Omfang i studiepoeng: 15 studiepoeng Fritt tilgjengelig etter: Fagområde: Hovedprosjekt Elkraft Tilgjengelig etter avtale X med samarbeidspartner

Transkript

1 Avdeling for ingeniørfag PROSJEKTRAPPORT Prosjektkategori: Forprosjekt Omfang i studiepoeng: 15 studiepoeng Fritt tilgjengelig Fritt tilgjengelig etter: Fagområde: Hovedprosjekt Elkraft Tilgjengelig etter avtale X med samarbeidspartner Rapporttittel: Prøveutstyr for varmesykling av kabel Dato: Antall sider: Antall vedlegg: Forfattere:,, Mats Henrik Køhn Veileder: Even Arntsen Avdeling / linje: Ingeniørfag, Elkraft Prosjektnummer: H16E03 Utført i samarbeid med: Nexans Norway AS Kontaktperson hos samarbeidspartner: Staffan Josefsson Ekstrakt: I dag benyttes store autotransformatorer for regulering av strøm som brukes til å varme opp kabler under prøving. Det skal utredes andre alternativ for styrbare strømkilder og utfordringen disse medfører. 3 emneord: Varmesykling Halvlederteknologi Strømstyring Side 1 av 25

2 Forord Vi er en gruppe på tre avgangsstudenter ved Høgskolen i Østfold, avdeling ingeniørfag, elkraft. Denne oppgaven er en avsluttende bacheloroppgave som dekker 20 studiepoeng. Denne rapporten vil gi en innsikt i hva prosjektet går ut på, hvordan vi skal løse oppgaven og organisere prosjektet. Oppgaven skal utføres for Nexans Norway AS og går ut på å finne en mer moderne løsning for testing av undervanns høyspentkabler. Alle gruppemedlemmene syntes oppgaven «prøveutstyr for varmesykling av kabel» virket veldig interessant. Dette var mye pga. At oppgaven var omfattende med tanke på at den innebar forskning, simulering samt fysisk oppkobling. Sammendrag Dette er en forprosjektrapport som skal gjøres i oppstarten av et hovedprosjekt. For å teste isolasjonen til en undervanns høyspentkabel benyttes en metode kalt varmesykling. I hovedprosjektet skal det sees nærmere på muligheter for å erstatte en autotransformator med en mindre enhet konstruert med halvlederteknologi. I forprosjektrapporten er det gjort klart hva problemstilling innebærer og hvordan den skal løses. Det er satt avgrensninger til oppgaven, samt en beskrivelse av bakgrunnen for oppgaven. Det er også utarbeidet en plan over tidsaspektet. Side 2 av 25

3 1 Innholdsfortegnelse Forord... 2 Sammendrag Prosjektinformasjon Prosjektnavn Gruppens medlemmer Veiledere Organisasjonskart Oppdragsgiver Prosjektbeskrivelse Bakgrunn for oppgaven Oppgave avgrensning Mål Prosjektmål Resultatmål Problemstilling Fremdriftsplan Ganttdiagram Ressursallokering Sammenfattet beskrivelse av løsningsmetodikk Kontaktinformasjon CTR Prosjekteringsverktøy Simulink AutoCad Referanser og vedlegg Side 3 av 25

4 2 Prosjektinformasjon 2.1 Prosjektnavn Prøveutstyr for varmesykling av kabel H16E Gruppens medlemmer Svenn Ivar Berg Mats Henrik Køhn 2.3 Veiledere Ved Høgskolen i Østfold: Even Arntsen Tel: E post: ear@hiof.no Grad: Sivil Ingeniør Ved Nexans Norway AS: Staffan Josefsson Tel: E post: staffan.josefsson@nexans.com Grad: R&D Elektro Ingeniør Ved Nexans Norway AS: Brynjar Aalberg Jacobsen Grad: Sivil Ingeniør Side 4 av 25

5 2.4 Organisasjonskart H16E03 Oppdragsgiver Nexans Norway AS Staffan Josefsson Brynjar A Jacobsen Veiledere Nexans Even Arntsen Veileder HiØ Svenn Ivar Berg Student ved HiØ Adrian Lewandowski Student ved HiØ Mats Henrik Køhn Student ved HiØ 2.5 Oppdragsgiver Hos Nexans Norway AS avd. Halden produseres det flere forskjellige typer kabler som papirisolerte, PEX isolerte, DEH kabler og Umbilicals. Avdelingen i Halden driver også med forskning og utvikling av umbilicals, isolasjonssystemer for HVDC og HVAC.(NEXANS, 2016a) Nexans Norway As produserer og markedsfører sjø, land og offshore kabler for kraft og telekommunikasjonsoverføring. Selskapet har 5 fabrikker i Norge, de er lokalisert i Namsos, Rognan, Karmøy, Halden og Langhus. Nexans Norway As tilhører det franske Nexans konsernet som er en av verdens største kabelprodusenter.(nexans, 2016b) Side 5 av 25

6 3 Prosjektbeskrivelse H16E03 For å teste høyspentkabelens isolasjon benyttes en metode kalt varmesykling. Denne metoden går ut på å indusere strøm i kabelen over en lengre periode slik at det utvikles varme. Dette skal simulere belastningen under drift. For å kunne regulere temperaturen i en kabel må strømmen inn til injeksjonstransformatoren kunne reguleres. For dette brukes en autotransformator, denne ønsker oppdragsgiveren å erstatte med en mindre enhet konstruert av halvlederteknologi. Systemet skal bestå av en styrbar strømkilde, injeksjons transformator og kabelsløyfe. Videre skal det undersøkes hvordan injeksjons transformatoren og overliggende nett blir påvirket av systemet med tanke på harmoniske forstyrrelser. Det skal også utarbeides hvordan innvirkning virvelstrøm og strømfortregning har. 3.1 Bakgrunn for oppgaven På Nexans Norway AS sin R&D labb i Halden planlegges det å modernisere oppvarmingssystemet for testing av isolasjonen til undervanns høyspenningskabler. Oppvarmingen oppnås gjennom å indusere strøm i lederen ved hjelp av en stor, tung og dyr autotransformator som mater en injeksjons transformator. Ved å bytte ut autotransformatoren med en halvleder basert løsning vil test systemet bli mer mobilt. I tillegg vil en halvleder basert løsning være billigere enn en autotransformator. 3.2 Oppgave avgrensning Avgrensing av oppgaven: Finne ut hvilken løsning med halvlederkomponenter som egnes best til strømregulering. Simulering skal foregå med autotransformator, tyristorstyrt strømregulator og IGBT styrt strømregulator Det skal utføres målinger på en oppkoblet modell for å verifisere at det som ble gjort i simuleringen stemmer. Målingen som skal gjøres er: Måling av strøm, FFT analyse, måling av transformator og finne ut av om EMC standarder er oppfylt. Hvordan injeksjons transformatoren og overliggende nett påvirkes av harmoniske. Hvilken innvirkning virvelstrøm og strømfortregning har. Side 6 av 25

7 4 Mål 4.1 Prosjektmål Prosjektets hensikt er å legge frem et forslag til modernisering av strømregulator med tanke på størrelse, pris og funksjonalitet. Ved hjelp av simuleringer og verifisering med modell skal det besluttes om det lønner seg og bytte ut autotransformator med en halvlederbasert løsning. 4.2 Resultatmål Det skal utarbeides en teknisk rapport med vurdering og konklusjon av prosjektbeskrivelsen basert på de rammer og betingelser som er fastsatt av oppgavegiver og høgskolen. Modellen som simuleringene går ut ifra skal bygges opp, og målingene som blir gjort på denne modellen skal verifisere simuleringene. Ut i fra den tekniske rapporten skal det konkluderes om den styrbare strømkilden basert på halvlederkomponenter egner seg bedre enn autotransformatoren. 4.3 Problemstilling I oppgaven skal det undersøkes om det er teknisk mulig og lønnsomt å modernisere systemet for varmesykling av kabler ved bruk av halvlederteknologi. Dette skal gjøres ved hjelp av simuleringer og målinger på en oppkoblet modell. Det skal finnes ut om hvordan den styrbare strømkilden påvirker injeksjons transformatoren og overliggende nett med tanke på harmoniske forstyrrelser. Side 7 av 25

8 5 Fremdriftsplan H16E Ganttdiagram Side 8 av 25

9 5.2 Ressursallokering H16E03 Gruppen ønsker å fordele ressursene så alle skal være med på alt, dette er hensiktsmessig med tanke på læringsutbytte. En av deltakerne vil være ansvarlig for hver aktivitet, dvs. Følge frister og ferdigstille aktiviteten. Aktivitet Ansvarlig Startdato Sluttdato Forprosjekt SIB Teori MK Beregninger for simuleringer og AL oppkoblinger Simulering AL Oppkobling av modell SIB Bearbeiding av målinger AL Påvirkninger fra styrbar strømkilde MK EXPO MK Midtveisrapport ALLE Hovedprosjektrapport ALLE Webside SIB Pressemelding AL Sammenfattet beskrivelse av løsningsmetodikk For å kunne løse problemstillingen må nødvendig kunnskap være på plass. Dette oppnås ved å lese relevant litteratur og gjennom samtaler med veileder og oppdragsgiver. Programmet som brukes til simulering er Simulink. Dette programmet er stort og avansert og det tar derfor tid for å sette seg inn i det. Oppkobling av modell, undersøkelser og beregninger skal skje på laboratoriet på HiØ avd. Kråkerøy. Innhentet utstyr fra Nexans vil bli fraktet til laboratoriet på HiØ avd. Fredrikstad for oppkobling. Side 9 av 25

10 6 Kontaktinformasjon Svenn Ivar Berg Mats Henrik Køhn TLF: TLF: TLF: Prøveutstyr for varmesykling av kabel Side 10 av 25

11 6.1 CTR CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 32 dager CTR(Aktivitetsnummer):1 Tittel: Forprosjektrapport Dato: Rev:1 Forprosjektet skal beskrive hvordan hovedprosjektet skal gjennomføres. 1. Alle prosjektets aktiviteter skal være definert. 2. Aktivitetene skal være beskrevet i form av CTR (Cost Time Resource) 3. Avhengighetene mellom aktivitetene skal kartlegges. 4. Prosjektets kritiske linje skal kartlegges. 5. Gant diagram skal utarbeides mht. oppstart og varighet av de enkelte aktiviteter samt avhengigheter. 6. Prosjektmål skal utarbeides Hvem skal arbeide på aktiviteten:, Mats Henrik Køhn, Problemstilling må være definert. Veileder Oppdragsgiver Problemstilling og informasjon fra arbeidsgiver. Nødvendig litteratur Antar at problemstilling er stor og omfattende, må derfor avgrenses. Nødvendig litteratur 37,5 Utarbeidet av: Side 11 av 25

12 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 44 dager CTR(Aktivitetsnummer): 2 Tittel: Utførelse av prosjekt Dato: Rev:1 Lage et forslag til modernisering av regulerbar strømkilde med tanke på størrelse pris og funksjonalitet. 1. Finne bakgrunnsteori. 2. Simulere. 3. Oppkobling av modell. 4. Bearbeiding av målinger. 5. Innvirkning på systemet fra strømkilde regulatoren. Forprosjektrapport må være utarbeidet og problemstillingen avgrenset. Samle test utstyr fra Nexans. Litteratur og simulink. Det må være tilgang til utstyr for å kunne lage en modell samt utføre målinger. Ingen Utstyr, måleinstrumenter, litteratur, simulink og 330 Word Utarbeidet av: Side 12 av 25

13 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 8 dager CTR (Aktivitetsnummer): 3 Tittel: Teori Dato: Rev: Oppnå en større forståelse om styrbare strømregulatorer, tyristor, IGBT, regulering av vekselspenning og EMC. Dette oppnås ved å sette seg inn i teorien om komponentene gjennom litteratur og vitenskapelige artikler. 1. Opparbeide et teoretisk grunnlag. 2. Hvordan regulere vekselspenning. 3. Virkemåten til en tyristor styrt strømregulator. 4. Virkemåten til en IGBT styrt strømregulator. 5. Virvelstrøm og Strømfortregning 6. Sette seg inn i EMC og problemer rundt dette. Litteratur Vitenskapelige artikler Ingen. Til videre arbeid blir det brukt en løsning basert på tyristorer. Dette er pga. Oppdragsgiver har allerede kjøpt inn utstyr til dette. EMC standarder 37,5 Utarbeidet av: Svenn Ivar Berg Side 13 av 25

14 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 3 dager CTR(Aktivitetsnummer): 4 Tittel: Beregninger for simulering og oppkobling Dato: Rev:2 Utføre beregninger som skal være grunnlaget for oppkobling og simulering. Trafoen skal dimensjoneres etter disse og for at simulering skal bli riktig må beregningene være gjort. 1. Anslå impedansen til kabelen, når vi får kabelen blir denne målt. 2. Beregne minst antall viklinger for å unngå metning i trafoen, dette er få å oppnå riktig strøm på sekundær siden. 3. Utregning av primærstrøm. 4. Dimensjonere tverrsnitt på vikletråd. Kabeldata Litteratur Kabeldata fra nexans Ingen 37,5 Utarbeidet av: Side 14 av 25

15 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 11 dager CTR(Aktivitetsnummer): 5 Tittel: Simulering Dato: Rev:2 Forskjellig typer styrbare strømkilder skal sammenlignes ved simulering for å avgjøre hvilken som er best egnet til formålet. Det skal simuleres en krets tilsvarende den som benyttes til varmesykling av kabler, men med forskjellige strømregulatorer. Siden det er autotransformator som benyttes for strømregulering er det den som skal simuleres først. Deretter skal det simuleres kretser med tyristor styrt strømregulator og IGBT styrt strømregulator. Dataene fra simuleringene skal lagres og senere benyttes for sammenligning av de forskjellige løsningene. Veiledning fra faglæreren, tilgang til simulink. Simulink Ingen Simulink, Data til foranliggende nett. 37,5 Utarbeidet av: Side 15 av 25

16 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 6 dager CTR (Aktivitetsnummer): 6 Tittel: Oppkobling og måling av modell Dato: Oppkobling av en modell for å kunne sammenligne målingene og antakelsene som ble gjort under simulering. Finne ut om den tyristorbaserte løsningen er innenfor kraven med tanke på harmoniske og EMC. 1. Det skal kobles opp en modell med en injeksjons transformator, styrbar strømkilde og en kabel loop. 2. Injeksjons transformator må vikles. 3. Kabel skal avmantles og skjøtes. 4. For å kunne vikle transformatoren må det være beregnet impedanser, antall turn, ledertversnitt på vikling og gjøre fysiske mål av kjernen. 5. Hvordan skal strømmen måles og måle den. 6. Hvordan skal trafoen måles og måle den. 7. Gjøre en FFT analyse. Rev: Simuleringen må være gjort. Komponentene som trengs for å koble opp modellen. Injeksjons transformator, styrbar strømkilde, PEX kabel (test objekt) og måleinstrumenter. Dette må antageligvis bli utført på skolen og avtale må bli gjort tidlig for å alt på plass. Hente kabel og styrbar strømkilde på nexans. Skaffe skjøtehylse. Utarbeidet av: Svenn Ivar Berg 28 Side 16 av 25

17 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 8 dager CTR (Aktivitetsnummer): 7 Tittel: Bearbeiding og sammenligning Dato: Finne ut hvordan løsningen med halvlederteknologi vil være i forhold til den med autotransformator. For å verifisere simuleringen må simulert data stemme overens med målte verdier. 1. Sammenligne de forskjellige simuleringene. 2. Sammenligne resultatet fra simuleringen og målingene. 3. Bruke resultatene fra simulering og målingene for å se eventuelle avvik og komme med forslag til utbedring. Rev: Data fra simulering må være samlet. Målinger fra modellen må være gjort. Ingen Ingen Ingen 20 Utarbeidet av: Svenn Ivar Berg Side 17 av 25

18 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 7 dager CTR (Aktivitetsnummer): 8 Tittel: Påvirkning fra styrbar strømkilde Dato: Rev:2 Finne hvordan den styrbare strømkilden påvirker andre komponenter og nettet med tanke på harmoniske og transienter samt problematikk med virvelstrøm og strømfortregning Ut ifra målingene skal det beregnes hvordan injeksjons transformatoren og måletransformatoren blir påvirket av strømkilden. Det skal også ses på hvordan strømkilden påvirker overliggende nett og om dette er innenfor normen. Videre skal det undersøkes hvilken innvirkning virvelstrøm og strømfortregning har på trafoen. Måleresultater fra simulering med simulink og med modell. Kunnskap om de forskjellige fenomenene. Normen «Leveringskvalitet», annet nødvendig litteratur. Antar at det utvikles varme i injeksjonstrafoen pga. harmoniske. Ingen 37,5 Utarbeidet av: Side 18 av 25

19 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 67 dager CTR (Aktivitetsnummer): 9 Tittel: EXPO Dato: Rev: Presentere produktet/resultatet i EXPO katalogen og via stand. Muntlig foredrag av hovedoppgaven. 1. Utarbeide materiell til EXPO katalog. Bilder av prosjektdeltagere og produkt. Navn, e post og telefonnummer til prosjektdeltagere. Kort om oppdragsgiver. 2. Sette opp og bemanne en stand, på denne standen skal hovedoppgaven presenteres for interesserte. 3. Forberede et muntlig foredrag/forsvare av hovedoppgaven. Ferdigstilt hovedoppgave, stand og webside. Ingen. Ingen. Ingen 70 Utarbeidet av: Svenn Ivar Berg Side 19 av 25

20 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 28 CTR(Aktivitetsnummer): 10 Tittel: Midtveisrapport Dato: Rev: Midtveisrapporten viser fremdriften i prosjektet. Midtveisrapport er et utkast av sluttrapport. Denne skal inneholde de første kapitlene i rapporten og innholdsfortegnelsen på sin endelige form. Beskrivelse og kommentarer på laboratoriearbeid, undersøkelser og beregninger som har blitt gjort skal også tas med. 1. Innholdsfortegnelse må være utformet. 2. De første kapitlene må være skrevet. 3. Laboratoriearbeid må være dokumentert. 4. Beregninger og undersøkelser må være på begynt. Ingen På dette tidspunktet bør gruppa være ca. midtveis i rapporten. Ingen 70 timer Utarbeidet av: Side 20 av 25

21 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 52 dager CTR (Aktivitetsnummer): 11 Tittel: Hovedprosjektrapport Dato: Rev: Ferdigstilt hovedprosjektrapport. 1. Skrive en rapport som inneholder alt vi har produsert. 2. Begrunnelser for valg som er tatt. 3. Bakgrunnsteori skal være med som grunnlag. Forprosjektrapport og utførelse av prosjekt Ingen. Ingen. Ingen 420 Utarbeidet av: 0 Svenn Ivar Berg Side 21 av 25

22 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet: 40 dager CTR (Aktivitetsnummer): 12 Tittel: Webside Dato: Rev: Lage en webside for prosjektet. Websiden skal inneholde: 1. Presentasjon av gruppa. 2. Informasjon om oppdragsgiver. 3. Forprosjektrapport. 4. Pressemelding. 5. En beskrivelse av prosjektet. Forprosjektrapport, pressemelding og prosjektinformasjon. Ingen. Ingen. Ingen 40 Utarbeidet av: Svenn Ivar Berg Side 22 av 25

23 CTR Planlagt start: Planlagt ferdig: Varighet:6 CTR(Aktivitetsnummer): 13 Tittel: Pressemelding Dato: Rev: Sende en melding til pressen. 1. Den skal legges ut på websiden og sendes ut til minst ett medium (avis, radio, tv) senest Maks 1 A4 side. 3. Må vekke interesse. 4. God og riktig skrevet. 5. Oppgi kontaktperson. 1. Hovedrapporten må være skrevet. Ingen. Den skal mest sannsynlig sendes til lokalavis i Halden (Ha Halden). Ingen 7,5 Utarbeidet av: Side 23 av 25

24 7 Prosjekteringsverktøy H16E Simulink Er et simuleringsverktøy for multidomene simulering og modellbasert design. Den har en grafisk editor, biblioteker som kan tilpasses og mulighet for modelering og simulering av dynamiske systemer. Det er integrert med MATLAB, slik at MATLAB algoritmer kan inkluderes til modeller og simuleringsresultatene kan bli eksportert til MATLAB for videre analyse.(the MathWorks, 2016) 7.2 AutoCad Autocad er en applikasjonsprogramvare for 2D og 3D dataassistert konstruksjon (computer aided design (CAD)) som har vært tilgjengelig siden 1982 som en skrivebords applikasjon, og siden 2010 som en mobil web sky basert applikasjon, AutoCAD 360.(Wikipedia, 2016) Side 24 av 25

25 8 Referanser og vedlegg H16E03 NEXANS. (2016a). Kompetansesenter for undervannsteknologi. Retrieved from no_no/navigate_255098/kompetansesenter.html NEXANS. (2016b). Nexans i Norge. Retrieved from The MathWorks, I. (2016). Retrieved from Wikipedia. (2016, ). Retrieved from Side 25 av 25