HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Bacheloroppgave Oppgavens tittel: Vern- og releplan for generator og linjer. Project title: Protection of generators and lines. Gitt dato: 01.01.10 Innleveringsdato:12.05.10 Antall sider/bilag: 35/10 Gruppedeltakere: Carl Eirik Auke Borgen Torkel Fjærvik Lian Veileder Pål Glimen Tlf. 924 86 311 E-post: paal.glimen@voith.com Studieretning: Program for elektro- og datateknikk, studieretning for elkraft. Prosjektnummer: E1015 Oppdragsgiver: Salvesen & Thams Kontaktperson hos oppdragsgiver Johan Skjølberg Mob: 93806828 Per Kirkaune Mob: 90822875 Fritt tilgjengelig X Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter 1
Forord Våren 2010 skulle alle studenter som går sisteåret ved Høgskolen i Sør-Trøndelag skrive en bacheloroppgave med omfang ca 450 timer per person. Prosjektet utgjør 18 studiepoeng, og skal ta utgangspunkt i de kunnskaper studentene har tilegnet seg gjennom studiene. Målet med dette prosjektet er at man skal tilegne seg bedre kunnskap i tilknytning til studieretningen og få øving i å gjennomføre et større prosjekt ved samarbeid i gruppe. Prosjektet ble gitt av firmaet Salvesen & Thams som er et selskap med over 100 års historie med vannkraftverk og lignende. De har engasjert konsulentfirmaet Rovas som er en totalleverandør av komplette løsninger for småkraftverk. Oppgaven vi fikk var og se på og eventuelt forbedre verninnstillingene til Føssa kraftverk som skal settes i drift høsten 2010. Utover dette vil hensikten også være å skaffe seg nyttig og relevant arbeidserfaring, noe som kommer godt med på framtidig jobbsøking. Samtidig som vi får relevant arbeidserfaring, tilegner vi oss kunnskaper om moderne styresystemer og ikke minst prosjektarbeid som arbeidsform. Rapporten er rettet mot utbyggere, studenter og lærere ved institutt for elkraft ved Høyskolen i Sør- Trøndelag samt andre interesserte. Vi ønsker og rette en takk til følgende personer: Johan Skjølberg Salvesen & Thams Per Kirkaune Salvesen & Thams Pål Glimen Voith Hydro Lars Hofstad Trønder Energi Rune Skorstad Rovas Trondheim 12.4.2010 2
Innholdsfortegnelse Sammendrag... 5 1 Innledning... 6 1.1 Bakgrunn for oppgaven... 6 1.2 Prosjektmål... 7 1.2.1 Effektmål... 7 1.2.2 Resultatmål... 7 1.2.3 Prosessmål... 7 1.3 Rapportens oppbygging... 8 1.4 Begrepsliste... 9 2 Kilder og metoder... 11 3 Generelt om vern... 12 3.1 Generatorvern... 13 3.1.1 Under/Over spenningsvern... 13 3.1.2 Under/Over frekvensvern... 13 3.1.3 Under/Over magnetiseringsvern... 13 3.1.4 Overstrømsvern... 13 3.1.5 Retureffektvern... 14 3.1.6 Ubalansevern... 14 3.1.7 Jordfeilvern på generator... 14 3.1.8 Differnensialvern... 15 3.1.9 Vectorjump... 16 3.1.10 Df/dt vern... 17 3.1.11 Vibrasjonsvern... 18 3.1.12 Temperaturvern... 18 3.1.13 Rusevern... 18 3.2 Linjevern... 18 3.2.1 Linje- og kabelvern... 18 3.2.2 Overstrømsvern... 19 3.2.3 Konstanttid overstrømsrelé... 19 3.2.4 Inverstid overstrømsrelé... 20 3.2.5 Ikke-retningsbestemt jordfeilvern... 20 3
3.2.6 Retningsbestemt jordfeilvern... 20 4 Riggen... 21 4.1 Generatorvern... 22 4.2 Vernene i Spenningsregulatoren... 23 5 Testing av vern... 24 6 Salvesen & Thams... 26 7 Føssa småkraftverk... 27 7.1 VAMP 210... 28 7.2 Beregning av kabel, eget nett... 29 7.3 Linjer og situasjonen rundt kraftverket... 30 7.3.1 TrønderEnergi... 30 7.3.2 TrønderEnergi sine vern til Føssa... 30 8 Konklusjon... 32 9 Kilder... 34 10 Vedlegg... 36 4
Sammendrag Denne prosjektoppgaven ble gitt av Salvesen & Thams v/ Per Kirkaune og Johan Skjølberg. Oppgaven gikk ut på å se over, og eventuelt prøve å optimalisere verninnstillingene til Føssa Kraftverk som er prosjektert av konsulentfirmaet Rovas. Måter vi har kunne optimalisere vern på er litt begrenset da innstillinger av vern er ofte basert på erfaringer fra tidligere anlegg. Vi har derfor måtte sette oss inn i de forskjellige vern sine funksjoner og forsøke å anta gode innstillinger basert på det. Den andre måten vi har bruket er å teste vern direkte på Riggen her på skolen. Vi har også hatt kontakt med TrønderEnergi v/ Lars Hofstad som har hjulpet oss med linjeverndelen. Alle disse metodene har gitt oss nyttig informasjon om innstillingene er gode nok, eller om det rom for forbedringer. Videre har vi tatt for oss litt om Føssa Kraftverk og prosjekteringen rundt det. Vi har sett på hvordan man skal gjøre det med eget nett i kraftstasjonen og opp til demningen. Vi brukte disse lærdommene når vi tok for oss delen av oppgaven som omhandlet Føssa kraftverk, og hva vi konkluderte med i forhold til det. 5
1 Innledning 1.1 Bakgrunn for oppgaven I de senere årene har det blitt flere og flere mikro, mini og småkraftverk i Norge. Disse kraftverkene er ofte produsert ut av et standard oppsett som er raskt og lett å prosjektere i forhold til større kraftverk, som blir mer skreddersydd til sitt formål enn de små. Større kraftverk er ofte også under mer oppsyn enn de små, slik at det muligens er større grunn til å fokusere på gode stabile vern for de små kraftverkene enn man skulle tro. Dette betyr ikke at det er mindre fokus på vern i de store kraftverkene, men mer at et standard lite kraftverk, ofte blir utsatt for økonomisk konkurranse mellom leverandører slik at vern funksjoner ofte kan bli skviset ut for og få anlegget billigere. Dette blir å ha feil fokus på innsparinger da vernene ofte er den minste kostnaden i et slik kraftverk, men kanskje den viktigste komponenten. 6
1.2 Prosjektmål 1.2.1 Effektmål - Optimalisere innstillinger av vern til Føssa kraftverk. - Få en bred kompetanse på vern. 1.2.2 Resultatmål - Sette oss godt inn i forskjellige vern og hvordan de fungerer sammen. - Lære forskjellige måter å regne ut nødvendige vern, manuelt og med dataverktøy. - Komme med et bra resultat som er mulig å bruke. - Prosjektet skal leveres seinest 20. mai. 1.2.3 Prosessmål - Jobbe jevnt og følge Gantt diagrammet best mulig. - Fordele arbeidet jevnt slik at det blir like stor arbeidsmengde på hver. - Øke ferdighetene i samarbeidsjobbing. - Tilegne oss mer kompetanse på de fagområdene vi gjennomgår. - Oppnå god karakter på prosjektet. 7
1.3 Rapportens oppbygging I en prosjektrapport er det noen standarder prosjektgruppen må ta hensyn til. Vi hat tatt utgangspunkt i standarder hentet fra Prosjektarbeid, en veiledning for studenter (Andersen og Schvencke 2001). Dette er et skriv som er utdelt i forbindelse med hovedprosjektet. Her er det retningslinjer angående hva som skal være med og hvor i rapporten det skal stå. Det er også en del som er åpent, og opp til hver enkelt gruppe å avgjøre hvordan det skal gjøres. Vi har bygd opp rapporten vår som beskrevet under. Kapittel en heter innledning. Her tar vi med problemstilling, oppbygging av rapporten og begrepsliste. Kapittel to omhandler metoder og vurderinger i forhold til å finne informasjon vi har hatt bruk for underveis. Kapittel tre sier noe om hvilke vern som finnes, og litt om hvordan de fungerer. Kapittel fire forklarer om hva Riggen er. Kapittel fem omhandler vår testing av vernfunksjonene på Riggen. Kapittel seks er litt om historien til Salvesen & Thams. Kapittel sju omhandler Føssa kraftverk og litt om det overliggende nettet til det. Kapittel åtte er en konklusjon der vi samler trådene fra rapporten. Kapittel ni forklarer hvor vi har hentet kildene våre. Kapittel ti er en oppsamling av vedlegg vi har. 8
1.4 Begrepsliste I prosjektrapporten bruker vi en del uttrykk, forkortelser og liknende som ikke inngår i vanlig norsk dagligtale. I dette kapittelet har vi definert, og sagt litt generelt om de som er mest aktuelle. DECS (Digital Exitation Control System) Er en digital spenningsregulator som leverer magnetiseringsstrøm til synkrongeneratorens rotor. DEIF GPU(Generator Protection Unit) Generatorvernet til elektrokomponentprodusenten DEIF. Dette vernet skal beskytte generatoren for mulig feil. GIK (automatiske gjeninnkobling) Rask ut og innkobling av en linje, brukes av netteier for å fjerne forbigående feil. En slik utkobling er på vanligvis 300 ms. Kortslutningsstrøm Høy strøm som oppstår ved kortslutning da motstanden er veldig lav der man har en feil. Magnetiseringsstrøm Det er en likestrøm som man forsyner rotoren med for og sette opp et magnetisk felt som kan produsere vekselstrøm. Måletrafo Transformator som omsetter strøm eller spenning til ønskede verdier for bruk i andre enheter. Det skilles mellom trafo som brukes til vern og trafoer som brukes til måling. Disse har henholdsvis vernkjerne og målekjerne. Multifunksjonsvern Er en komponent som inneholder flere typer vern i samme enhet. NEK 400 Er en norm utarbeidet av Norsk elektroteknisk komité, og omhandler krav til elektriske lavspenningsinstallasjoner. 9
Relé En bryter som ved et gitt signal kobler ut en last Riggen En modell av et vannkraftverk plassert på elkraftlaben ved Høyskolen i Sør-Trøndelag. Modellen har synkron generator med tilhørende magnetiseringsutstyr, og turbinen simuleres av en frekvensomformerstyrt asynkron sleperingsmotor med kortsluttede sleperinger. Innfasingsutstyr er også montert, slik at det er mulig å fase inn og levere effekt på nettet. Rotor Den roterende delen i en generator Rusing Når en generator overstiger 1,5-2 ganger høyere enn sitt merketurtall. Rørgate Tilløpsrør med fundamenter og forankringer alternativt nedgravd tilløpsrør. SF6-isolert kompaktanlegg Strømbryter som er isolert ved hjelp av gassen SF6, som gjør at anlegget kan bygges med mindre dimensjoner. Småkraftverk Kraftverk med effekt mellom 1-10MVA Stator Den stillestående delen av en generator Stivt nett Brukes som definisjon på et nett hvor spenning og frekvens er konstant. Synkronmaskin Maskin som må gå med synkront turtall 10
Transformator Apparat som omgjør elektriske vekselstrøm av en spenning til vekselstrøm av en annen spenning Turbin Maskin der vannet i et vannkraftverk føres inn på en eller flere skovler festet til en aksel slik at en får rotasjon som omsetter vannets energi til mekanisk energi. Øydrift Brukes som definisjon på driftsituasjon hvor et vannkraftverk driver et nett alene. Det vil si at det ikke er flere generatorer som leverer som leverer effekt til samme nett. Også kalt eget nett. 2 Kilder og metoder Vi har under hele prosjektet hatt behov for å tilegne oss kunnskap. Det har variert etter hva slags kilder etter hva vi jobbet med. Vi har benytter flere typer kilder. Internettkilder: Når det gjelder internettkilder har vi systematisk brukt sider som tilhører anerkjente firma og organisasjoner. Vi har stort sett benyttet oss av nettbaserte manualer og veiledninger fra de aktuelle produsenter/leverandører. På den måten har vi forsøkt å få tak i så pålitelige kilder som mulig. Fordelene med internettbaserte manualer er at de som regel alltid er oppdatert og inneholder få feil, hvis de hentes på leverandørsiden. Bøker: Vi har kun benyttet lærebøker, de fleste av bøkene er lærebøker fra HiST. Lærebøker er en pålitelig kilde som tidligere og fremtidige elever vil ha tilgang til. Tidligere hovedoppgaver: Vi har også benyttet flere tidligere hovedoppgaver fra HiST som har vært innom noen av våre problemstillinger. 11
Erfaringsoverføring/fagpersonell: Prosjektgruppa har vært påpasselige med å spørre personer som har stor erfaring innen området vi har jobbet med, slik at vi har kunne ha fått mest mulig pålitelige råd. Brukermanualer: Brukermanualene til de forskjellige vernene vi har satt oss inn i har blitt flittig brukt. Og de er en pålitelig kilde som man kan stole på. 3 Generelt om vern Det er mange forskjellige feilsituasjoner som kan forekomme i et kraftverk. For å forhindre at disse skal gjøre noe skade er det viktig å ha gode vern. Noen av disse feilene er kortsluttning og overbelastning, det er veldig viktig å beskytte seg for disse fordi de kan være utgjøre en fare for mennesker og dyr, og feilene kan skade generatoren alvorlig. En annen alvorlig feil kan oppstå hvis turbinen ikke blir stoppet når nettet forsvinner, dette fører til rusing. Hvis kraftverket er lite og overliggende nett forsvinner kan det føre til lav eller høy frekvens for de som er tilkoblet i nærheten, dette kan føre til øderlagte elektriske komponenter hos husstandene. Det kan også oppstå feil på generatoren når overliggende nettet kommer tilbake, det kan bli koblet tilbake i motfase med generatoren fordi en linjefasebryter ikke har innfasingsutstyr. GIK er også et problem, en liten generatoren kan bli koblet inn i motfase, Det er derfor viktig med vern som kobler ut generatoren raskest mulig ved GIK. Figur 1. Vern. 12
3.1 Generatorvern 3.1.1 Under/Over spenningsvern Beskytter mot for lave eller for høye spenninger. Man setter forhåndssatte verdier, hvis vernet måler for lav eller for høy spenning i forhold til det, så gir vernet utslag og stopper eventuelt generatoren. Grunner til at spenningen på en generator kan stige kommer av interne eller eksterne forhold. En defekt spenningsregulator eller feilregulering av magnetiseringsutstyret ved manuell styring kan føre til for høy spenning. Spesielt når generatoren er frakoblet nettet, ved oppstartet, synkronisering eller ved utkobling av effektbryter ved feil i nettet. 3.1.2 Under/Over frekvensvern Måler at frekvensen ikke er for høy eller for lav. Det er kun store kraftverk som klarer å påvirke frekvensen i noe spesiell grad her i Norge, slik at et småkraftverk vil ikke evne og påvirke det stive nettet vi har. Hvis kraftverket kun produserer strøm til et mindre nettverk så kan dette bli et problem da lasten kan forandre seg raskt. 3.1.3 Under/Over magnetiseringsvern Dette vernet måler magnetiseringsstrømmen og registrerer om strømmen blir for høy eller lav. Vernet kan også stilles inn etter hvor mye reaktiv effekt man ønsker å produsere. Det registrerer også hvis det er bortfall av magnetiseringen, dette kan føre til høy økning av turtallet. 3.1.4 Overstrømsvern Beskytter generatoren mot kortslutning og overbelastning. Stilles inn for å løse ut effektbryteren når strømmen overskrider en forhåndsinnstilt verdi, denne verdien er satt til hvor mye strøm kablene og komponentene i kraftverket tåler. Stiller også inn med ønsket tidsforsinkelse da kraftverk kan kjøre med overlast i en begrenset periode uten og ta særlig skade av det. Man kan for eksempel kjøre 110 % overlast i 5 sekunder, mens man kan kjøre 125 % overlast i 2 sekunder. Dette er fordi hvis man plutselig legger inn noe som trekker veldig mye effekt, og nettet trenger noe tid til å oppjustere seg etter det. 13
3.1.5 Retureffektvern Dette vernet skal beskytte generatoren mot motordrift, dette kan forekomme hvis det blir lite vann på turbinen, da trekker generatoren nødvendig strøm fra nettet for å drive turbinen rundt. Dette er en uønsket situasjon og man ønsker da å stoppe turbinen til vannstrømningen er ok igjen. 3.1.6 Ubalansevern Måler om det er forskjeller mellom de forskjellige fasene. Det forhindrer overbelastning på enkeltfaser. 3.1.7 Jordfeilvern på generator Det er viktig å ha jordfeilvern både i rotor og stator så man oppdager eventuelle kortslutninger mot jord, slik at det ikke ødelegger komponenter i kraftverket. Jordfeil kan også føre til varmeutvikling over tid, noe som kan føre til brann/skade på komponentene. Det kan også føre til at det blir spenning på komponenter som normalt ikke skal ha det, dette kan føre til skade på mennesker eller dyr. Det er derfor viktig at jordfeil blir oppdaget så raskt som mulig og reparert. Jordfeilvern hindrer ikke skader, men skadeomfanget. Stator Statorjordfeilvernet er det viktigste vernet for statorviklingene i generatoren. Vernet reagerer på jordfeil i hele det galvaniske sammenkoblete nettet. Det vil si at vernet også verner viklingene til blokktransformatoren og magnetiseringstransformatoren som er dirkete koblet til generatoren. Statorjordfeilvern med 95 % dekning - blokkobling Det finnes jordfeilvern med 95 % dekning av statorviklingen når vi måler spenningen som kommer i nøytralpunktet ved en enkel jordfeil. Hvis det forekommer en jordfeil på en av generatorklemmene blir U 0 =E. Det vil si at spenningen mellom nullpunktet til generatoren og jord blir lik spenninga over hele generatorviklinga. Hvis det for eksempel er en jordfeil en trededel ut på viklinga, regnet fra nullpunktet ville dette gitt spenningen U 0 = E/3. Hvis jordfeilen kommer helt i starten av viklingene, regnet fra nullpunkt, blir spenningen U 0 så liten at vi ikke kan skille den fra små spenninger som er vanlig drift uten jordfeil. Et jordfeilvern som skal aktiviseres av spenningen U 0 blir derfor innstilt ikke å reagere på jordfeil som kommer på de 5 % første viklingene. Derfor navnet 95 % dekningspunkt. 14
Statorjordfeilvern med 100 % dekning kobling Det er lite sannsynlig med jord feil fra området 0-5 % av viklingene, sett fra nullpunkt. Det kan normalt bare forekomme hvis det blir gjenglemt verktøy, bolter eller liknende. Det er aktuelt å vurdere dette vernet for generatorer over 100MVA. Det må i tilegg også være et statorjordfeilvern med 95 % dekning. Rotor Rotor kretsen er normalt isolert fra jord, og overgangsmotstanden til jord er normalt i megaohm klassen. En enkel jordfeil i seg selv gjør ikke situasjonen kritisk med ved en dobbeljordfeil vil det blitt veldig store feilstrømmer flyttet i det punktet det er feil. Dette kan føre til et usymmetrisk rotorfelt, som kan føre til risting i generatoren noe som kan føre til ødelagte lagre. Det er derfor ønskelig å få en melding så fort jordfeil har oppstått. Dersom feilen er lav ohms ønsker man en frakobling fra nettet. Disse kravene gjør at mange i dag opererer med tostegsvern, et steg for signal og et steg for utkobling. 3.1.8 Differnensialvern Differensialvern kan brukes på kabler, transformatorer og på generatorer (se fig.2) over 15MVA, men kan og bør også vurderes på mindre generatorer. Prinsippet fungerer slik at man måler differansen mellom strømmen på primær og sekundær siden, og summen av strømmen i alle tre fasene. Dersom summen av de tre fasene ikke er null og/eller strømmen i en fase ikke er lik på hver side kan vernet ha oppdaget jordfeil eller kortslutning. Det er benyttet på generatorer ved at man plasserer målere på hver side av generatoren. Differensialvernet kan også brukes for å verne viktige kabler mot skader i sammenheng med kortslutning. Vernet har seks strømtrafoer som er montert på kablene inn til generatoren, et differensialrelé og en effektbryter. Dette vernet er en billig investering for en utbygger, og det er et godt vern for og avsløre feil i generatoren. 15
Figur 2. Differensialvern på generator. 3.1.9 Vectorjump Et vektorhopp er en forskyvning i periodetiden til en generator (se fig.3). Hvis under drift det skulle skje at nettet falt bort, vil generatoren prøve å levere effekt til gjenværende last. Slike plutselige endringer i last vil føre til at periodetiden minker eller øker avhengig av om lasten er større eller mindre enn ved vanlig drift. Figur 3. Forskyving av periodetiden. 16
Forandringen i tid finner man ved å kontinuerlig måle tiden mellom nullgjennomgangene til sinusspenningen. Slike vern er raske nok til og koble ut en generator hvis man opplever en GIK (typisk 300ms). Vernet løser ut når et hopp i tid blir representert i en vinkel overskrides. Utløsetiden vil være avhengig av når neste nullgjennomgang kommer, som igjen bestemmes av vinkelforskyvningen. 3.1.10 Df/dt vern Dette er et frekvensvern som skal beskytte generatoren mot forandringer i frekvens. Frekvensendringer kan komme når netteier kobler fra nettet og man får en GIK til nett igjen. Kobler man en generator fra et stivt nett så vil man i forhold til lasten få en endring i frekvens. Er det for høy last i forhold til hva generatoren leverer så vil frekvensen synke, er det mindre last enn hva generatoren leverer så vil man få en rusing av turbinen og frekvensen øke. Ved disse situasjonene vil man koble ut generatoren raskest mulig for beskytte den mot overbelastinger, df/dt vern er mye raskere enn ordinære frekvensvern så disse er et godt valg. De fungerer på den måten at de løser ut hvis de overskrider grensen frekvensen er satt til, eller hvis frekvensen ikke jevner seg ut igjen ved et gitt antall nullgjennomganger. Det er også en tidsforsinkelse i disse vernene, den starter ved første nullgjennomgang etter feil som resulterer i frekvensendring over stil nivå. Så utløsetiden til vernet blir tidsforsinkelsen pluss reaksjonstiden til vernutrustningen. Vernet vil kun koble ut hvis forandringen er vedvarende. Dvs. hvis nettet ramler ut og man får en frekvensendring i generatoren, da vil vernet koble ut hvis frekvensen ikke stabiliserer seg før tidsforsinkelsen har gått ut. Hvis frekvensen blir stabil før tidsforsinkelsen går ut så vil vernet fortsatt holde ting i drift. 17
3.1.11 Vibrasjonsvern Vibrasjonsvernet registrerer vibrasjoner i maskinen. Vibrasjoner kan forekomme når det er feil ved lager, polslipp eller liknende. Mekanisk feil vil bli oppdaget raskt, og det kan også oppdage mange elektriske feil før de elektriske vernene gjør det selv. Dette fører til raskere utkobling og reduserer ødeleggelsene. 3.1.12 Temperaturvern Det er viktig å ha temperaturvern på forskjellige komponenter, høy temperatur over lang tid fører til kortere levetid på den aktuelle komponenten. Det er spesielt viktig i lager, hvis temperaturen blir høy her er det et tegn på at det er lite olje igjen i lagrene, og det kan føre til store ødeleggelser. For høy temperatur på en komponent bare en gang kan redusere levetiden på den med flere år. 3.1.13 Rusevern Har som oppgave å hindre rusing av turbin og generator. Det er montert en turtallsmåler og satt en maksimalverdi for turtallet før vernet skal bryte inn. Men det er normalt å dimensjonere maskinene for litt høyere turtall en det nominelle, så de tåler litt rusing. 3.2 Linjevern 3.2.1 Linje- og kabelvern I nett med spenning under 22 kv har man vanligvis mating kun fra en side. I slike nett så er det mest vanlig og bruke overstrømsvern mot skader fra kortsluttinger. Det er to typer av slike vern. - Konstanttid overstrømsvern (uavhengig overstrømsvern) - Inverstid overstrømsvern (avhengig overstrømsvern) Det er vanligst med konstanttid overstrømsvern i Norge, da de er lettere å stille inn. I nett med høyere spenning så har man ofte også differensialvern og distansevern. 18
Jordfeilvern er også et viktig vern i linjer. Der har man også to typer. - Ikke-retningsavhengig vern - Retningsavhengig vern 3.2.2 Overstrømsvern Hvis man ser på figur 4, ser man tre overstrømsrelé med strømtransformatorer og effektbryter. Disse komponentene utgjør et overstrømsvern. Får man en kortslutning på linja som illustrert i figuren, så vil strømmen i strømtransformatorene bli så stor at releene lukker og effektbryteren legger ut linja. Når kortslutningen er borte går det ikke strøm gjennom releene lenger og relékontakten åpnes igjen. Figur 4. Kopling av et overstrømsvern av konvensjonell type. 3.2.3 Konstanttid overstrømsrelé For at et overstrømsrelé skal fungere som forventet må det være korrekt innstilt. Som et eksempel kan man si at startstrømmen, I ( I > ) er satt til 100 A. Da må strømmen i linja være over 100 A for at releet skal løse ut, og da med en tenkt satt tid på ett sekund. Man kan også velge hurtigutløsning (momentan utløsning) I ( I >> ) i tillegg til den ordinære utløsningen. Om strømmen kommer for eksempel over 1000 A så vil relékontakten lukke øyeblikkelig uten tidsforsinkelse og bryte strømmen. s m 19
3.2.4 Inverstid overstrømsrelé Inverstid overstrømsrelé kobles likt som konstanttid overstrømsrelé, men karakteristikken er andelenes. Ved startstrømmen, I ( I > ) 100 A så vil utløsningstiden være legere enn ved en høyere s kortslutningsstrøm. Så ved 100 A kortsluttningsstrøm så vil kanskje utløsetiden være 4 sekunder, mens ved 800 A så vil utløsetiden være 0,5 sekunder. 3.2.5 Ikke-retningsbestemt jordfeilvern I høyspenningsnett er det ofte brukt en kobling av enpolte spenningstransformatorer med en målevikling og en relévikling. Måleviklingen måler spenningen i nettet og reléviklingen gir ut spenning når det oppstår jordfeil. Som man ser på figur 5 ser man at jordfeilviklingene er seriekoblet. Spenningen over releet blir derfor summen av spenningene over de seriekoblede releene. Når nettet er feilfritt så er summen av disse spenningene lik null, men med en gang man får målt en spenning her vet man at man har en jordfeil. Disse vernene kan ikke si hvor jordfeilen er så man må koble ut hver linje for seg for å finne feilen. Figur 5. Ikke-retningsbestemt jordfeilvern 3.2.6 Retningsbestemt jordfeilvern Disse vernene er ofte foretrukket fremfor vanlige jordfeilvern. Vernet har da i tillegg en egen strøminngang for jordstrøm, målt vha en kabelstrømtransformator (summasjonstransformator), samt en spenningsinngang for jordfeildeteksjon ved hjelp av "åpen trekant"-spenningen (3Uo) på samleskinnen. Vernet kan dermed avgjøre retningen til en eventuelt jordfeil og løse selektivt ut, selv i et spolejordet nett med små jordfeilstrømmer. 20
4 Riggen Riggen er en simulator av et vannkraftverk med generator og turbin (se bilde i vedlegg 2). Den ble startet som et hovedprosjekt på HiST våren 2008 og videre jobbet med som høstprosjekt samme året. Den ble igjen en hovedoppgave i 2009, og det er også er en gruppe som jobber med denne som hovedprosjekt nå i 2010. Riggen fungerer som et vannkraftverk der en synkrongenerator leverer effekt ut på kraftnettet. Den har også mulighet for å levere effekt på eget nett, bestående av en variabel resistor og induktor. Riggen kan også fjernstyres via en ekstern datamaskin ved og logge seg inn på stasjonsdatamaskinen. Turbinen er representert av en asynkronmotor som er koblet til en frekvensomformer. Akslingen på motoren er koblet sammen med synkrongeneratorens aksling. Generatorspenning 220V Generatorstrøm 7,9A Generatoreffekt 3 kva Turtall 1500 rpm. Magnetiseringsspenning 110 V DC Magnetiseringsstrøm 2,3A DC Tabell 1. Nominelle verdier på Riggen. Oppgaven vi hadde på Riggen var å se på hvordan vernene fungerte og eksperimentere med forskjellige innstilinger. Vi så også på hva som skjedde med forskjellige feil og hvordan vernene reagerte og hvordan maskinen stoppet. 21
4.1 Generatorvern På Riggen er det montert et generatorvern fra DEIF (Danish Electro Instrument Factory) som er et multifunksjonsvern. Vernet heter DEIF GPU og har blitt valgt fordi det var rimelig i forhold til konkurrenter, selv om det er viktig å ikke spare for mye penger på valg av vern. Generatorvernet er programmert med prosentvis nominelle generatorverdier og med forskjellige tidsforsinkelser på trippreleet. I tabellen under kan man se hva slags vern som er benyttet fra DEIF en, og hvordan de forskjellige verdiene er innstilt. Parameter Prosent Adresse nom.verdi Virkelig verdi Forsinkelse Utgangsrelè Revers effekt 1010-5 % 16,5kW 10s 2 og 4 Overstrøm 1 1020 101,8 % 814,4A 5s 2 og 4 Overstrøm 2 1030 104 % 832A 2s 2 og 4 Overstrøm invers 1 1041 110 % 880A 5s N/A Overstrøm invers 2 1042 120 % 960A 3,8s N/A Overstrøm invers 3 1043 140 % 1120A 2,5s N/A Overstrøm invers 4 1051 160 % 1280A 1,5s N/A Overstrøm invers 5 1052 180 % 1440A 1s N/A Overstrøm invers 6 1053 200 % 1600A 0,5s N/A Overstrøm invers 1060 N/A - N/A 2 og 4 Høy generatorspenning 1 1100 103 % 247,2V 10s 2 og 4 Høy generatorspenning 2 1110 105 % 252V 5s 2 og 4 Lav generatorspenning 1 1020 95 % 228V 10s 2 og 4 Lav generatorspenning 2 1030 90 % 216V 5s 2 og 4 Høy generatorfrekvens 1 1140 103 % 51,2 Hz 10s 2 og 4 Høy generatorfrekvens 2 1150 105 % 52,5Hz 5s 2 og 4 Ubalanse strøm 1280 25 % - 10s 2 og 4 Ubalanse spenning 1290 10 % - 10s 2 og 4 Var import 1300 20 % 66kW 10s 2 og 4 Var eksport 1310 74 % 244,2kW 10s 2 og 4 df/dt 1350 5Hz/s - N/A 2 og 4 Feil fra DECS 3350 3350 N/A 2,3A 0,2s 2 og 4 Tabell 2. Verdier og adresser i DEIF'en. 22
4.2 Vernene i Spenningsregulatoren Regulatoren på Riggen er en Basler DECS 100. Det har 5 vernfunksjoner innebygd i regulatoren, som kan brukes slik man ønsker. Disse blir forhåndsprogrammert slik at regulatoren vet hvordan den skal reagere hvis en av vernfunksjonene blir aktivert. Vernfunksjonen i regulatoren er: Overspenning generator: Man stiller inn en øvre tillatt grense for generatorspenningen. Dersom denne grensen overstiges aktiveres regulatorens alarm utgang. Det kan også stilles inn en tidsforsinkelse så den tilatter overspenning en hvis tid. Man kan også få den til å skru av generatoren ved denne feilen. Tap av målespenning: Denne vernfunksjonen slår inn dersom regulatoren mister sine målespenninger i anlegget. Her kan man velge om regulatoren skal slå seg av eller som den skal gå over til modus manuell kjøring. For høy feltspenning: Hvis spenningen over magnetiseringsviklingene blir for høy kan det velges om regulatoren skal gi alarm eller om den skal slå seg av. Overmagnetiseringsbegrenser: Det er mulig å stille inn regulatoren slik at ikke overstiger den øvre grense slik at den ikke overstiger det generatoren/magnetiserinegn er dimensjonert for. Undermagnetiseringsbegrenser: Hvis forbruket av reaktiv effekt kommer under innstilt verdi kan det velges om regulatoren skal gi alarm eller den skal skru seg av. Det er her også mulig med en tidsforsinkelse. 23
5 Testing av vern Vi gjennomførte en del tester av de forskjellige vernene, de fleste av vernene gikk det greit å teste, mens noen av vernene var det umulig å få testet. Alle testene våre gikk ut på at vi justerte ned settpunktene slik at vi ikke kunne overbelaste noe i anlegget. Dermed økte vi belastningen opp til det som var satt i utgangspunktet. Revers effekt: Vi skrudde fort ned pådraget, da måtte generatoren drive turbinen som en motor og da trekker man effekt fra nettet. Det tilsvarer en simulering av at det brått mangler vann på turbinen. Overstrøm 1 og 2: Testet hva som skjedde når vi simulerte for mye aktiv effekt på eget nett. Vi la på trinnvis mer effekt og tilførte mer vann til turbinen, for å kompensere for lav frekvens på nett. Vi gjorde dette helt til vernet trippet på for mye strøm. Vi har ført inn resultatene i tabellen under. Overstrøm 1 var satt til og trippe etter 5 sekunder mens overstrøm 2 var satt til 2 sekunder. 80 % 90 % 100 % Orginalt Overstrøm 1 652A (640A) 725A (720A) 817A (800A) 820A (814,4A) Overstrøm 2-743A (720A) 817A (800A) 850A (832A) Tabell 3. Strømmer vi testet. (Verdiene i parentes er utregnet verdier i forhold til prosent av nominell verdi.) Overstrøm invers 1-6: Fikk vi ikke testet. Høy generator spenning 1 og 2: Kjørte opp sett-punkt spenningen på eget nett slik at spenningen ble for høy. Et praktisk eksempel på høy generator spenning er hvis det blir produsert mer en kraftverket klarer å levere, da vil spenningen og frekvensen stige. Høy frekvens 1 og 2: Dette testet vi på eget nett ved at vi kjørte med last og så fjernet lasten. Når man fjerner lasten øker man frekvensen på nettet hvis man ikke reduserer vannmengden. 24