38kA. However, the method of simultaneous synchronized switching is cheaper andthe switching overvoltages and inrush current were within an acceptable margin(switching overvoltages were 35:9% higher than the nominal value and the inrushcurrent was 4.01 kA).The results of the study indicate that Sprengisandslína can be energized as an UGCwith 100% reactive power compensation if either the countermeasure of simultaneoussynchronized switching or synchronized switching where the shunt reactor isenergized before the cable are used. However, a detailed frequency study must beperformed before either of the countermeasures can be recommended.Högsta längden på en högspänning underjordisk kabel begränsas ofta av de kriteriersom kabeln inte kan ha mer än 50% reaktiv effektkompensation. Om denna gränsöverskrids kan strömmen i strömbrytaren inte ha noll genomgang efter aktivering,kallad noll saknad fenomen. Detta är problematiskt om ett fel inträffar strax efteraktivering. Under de senaste 10 åren har olika metoder föreslagits, vilket skullemöjliggöra större reaktiv effektkompensation. Dessa metoder hindrar antingen detnollbristande fenomenet (förebyggande metoder) eller ger ett sätt att öppna strömbrytarenom ett fel uppstår (hanteringsmetoder).En ny 200 km, 220 kV linje har föreslagits på Island kallad Sprengisandslína. Ettföreslaget alternativ för att den här linjen ska byggas är att bygga den som en OHLUGC-OHL-linje, eftersom spänningskriterierna inte är uppfyllda om Sprengisandslínaär byggt som en UGC med en 50% reaktiv effektkompensation. Syftet meddenna avhandling är att se huruvida det saknade fenomenet kan undvikas genomatt genomföra motåtgärder - detta ger ett preliminärt resultat om Sprengisandslínakan byggas som en UGC. I denna avhandling analyseras de fyra olika förebyggandemetoderna med en övergående studie för Sprengisandslína: (1) Förinsättningsresistor,(2) Synkroniserad samtidigkoppling, (3) Synkroniserad inkoppling där kabelnaktiveras före shuntreaktorn och (4) ) synkroniserad inkoppling där shuntreaktornaktiveras före kabeln.Preliminära steady state studier utförs för att bestämma det minsta antalet shuntreaktorersom behövs för att uppfylla spänningskriterierna. Resultaten visade att detminsta antalet som behövdes var tre förutsatt att de alla är lika stora som liggerjämnt längs kabeln (en i varje ände och en i mitten). Dessutom är det nödvändigtatt se om generatorer skulle bli underexiterad om kabeln är energiserad med 100%iiiivreaktiva effektkompensation eftersom det kan minska generatorns livslängd. Resultatenvisade att generatorer inte blev underexiterad.Motståndet för synkroniserad omkoppling där shuntreaktorn aktiveras före kabelnoch motmätningen av samtidig synkroniserad omkoppling visades för att elimineradet nollmissande fenomenet när kabeln aktiverades med 100% reaktiv effektkompensation.Synkroniserad omkoppling där shuntreaktorn aktiveras innan kabeln visadesig ha lägre omkopplingsvolymer, 21% högre än nominellt värde och den lägre inbrusningsströmmenpå 2,38 kA. Metoden för samtidig synkroniserad omkopplingär emellertid billigare och omkopplingsvolymen och inströmmen var inom en acceptabelmarginal (omkopplingsvolymer var 35; 9% högre än nominellt värde ochinströmningsströmmen var 4,01 kA).De resultaten av studien indikerar att Sprengisandslína kan energiseras som en UGCmed 100% reaktiv effektkompensation om antingen motspelet av samtidig synkroniseradomkoppling eller synkroniserad omkoppling där shuntreaktorn aktiveras innankabeln installeras. En detaljerad frekvensstudie måste dock utföras innan någon avmotåtgärderna kan rekommenderas