Kandidatnr: HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi OPPG 1-6 KRAFTNETT Eksamensdato: 16. desember 2014 Varighet/eksamenstid: 09.00-14.00 Emnekode: Emnenavn: Klasse: Studiepoeng: 10 TELE3005-A 14H Elektriske forsyningsanlegg ELK12H Valgemne for FEN12H Valgemne for enkelt studenter fra AFT Maskin Faglærer: Pål Glimen (73559586), Ola Furuhaug (90643447) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: Vedlegg består av: Merknad: Øvrige opplysninger: Kalkulator type C, ingen trykte eller skriftlige hjelpemidler 10 oppgaver på 11 sider (inkl formelark) Vedlegg 1 - REN brukerguide til FEF 2006 utvalgte sider Vedlegg 2 - Datablad Siba HV fuse Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. Ola Furuhaug sine oppgaver 1-6 vektes totalt ca 60%, og Pål Glimen sine oppgaver 7-10 vektes ca 40%. Hver deloppgave vektes individuelt etter arbeidsmengde og vanskelighetsgrad innenfor denne rammen. NB! Les gjennom hele oppgavesettet før du begynner arbeidet, og disponer tiden godt. Dersom noe virker uklart i oppgavesettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Lykke til! 1
Formelark (som eventuelt kan komme til anvendelse) Projeksjonsmetoden: ΔU = U 1 U 2 = 3 (U f1 U f2 ) = 3 I (R cosφ + X sinφ) Effektmetoden: P f2 = P 2 3 Q f2 = Q 2 3 = P 2 tanφ 2 3 P f1 = P f2 + I 2 R Q f1 = Q f2 + I 2 X U 1 = S 1 = P 1 2 2 + Q 1 3 I 2 3 I 2 Kompleks metoden: U f1 = U f2 + R I + j X I X d = U x 100 U n S n X d = U x 100 U n 2 S n 2 F = 2 K 1 K 2 I s 2 D 10 7 2
1. Spørsmål kraftnett 1.1. Hvilke systemspenninger er typiske i henholdsvis sentralnettet, regionalnettet og distribusjonsnettet? SVAR: Sentralnettet : 420, 300 og delvis 132 kv. Regionalnettet : 132, 66 og noe 45 kv Distribusjonsnettet : 11 og 22kV 1.2. I 66kV og 132kV nett brukes ofte Petersenspole (slukkespole). Tegn en skisse som viser hvor denne komponenten typisk er koblet til nettet. Hva er hensikten med denne komponenten? Svar: En Petersenspole kobles inn mellom nullpunkt på trafo og jord. Hensikten med denne spolen er å redusere den kapasitive jordfeilstrømmen som oppstår ved en enpolt jordfeil. Spolen vil ved jordfeil sette opp en induktiv strøm som reduserer jordfeilstrømmen i feil stedet, (gjerne til under 10A). På den måten vil en stående lysbue på feil stedet slukke og nettet er igjen feilfritt (forutsatt av jordfeilen var forbigående). 1.3. Hva er forskjellen på en effektbryter og en lastskillebryter (egenskaper, anvendelsesområder)? SVAR: En effektbryter skal kunne bryte både last- og kortslutningsstrøm. Den benyttes til kobling av last under drift og til beskyttelse av anleggsdeler og komponenter i tilfelle feil (i kombinasjon med vern). Den oppfyller normalt ikke kravene til sikkert skille i kretsen. En lastskillebryter kan i utgangspunktet bryte laststrøm og oppfyller også kravene til sikkert skille, men kan ikke koble kortslutningsstrømmer. 3
1.4. Hvilken av de to brytertypene ville du valgt i kombinasjon med et overstrømsvern på en 22kV linjeavgang? Begrunn svaret. SVAR: En høyspenningslinje må beskyttes mot bl.a. virkningene av jord- og kortslutninger og må derfor utstyres med en effektbryter i kombinasjon med måletransformatorer og et egnet vern. En lastskillebryter ville måtte utstyres med høyspenningssikringer i serie med bryteren for å kunne beskytte linjen, men dette går ikke beskyttelse mot jordfeil i isolerte nett og ville dessuten kreve manuelt sikringsbytte for gjenopprette driften etter feil. Dette er ikke en egnet løsning. 2. Forskrifter Se figur 1. Denne arrangementstegningen viser en del av et 300kV utendørs luftisolert koblingsanlegg. Se vedlegg 1, REN Brukerguide til FEF2006. Referer til aktuell paragraf i alle svar som omhandler forskrifter. 2.1. Hvilke krav stiller FEF 2006 til de to avstandene som er avmerket på tegningen? Svar: FEF tab 4-3: Avstand fra bakken til underkant av isolatorer : min 2,5m. Avstand fra bakken til spenningsførende deler : N + 3,0 FEF tab 4-2 sier at N=2400mm for 300kV- dvs at avstand fra bakken til spenningsførende 2.2. Hvilke krav stiller FEF2006 til minsteavstand fase-fase (stang-leder) og til fase-jord (stang-gods) i dette anlegget. På dette anlegget har kunden stilt krav om at anlegget skal bygges for lyn impulser opp til 1050kV Svar finnes i FEF: 2.3. Hvem har ansvaret for at et slikt koblingsanlegg til enhver tid tilfredsstiller kravene i FEF2006. Svar finnes i FEF: 4
Figur 1-300kV luftisolert koblingsanlegg 5
3. Måletransformatorer og vern 3.1. Måletransformatorer 3.1.1. En kjerne på en strømtransformator et betegnet med: 0,2FS5 40VA. Hva angir dette? Svar: FS Målekjerne 0,2 Nøyaktighetsklasse. Maksimalt måleavvik på 0,2 % av In i område 0,2xIn 1,2xIn 5 Kjernen går i metning før 5xIn, dvs. sekundærstrømmen begrenses til maksimalt 5xIn (normen forlanger at sekundærstrømmen skal være minimum 10 % under det omsetningsforholdet tilsier ved 5xIn) 40 VA Ytelse på kjernen. Kjernen kan tilkobles en byrde i form av kabel og ledning, instrumenter og måleutstyr, som belaster kjernen med inntil 40 VA. 3.1.2. Hva er forskjellen på en målekjerne og en vernkjerne i en strømtransformator (egenskaper og anvendelsesområde)? Hvorfor er det viktig å bruke riktig kjerne? Svar: Målekjerner har høy målenøyaktighet. De skal gå i metning ved store primære feilstrømmer slik at ikke måleutstyr som er montert i sekundærkretsen ikke tar skade. Vernkjerner skal ikke gå i metning ved store feilstrømmer slik at disse kan detekteres og gi utkobling. Feil bruk: Hvis man bruker en vernkjerne i en målekrets fører dette til dårlig målenøyaktighet samt at måleinstrumenter kan ødelegges ved store primære feilstrømmer siden kjernen ikke går i metning. Hvis man bruker en målekjerne i en vernkrets vil målekjernen gå i metning ved overstrømmer slik at vernet ikke klarer å detektere hvor stor feilstrømmen egentlig er. Det kan da skje at verne ikke gir utkobling ved feil. 3.1.3. Hvorfor skal man ikke ha sikringer i sekundærkretsen til strømtransformatorer? Svar: Man vil ikke ha brudd i sekundærkretsen av en strømtrafo når det går strøm i primærkretsen. Ved et brudd vil strømmen primært fortsette og det induseres da en svært høy spenning over sekundærviklingen med fare for overslag, skader i strømtransformator og personskader. 6
3.2. Impedansevern Figur 2 viser relekarakteristikker for en linje med to innmatinger som er beskyttet med impedansevern (distansevern). Figur 2 Relekarakteristikk linje 3.2.1. Forklar med egne ord hvordan de ulike vernene, Rele A,B,C og D vil reagerer hvis en kortslutning oppstår som angitt på figuren. Bare ta hensyn til vern som er inntegnet på figuren. Hvilke vern vil koble ut feilen? Relevern C og D vil gi uforsinket utkommando til sine effektbrytere slik at linjen som har kortslutning blir spenningsløs. Relevern B vil ikke reagere på feilen. (Distansevern er retningsbestemte, og «ser» derfor bare i en retning) Relevern A vil detektere kortslutningen i sin sone 3, men gir ikke utkommando til effektbryteren før tiden t3 er gått. Normal vil vern C og D legge ut linjen med feil i god tid før tiden t3 til vern A har utløpt. (Relevern A fungerer som et reservevern for relevern C) 3.2.2. Hvordan kan et distansevern på en kraftlinje anslå hvor langt ut på linja en kortslutning har oppstått? Et distansevern (impedansevern) beregner impedansen i feilkretsen fra vernet ut til feil stedet. Ved å sammenligne denne impedansen med linjeimpedansen kan vernet anslå hvor langt ut på linja feilen ligger. Kortslutningsimpedansen er proporsjonal med avstanden til feilstedet. 7
3.3. Differensialvern 3.3.1. Differensialvern brukes bl.a. som kortslutningsvern på generatorer og transformatorer. Tegn en prinsippskisse som viser hvordan et differensialvern som skal beskytte en synkrongenerator er koblet. 3.3.2. Forklar hvordan et differensialvern prinsipielt virker. Svar 3.3.1: 8
Svar 3.3.2: Prinsipp for differensialvern Måler strøm på begge sider av komponenten man skal beskytte Hvis det er differanse gir vernet utløsning Kortslutningsvern for + Trafoer + Generatorer + Linjer 3.4. Oljefylte krafttransformatorer beskyttes ofte med et Buchholz rele. Forklar hva det skal beskytte imot og hvordan det virker. Svar: Buchholz rele varsler om: Gassutvikling (som indikerer en begynnende feil i trafoen. Gir alarm, men ikke utkobling) Hurtig oljestrøm (som indikerer en alvorlig feil i trafoen(kortslutning), gir da umiddelbar utkobling av trafoen) Olje tap (indikerer at det er oljelekkasje på trafoen. Dette er alvorlig, og fører til utkobling av trafoen) 9
4. Spenningsfallberegning og fasekompensering Enlinjeskjemaet under viser en 12kV linje som er fasekompensert med parallellkondensatorer tilkoblet samleskinne S2. Samleskinne S2 har en belastning på 3MW med en effektfaktor, cosφ 2 = 0,7 ind. Fasekompenseringen, Qc, gjør at effekten som linja fører inn på S2 har en effektfaktor, cosφ a = 0,95 ind. U 1= S1 Linje: 4.1. Beregne følgende: Linje Lengde 20km, x=0,35ω/km og fase, r=0,15ω/km og fase 4.1.1. Kondensatorbatteriets reaktive trefaseeffekt, Qc. 4.1.2. Strømmene som er avmerket på skjemaet, I a,, I c, I 2. 4.1.3. Spenningsfallet på linjen og spenningen på samleskinne, S 1. (Bruk valgfri beregningsmetode) 4.1.4. Aktive og reaktive effekttap på linjen. 4.1.5. Hvor stort effekttap blir det på linjen uten fasekompensering? I a P a = Q a = cosφ a = 0,95 ind S2 I 2 I c U 2=12kV Belastning ut fra S2: P 2 = 3MW cosφ 2 = 0,7 ind a Q c 10
Svar: 11
Svar: 12
13
14
5. Kortslutningsberegning Skjemaet under viser et nett som skal kortslutnings beregnes. Det er kun de to generatorene som gir bidrag til kortslutningsstrømmen i nettet og det ses bort fra alle resistanser i beregningene. G1: G1 G2 Sn 45MVA Un 10kV Ux 18% Ux 25% S1 10kV G2: T1 S2 66kV Sn 80MVA Un 10kV Ux 17% Ux 23% T1: Linje Sn 130MVA Un 10/66kV ex 8% er 0,8% Linje: Lengde 10km 5.1. Tegn opp enfase ekvivalent for dette nettet og beregne følgende: 5.1.1. Alle impedanser. Referer alle impedanser til 66kV. 5.1.2. Subtransient kortslutningseffekt, Sk, og transient kortslutningseffekt, Sk, på alle samleskinnene; S1, S2, S3 og S4. 5.1.3. Transient kortslutningsstrøm, Ik, Subtransient kortslutningsstrøm, Ik, og støtstrøm, Is, for samleskinne S1 og S4. x r S3 66kV 0,4Ω/km og fase 0,15Ω/km og fase T2 S4 22kV T2: Sn 10MVA Un 22/66kV ex 10% er 1% 15
Svar: 16
17
18
6. Kortslutning og dimensjonering Gitt en 10kV samleskinne med en subtransient kortslutningsytelse, Sk på 500MVA. Ut fra samleskinna går det bl.a ut to kabelavganger. På begge disse ønsker man å redusere kortslutningsstrømmen på de utgående kablene. På den ene avgangen settes det inn en strømbegrensende reaktorspole, Xs. Mens det på den andre avgangen settes inn en sikringslastskillebryter,-q1, med strømbegrensende sikringer. S1 10kV A Sk 500MVA Q1 Xs Avgang 1, Avgang 2, 6.1. Hvor stor støtstrøm, Is, vil en kortslutning på samleskinna medføre, (kortslutning A)? 6.2. Avgang 1. I sikringslastskillebryteren settes det inn 50A sikringer, se datablad i vedlegg 2. Hva blir største støtstrøm, (peakverdi) ved en kortslutning på lastsiden av sikringslastskillebryteren (kortslutning B)? Hva blir max gjennomsluppet energi, I 2 t verdi? 6.3. Avgang 2. Hvor stor må reaktans må spolen Xs ha for å redusere subtransient kortslutningsytelsen til 300MVA etter spolen (Kortslutning C)? B C 19
Svar: 20
Svar 6.2: 21
22