Overvoltage Protection Implementation of a Fixed Series Cpapcitor in Finnish Power System

In this thesis, a possibility to use gapless overvoltage protection implementation in fixed series capacitors (FSC) in the Finnish Power System was studied. The aim of using gapless FSC is to improve reliability of series capacitors. Gapless implementation causes longer bypass time to the capacitor, which creates a need to increase the amount of metal-oxide-varistors and increases transient recovery voltage (TRV) risk of line breakers. Based on the results of this thesis, gapless FSC has lower capital costs than FSC with a protective gap, when a new FSC is built into middle of a transmission line or into end of a line, which has maximum two 400 kV feeder bays. If FSC is built into end of a line in-to a substation, which has more than two 400 kV feeder bays, cost-effectiveness of a gapless implementation depends on project dependable prices of the varistors and the protective gap. In case of control and protection system renewal, transfer to the gapless overvoltage implementation is recommendable, if varistor’s installed energy capability is sufficient for gapless FSC. In this case, the only additional cost is caused by change of bypass switches in those FSCs, where current bypass switches are significantly slower than the fastest available bypass switches. Based on the studies, the TRV-risk in lines containing series capacitor with protective gap and 420 kV line circuit breakers is approximately equal to TRV-risk in lines containing gapless series capacitor and 550 kV circuit breakers. Slower bypass switch had high-er TRV-risk and varistor’s accumulated energy in internal faults than fast bypass switch, thus operation delay of gapless FSC’s bypass switch is recommended to be minimized. Slower line circuit breaker was found to decrease TRV risk of line circuit breakers. However, slower circuit breaker increases risk of capacitor bypass in external faults caused by failed auto-reclose or transmission line outage contingency. Additionally, energy capacity design principles of series capacitor’s varistors were discussed in the thesis. Based on the studies, it is recommended to use 70 ms fault time in external faults, when calculating varistors accumulated energy. Accumulated energy shall be calculated by using grid model, in which short-circuit current level represents typical summer day’s short-circuit current level. Transmission line contingencies or failed auto-reclose cycles shall not be required.Diplomityössä tutkittiin mahdollisuutta siirtyä käyttämään kipinävälitöntä sarjakondensaattoria Suomen kantaverkossa. Kipinävälittömällä sarjakondensaattorilla halutaan parantaa sarjakondensaattorin luotettavuutta. Kipinävälittömyys aiheuttaa sarjakondensaattorin ohitusajan pidentymisen, joka lisää ylijännitesuojana toimivien metallioksidivaristorien tarvittavaa määrää ja kasvattaa johtokatkaisijoiden palaavan jännitteen riskiä. Kipinävälittömyys on työn tulosten perusteella investointikustannusten näkökulmasta kannattava ratkaisu, kun uusi sarjakondensaattori rakennetaan keskelle johtoa tai johdon päähän asemalle, jolta on maksimissaan kaksi 400 kV:n johtolähtöä. Kun sarjakondensaattori rakennetaan johdon päähän asemalle, jolta on useampi kuin kaksi 400 kV:n johtolähtöä, kipinävälittömyyden kannattavuus investointikustannusten näkökulmasta riippuu projektikohtaisista varistorien ja kipinävälikomponenttien hinnoista. Kipinävälittömään sarjakondensaattoriin kannattaa siirtyä suojaus- ja ohjausjärjestelmäuusinnan yhteydessä, mikäli varistorien energiakapasiteetti on riittävä myös kipinävälittömälle sarjakondensaattorille. Tällöin kipinävälittömään sarjakondensaattoriin siirtyminen aiheuttaa lisäkustannuksia ainoastaan sarjakondensaattoreilla, joiden nykyiset ohituskatkaisijat ovat selvästi hitaampia kuin markkinoiden nopeimmat ohituskatkaisijat. Sarjakondensaattorin kipinävälittömyyden aiheuttama johtokatkaisijoiden palaavan jännitteen (TRV, Transient Recovery Voltage) riskin kasvu on työn tulosten perusteella mahdollista kompensoida käyttämällä suurempia 550 kV:n johtokatkaisijoita. Tulosten perusteella ohituskatkaisijan hidastuminen kasvattaa TRV-riskiä ja varistorien energiakertymää sisäisissä vioissa, minkä vuoksi kipinävälittömän sarjakondensaattorin ohituskatkaisijan toimintaviive kannattaa minimoida. Johtokatkaisijan toiminnan hidastuminen pienentää TRV-riskiä, mutta aiheuttaa suuremman riskin sarjakondensaattorin ohittumiselle ulkoisessa viassa epäonnistuneen jälleenkytkennän tai johtokeskeytystilanteen takia. Kipinävälittömän sarjakondensaattorin lisäksi työssä pohdittiin sarjakondensaattorien varistorien mitoitusperiaatteita verkkotilanteen, vika-ajan, jälleenkytkentöjen ja keskeytysten näkökulmasta. Tulosten perusteella mitoitukseen kannattaa käyttää ulkoisessa viassa 70 ms:n vika-aikaa. Epäonnistuneita jälleenkytkentöjä ei ole tarpeellista huomioida mitoituksessa. Mitoitukseen on suositeltavaa käyttää verkkomallia, joka kuvaa keski-määräisen kesäpäivän oikosulkutehoa. Mitoituksessa ei ole tarpeellista huomioida keskeytyksiä