Översyn av skyddsanordning samt nollpunkt för fördelningsstationen Fs Myrängen

Transkript

1 DEGREE PROJECT, IN ELECTRICAL ENGIEERING, SECOND LEVEL STOCKHOLM, SWEDEN 2014 Översyn av skyddsanordning samt nollpunkt för fördelningsstationen Fs Myrängen AMR ELAWA KTH ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ELECTRICAL ENGINEERING

2

3 Översyn av skyddsanordning samt nollpunkt för fördelningsstationen Fs Myrängen Amr Elawa 9 June

4 2

5 Förord Detta examensarbete är det sista momentet i min civilingenjörsutbildning inom elektroteknik, vid institutionen för elektroteknisk teori och konstruktion på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Arbetet omfattar 30hp vilket motsvarar 20 veckors arbete. Jag skulle vilja börja med att tacka mina handledare; Greta Brännlund (Fortum) för allt stöd samt handledning under arbetets gång, Anders Sjögren (Fortum) för svar på de frågor jag haft relaterat till Fs Myrängen samt elnätet i Täby och Daniel Terranova (Fortum) för föreläsningar samt hjälp relaterat till reläskyddsinställningar och skyddsanordning. Vill även tacka min handledare och examinator Hans Edin (KTH) för en flexibel handledning samt för svar på de frågor jag haft relaterat till beräkningsdelen i arbetet. 3

6 Sammanfattning Detta är en rapport av ett examensarbete utfört i uppdrag av lokalnät Stockholm under Fortum Distribution AB. Examensarbetet gick ut på att göra en översyn av en fördelningsstation vid namn Fs Myrängen som är belägen i Täby. En modell skapades av 11 kv nätet kopplat till Fs Myrängen, utifrån denna modell samt med hjälp av symmetriska komponenter beräknades teoretiska felströmmar både för kortslutning och jordslutning. Resultaten av dessa felströmmar användes för att utreda och ta fram inställningar på reläskydd och nollpunktsutrustning i stationen. Resultaten på framräknade jordfelsströmmar användes även för att utreda vilken spänningssättning som uppstår vid jordfel, i de nätstationer som matas av Fs Myrängen. Spänningssättningen på nätstationerna jämfördes sedan med de starkströmsföreskrifter som är framtagna av elsäkerhetsverket. Ett annat moment i arbetet var att skapa en upprustningsplan för skyddsanordningen på 11 kv sidan i Fs Myrängen, huvudmålet för den biten var att utreda vilka fördelar och nackdelar som finns vid en eventuell övergång till numeriska skydd. Detta gjordes genom att göra en marknadsöversikt över olika typer av numeriska reläskydd, samt jämföra dessa med den befintliga skyddsanordningen i Myrängen som är av analog typ. Studien visade att reläskyddsinställningar bör ses över enligt rekommendationer i rapporten, nollpunktsutrustningen bör bytas ut till självreglerande typ, transformatorerna bör bytas ut p.g.a. ålder och kapacitetsbegränsning. Gällande skyddsanordningen rekommenderas en övergång till numeriska skydd av typen REF615, och i samband med detta byta ut den befintliga kontrolltavlan i stationen till en stationsdator. Vidare bör även strömtransformatorer för jordfelsskydden bytas ut för att uppnå önskad känslighet gällande detektering av jordfel. För spänningssättning av nätstationer vid jordfel, visar resultaten att stationen uppfyller kraven enligt starkströmsföreskrifterna från elsäkerhetsverket. 4

7 Abstract This is a report of a Master s thesis done in behalf of the local network in Stockholm, under Fortum Distribution AB. The thesis was to conduct a review of a distribution station named Fs Myrängen located in Täby. A model was created for the 11 kv network linked to the secondary side of Fs Myrängen. Based on this model and using symmetrical components, theoretical fault currents (short circuit and ground fault) could be calculated. The results of these fault currents are used to investigate and develop new settings for relay protection and ground equipment in the station. The results of the calculated fault currents were also used to investigate unwanted voltages that occurs for grounded parts due to earth faults. The value of these unwanted voltages was then compared to heavy current regulations developed by the Electrical Safety Authority in Sweden. Another element of the work was to create a rehabilitation plan for the structure on the 11 kv side of Fs Myrängen, the main goal regarding the rehabilitation plan was to investigate the advantages and disadvantages that exist at a possible transition to numerical protection relays. This was done by making a market overview of the different types of numerical protection relays and compare these with the existing analog protective device in Fs Myrängen. The study showed that protective relay settings should be revised according to the recommendations in the report, ground equipment should be replaced with a self-regulating type, transformers should be replaced due to age and capacity limitations. Regarding a switch to numerical protection relays the type REF615 from ABB was recommended, in that case the control board in the station should be replaced to a station computer. Furthermore should current transformers be replaced to recive a desired sensitivity regarding detection of ground faults. The report also showed that Fs Myrängen meets the regulations of unwanted voltages over grounded parts in distribution stations due to earth faults. 5

8 6

9 Innehåll 1 Inledning Bakgrund Problemställning Syfte och mål Disposition Projekt organisation Stationens uppbyggnad Allmänt Lokalkraft Transformatorer Jordning Impedansjordade system Ställverk och reläutrustning Reaktiv kompensering Nätet Allmänt Kapacitans för kabel Induktans för kabel Kapacitans för luftledning Induktans för luftledning Symmetriska komponenter Allmänt Spänning och ström Impedanser Felströmmar Allmänt Jordslutningsströmmar Kortslutningsströmmar Skydd och selektivitet Allmänt Elektromekaniska reläskydd Statiska reläskydd Analoga Numeriska reläskydd Överströmsskydd Riktat jordfelsskydd NUS-skydd Samlingsskenedifferentialskydd Transformatorskydd Transformator differentialskydd

10 6.8.2 Gasvakt Temperaturvakt Tryckvakt Selektivitet Nya skydd för Fs Myrängen Krav på skydden Marknadsöversikt Lagar, förordningar och föreskrifter 43 9 Metod Modellering av nätet Beräkningar Redovisning av data och beräkningar Analys och diskussion Skydd och skyddsinställningar Nollpunktsutrustning Jordfelsström Transformatorer Slutsats och rekommendationer Framtida arbeten 59 8

11 1 Inledning 1.1 Bakgrund För att förstå elnätets struktur och uppbyggnad kan det jämföras med ett vägnät, likt ett vägnät sprider sig elnätet över hela landet via luftledning men även i form av kabel förlagd i mark. Motorvägarna i elnätet kallas för stamnätet och här färdas elströmmen över långa sträckor med spänningsnivåer på 220 kv och 400 kv. Vidare består elnätet av fördelningsstationer, vilka kan jämföras med avfarter på motorvägar eller vägkorsningar på landsvägar. Fördelningsstationer består av transformatorer som omvandlar spänningsnivån till lägre nivåer och fördelar ut elströmmen över mindre kraftledningar och kablar. Med hjälp av dessa stationer kan elnätet fördelas ut över städer, industrier och mindre orter. Detta nät kallas för regionnät och omfattar spänningsnivåer mellan kv. De kortaste och smalaste vägarna i elnätet kallas för lågspänningsnät och omfattar spänningsnivån 400 V, regionnätet sammankopplas med lågspänningsnätet via nätstationer. Nätstationer är transformatorstationer som transformerar ner spänningen ett sista steg från 10 kv ner till 400 V. Lågspänningsnätet består i regel av relativt korta sträckor där ledningarna sträcker sig mellan nätstation och slutförbrukare. Figur 1 visar ett exempel på Fortums elnätsstruktur, där Fortum äger nätet med spänningsnivåerna kv medan 400 kv nätet tillhör Svenska Kraftnät. [1] Figur 1: Exempel på elnätsstruktur för Fortum Distribution. [2] 9

12 Avdelningen lokalnät Stockholm under Fortum Distribution AB äger för nuvarande 21 stycken fördelningsstationer runt om i Stockholms län. Lokalnät vill nu göra en översyn över ett antal tillhörande fördelningsstationer p.g.a. ålder, samt undersöka om det behövs någon upprustning av dessa. Det som är relevant att undersöka är skick, inställningsvärden och funktionsduglighet på den befintliga skyddsutrustningen samt nollpunktsutrustningen, men även de övriga kraftkomponenterna i anläggningen som ställverk och transformatorer. Större delen av nätet kopplade till dessa stationer är bestående av kabel. Kabelnät ger ett större kapacitivt bidrag i förhållande till ett luftledningsnät med blank lina, och vid inträffande av jordfel i kabelnät genereras en kapacitiv jordfelsström. Denna ström måste begränsas för att lagar och föreskrifter ska kunna uppfyllas. Det här innebär att de befintliga skydden i stationerna måste ha en känslighet så att de inte enbart kan detektera stumma jordfel, utan även jordfel med höga övergångsimpedanser. Självklart skall skydden också kunna detektera andra fel så som kortslutning, överlast samt otillåtna över- och underspänningar. I och med att examensarbetet utförs under en begränsad tid, har man valt att rikta in sig mot en specifik fördelningsstation vid namn Fs Myrängen som är belägen i Täby. Tanken är genom att studera denna station lägga upp en eventuell upprustningsplan som även kan ligga till grund vid upprustning av andra fördelningsstationer med liknande tillstånd. 1.2 Problemställning Nätet uppdateras kontinuerligt genom utbyggnad, förstärkning samt utbyte av kablar och ledningar. [3] Allt detta för att ständigt kunna uppfylla det behov av effektöverföring som ställs från olika elförbrukare. Vid utbyggnad eller utbyte av kabel och ledning är det viktigt att uppdatera övriga kraftkomponenter i nätet som påverkas av denna förändring. Att bygga ut kabelnätet eller att byta en eller fler kablar kan kräva nya reläskyddsinställningar. Även ny avstämning av nollpunktsutrustning (se kapitel 3) kan krävas, eftersom en förändring av kabelnätet i sin tur kan ge en förändring av jordfelsströmmen. [4] Reläskyddsinställningar ska inte bara anpassas efter normaldriftfallet, men även i det läge där en station agerar som reserv för en annan station eller linje på samma station. En station med dålig översyn kan leda till felinställda skydd samt snedavstämd nollpunkt, vilket gör att de ej uppfyller sin funktion vid inträffande av diverse fel. Detta kan i sin tur leda till konsekvenser, såsom brand samt fara för personer och djur. [5] 10

13 1.3 Syfte och mål Studien har för avsikt att göra en översyn över Fs Myrängen för att klarlägga att stationen ej lider av brister enligt problemställningen ovan, fokus kommer ligga på undersökning av skydd och nollpunktsutrustning för stationens sekundärsida, dvs. 11kV sida. Målet är att utföra en analys över nuvarande tillstånd på Fs Myrängen samt lägga upp en upprustningsplan för skyddsanordning och övriga kraftkomponenter i stationen. Detta skall uppnås genom att utföra följande. -Modellera 11 kv-nätet kopplat till Fs Myrängen -Beräkna spänningsättning av nätstationer vid jordfel i 11kV-nätet. -Stämma av reaktorer i fält. -Räkna fram nya reläskyddsinställningar. -Skapa en upprustningplan för stationen gällande skyddsanordning, transformatorer och även nollpunktsutrustning. 1.4 Disposition Kapitel 2 ger en överblick över stationens uppbyggnad, vidare ger kapitel 3-8 en mer ingående teori, där metoden förklaras i kapitel 9. I kapitel 10 redovisas data samt resultaten av utförda beräkningar, dessa resultat diskuteras sedan i kapitel 11. Slutligen redovisas vilka åtgärder som bör tas till i avsnittet Slutsats och rekommendationer (kapitel 12), samt lite om framtida arbeten i kapitel Projekt organisation Lars Selberg, Chef Lokalnät Stockholm Hans Edin, Examinator Greta Brännlund, Handledare Anders Sjögren, Områdesansvarig Täby Amr Elawa, Exjobbare Fortum Distribution AB Hangövägen 19 Stockholm

14 12

15 2 Stationens uppbyggnad 2.1 Allmänt Fördelningsstation Myrängen är en station som är belägen i Täby. För denna station kommer inkommande 20 kv-kablar in genom stationens kabelfack, dessa kabelfack är i sin tur anslutna till två stycken samlingsskenor. En samlingsskena är en skena av vanligtvis koppar, genom denna skena kan flera anslutningar (ingående och utgående kablar) sammankopplas. Dessa samlingskenor är sedan anslutna till två transformatorer på 12 MVA styck som transformerar ner spänningen till 11 kv. På nedsidan dvs sekundärasidan matar transformatorerna två 11 kv skenor (en vardera) där totalt 10st kabelfack är anslutna. Dessa kabelfack ska i dagsläget kunna mata totalt 34st nätstationer. I dagens läge är det normala driftfallet att stationen fungerar som reserv för en annan station som tillhör Vattenfall, det är alltså Vattenfalls station vid namn Ensta som matar 11 kv skenorna i Myrängen genom en 70/10 transformator på 40 MVA. Vid driftbortfall av Vattenfalls station kommer 11 kv skenorna matas från transformatorerna i Myrängen enligt beskrivningen ovan. Anledningen till att huvudmatningen kommer från Ensta är p.g.a. kapacitetsbegränsing från transformatorerna i Myrängen, vilket gör att de ej klarar N-1 kriteriet. Det är nödvändigt att de två transformatorerna matas pararellt. Om en transformator skulle falla bort så kommer inte den andra transformatorn klara av lasten. En bild över stationsschemat kan ses i figur 2. Figur 2: Stationsschema. 13

16 2.2 Lokalkraft Lokalkraft krävs för att försörja olika typer av mätutrustning i stationen, exempelvis reläskydd och övervakning. Dessa komponenter är DC drivna vilket gör att det är ytterst viktigt att ha en fungerande lokal DC källa, utan DC försörjning fungerar ingen mätutrustning. Figur 3 visar den lokala DC försörjningen i Myrängen, vilket består av ett antal litium batterier som utgör 110 V styck. Dessa batterier skall kontinuerligt underhållas och har en livslängd på ca. 3-4 år. Genom en installerad övervakning kan driften förvarnas om något batteri skulle börja tappa sin funktion. Figur 3: Lokal DC försörjning. 2.3 Transformatorer Transformatorerna är på 12 MVA styck och är i dagsläget ca 55 år gamla. Varje transformator är kopplad till en samlingsskena på primärsidan och en på sekundärsidan, där de transformerar spänningen från 20 kv till 10 kv. Som sagts tidigare sker huvudmatningen från Vattenfalls station, men transformatorerna i Myrängen är ändå i varmdrift vilket innebär att de är i läget tomgångsdrift. Anledningen till att de körs i tomgångsdrift är för att säkerställa att utrustning och komponenter är funktionella ifall det skulle ske en bortkoppling av Vattenfalls matning. Mer ingående data på transformatorerna kan hittas i tabell 1. 14

17 2.4 Jordning Jordning kan ske på olika vis varav systemjordning och skyddsjordning är två vanligt förekommande termer. Skyddsjordning avser ledande del som inte tillhör spänningsförande delar för att skydda personer mot elchock, medan systemjordning avser "jordning av en punkt i en aktiv krets, erforderlig för riktig drift av utrustning och transformatorstationer". [5] I denna rapport kommer systemjordning att beskrivas då det är en del av studien. Jordning av system kan ske antingen genom en impedans (icke direktjordat system) eller direkt, dvs. utan någon impedans vilket kallas direktjordat system. Valet av systemjordning avgörs beroende på nätets utformning, spänningsnivå samt jordfelsström. Impedansjordning sker i huvudsak för spänningnivåer mellan 10 och 70 kv. För lågspänningsnät samt nät med spänningsnivåer över 70 kv är nätet oftast direktjordat. Båda jordningsutföranden har sina nackdelar och fördelar. Frågan är då varför direktjordning är vanligtvis förekommande för spänningsnivåer över 70 kv? Det beror på tekniska men även ekonomiska faktorer. En av nackdelarna i ett icke direktjordat system är att vid enpolig jordslutning uppstår en spänningsökning i de två friska faserna, vilket är ett problem som inte uppstår i ett direktjordat system. Väljs istället icke direktjordning för spänningsnivåer över 70 kv kan denna spänningsökning i de friska faserna leda till en kortslutning. Även högre krav gällande isolation skulle krävas, vilket inte anses lönsamt ur ett ekonomiskt perspektiv. Fördelen med ett icke direktjordat system är möjligheten till att begränsa den kapacitiva jordfelsströmmen. En annan fördel med icke direktjordade system är att vid inträffande av enpoligt jordfel kan den felbehäftade ledningen fortsätta i drift, och försörja lasten med enbart två faser. Vilket kan ses som en fördel vid försörjning av viktig last Impedansjordade system Vid ett icke direktjordat system (även kallat impedansjordat system) förekommer vanligtvis tre olika varianter enligt figur 4. Neutralpunkten kan antingen jordas genom ett motstånd så kallat nollpunktsmotstånd, induktiv reaktans så kallad nollpunktsreaktor eller genom en pararellkoppling av de ovannämnda. Vid val av variant måste hänsyn tas till den kapacitiva jordfelsströmmen i nätet. Resistansjordning sker oftast i nät där den kapacitiva jordfelsströmmen är låg, exempelvis i nät som mestadels består av luftledning. Vid jordfel kommer nollpunktsmotståndet då bidra med en aktiv ström genom den felbehäftade linjen, detta är av nödvändighet för att rätt skydd skall lösa då jordfelsskydden mäter aktiv ström. [6] Genom att producera en aktiv ström med hjälp av nollpunktsmotståndet kommer de riktade jordfelsskydden veta i vilken linje felet har inträffat så att rätt skydd löser (se avsnitt 8.5). Reaktansjordning sker i nät där den kapacitiva jordfelsströmmen är hög och måste begränsas, dvs. i nät med mycket kabel. Reaktansen består av en så kallad petersenspole och skapar vid jordfel en induktiv ström för att kompensera 15

18 den kapacitiva jordfelsstörmmen. Den induktiva strömmen kommer alltså att hamna i motfas med den kapacitiva jordfelsströmmen och med rätt inställning av spolen kan nätet bli helt avstämt, dvs. producera en induktiv ström som är lika stor som den kapacitiva jordfelsströmmen. Genom att begränsa jordfelsströmmen kan den av jordfelsströmmen framkallade spänningssättningen av jordade delar hållas på en begränsad nivå. En annan funktion med nollpunktsreaktorn är att släcka ljusbågar i felstället, om reaktorn ställs in på så sätt att det är fullt avstämt, dvs. den induktiva strömmen blir lika stor som den kapacitiva jordfelströmmen kommer ljusbågen i felstället att släckas ut helt. Den mest förekommande varianten i kabelnät är att jorda enligt pararellkopplingen i figur 4, vilket innebär att neutralpunkten jordas med ett nollpunktsmotstånd pararellt med en nollpunktsreaktor. Det är även så jordningen av transformatorerna är utformade i Myrängen. Vanligtvis är motståndet ansluten till en brytare, vid inträffande av ett jordfel kommer då brytaren koppla ifrån motståndet för att låta reaktorn släcka jordfelet. Efter en viss tid kopplas motståndet in igen för att skydden skall kunna känna efter om felet kvarstår, kvarstår felet kommer skyddet på den felbehäftade linjen att lösa. [7] Figur 4: Olika typer av impedansjordning. 16

19 2.5 Ställverk och reläutrustning I stationen finns två ställverk, ett för 20 kv-sidan samt ett för 11 kv-sidan. Ställverken består av kabelfack för ingående samt utgående ledningar, som förutom kabel innehåller mättransformatorer samt SF6 högspänningsbrytare. Mättransformatorerna används för att transformera ner ström eller spänning till sekundära värden (vanligen i storleksordningen 1-15 A) som kan hanteras av mätutrustning i stationen som exempelvis reläskydd. Syftet med ställverken är att kraften ska kunna dirigeras från ingående ledningar till utgående ledningar på ett säkert sätt. Figur 5 visar en bild på 11 kv ställverket. Den befintliga reläut- Figur 5: 11kV ställverket i Myrängen. rustningen i stationen består av statiska reläskydd av typen Combiflex(R) från ABB, vars uppgift är att skydda utrustning och komponenter från olika felfall. Reläskydden detekterar fel genom att kontinuerligt mäta ström och spänning från mättransformatorerna. Om ett värde skulle överskrida eller underskrida inställningsintervallet på reläskyddet, skickas en elektrisk impuls till respektive brytare som i sin tur bryter och isolerar systemet från de fack där felet inträffat. Mer ingående teori om olika reläskydd samt inställningsberäkningar behandlas i kapitel 8 (Skydd och selektivitet). 2.6 Reaktiv kompensering Nätet förbrukar och genererar reaktiv effekt, att mata in eller förbruka reaktiv effekt från stamnätet bör i regel undvikas (om inget avtal har skrivits med Svenska Kraftnät). Därav måste lokal kompensering av reaktiv effekt produceras för varje station. Genom en installerad mätanordning som kontinuerligt mäter spänningen på samlingsskenorna kopplas batterierna in vid behov, varje samlingsskena är ansluten till batterier på totalt 6 MVA dvs totalt 12 MVA för stationen. Med hjälp av automatik kopplas batterierna för varje skena in lika mycket, detta görs för att uppnå ett jämnt slitage på brytare. 17

20 Figur 6: Reaktiv kompensering i form av kondensatorbatterier. 18

21 3 Nätet 3.1 Allmänt Transformatorerna i Myrängen är anslutna till 10 stycken kabelfack, vilka tillsammans matar ett 13,5 km långt 11 kv nät varav 1,6 km består av luftledning och resterande av kabel. Nätet är utformat på sådant vis att varje kabelfack är redundant till ett annat kabelfack i samma station eller till ett fack beläget på en annan fördelningsstation. Men större delen av nätet kan i princip ses som ett maskat nät (redundant nät). Vidare finns det två elektriska storheter i nätet som påverkar de utförda beräkningarna i denna studie, nämligen induktans och kapacitans för kabel och luftledning. Dessa storheter ligger till grund och har stor betydelse vid beräkning av strömmar och spänningar i nätet, där exempelvis kabel bidrar med en hög kapacitiv verkan medan luftledning bidrar med en hög induktiv verkan men inte så stor kapacitiv. 3.2 Kapacitans för kabel Elektriskt kan en kabel betraktas som en kondensator, där ledaren är den ena elektroden och skärmen (det yttre ledande skiktet) den andra. Isoleringen i kabeln motsvarar då kondensatorns dielektrikum (elektrisk isolator). [8] Kapacitansen som genereras är distribuerad längs hela kabeln, dels mellan fasledare och skärm men också mellan respektive fasledare. Den kapacitans som bildas mellan fasledare och skärm kallas för egenkapacitans, medan kapacitansen mellan respektive fasledare kallas för ömsesidigkapacitans. Den totala kapacitansen, dvs. summan av de ömsesidiga och egen kapacitanserna kallas för driftkapacitans. För att beräkna driftkapacitansen i en kabel används olika beräkningsmetoder beroende på kabelns utformning. Kapacitansen i kabeln blir olika beroende på om varje fas är skärmad för sig eller om det är en 3-ledarkabel med gemensam skärm. I nätet kopplat till Myrängen används både 3-ledarkablar samt 1-ledare förlagda i plan eller triangel. För en 1-ledarkabel eller flerledarkabel med skärm runt varje part blir kapacitansen [9] C = k ɛ ln D d där ɛ=isolermaterialets dielektriska konstant D=diameter över isoleringen, i mm d=diameter över ledare (inkl ledande skikt), mm k= 2πɛ 0 = F/m (1) Som kan ses i ekvation (1) så beror kapacitansen i kabeln bland annat på isolermaterialets dielektriska konstant ɛ som varierar beroende på isolationsmaterial, exempelvis är den dubbelt så stor i en PVC-isolerad kabel gentemot en kabel som är PEX-isolerad. [10] För kraftkablar där varje fas har enskild skärm gäller även att driftkapacitansen C d är densamma som C. 19

22 Figur 7: Kapacitans i kabel. [10] 3.3 Induktans för kabel Induktans för en ledare är ett mått på förhållandet mellan strömstyrka och magnetiskt flöde, det kan även ses som ett tillsatsmotstånd för en ledare som befinner sig i närheten av en annan ledare. För kabel varierar induktansen beroende på valet av förläggning, kabel kan antingen förläggas i plan eller som liksidig triangel. Induktansen för ett trefassystem där ledarna är förlagda som en liksidig triangel kan beräknas enligt följande ekvation [9] L = 0, , 2 ln a r mh/km (2) Där 0,05 är induktansen mellan ledare och skärm, a är avståndet mellan ledarnas mittpunkter samt r ledarradien i mm. För ledare förlagda i plan blir induktansen annorlunda, den kan beräknas enligt följande 3.4 Kapacitans för luftledning L medel = 0, , 2 ln a mh/km r (3) a = 1, 26 a (4) Längs en luftledning genereras även här delkapacitanser, dels mellan faserna vilket är den ömsesidiga kapacitansen men även också en egenkapacitans som uppkommer mellan fasledare och mark. Precis som för kabel utgörs den distribuerade driftkapacitansen som summan av delkapacitanserna, dvs. summan av egenkapacitansen och den ömsesidiga kapacitansen. För luftledning är dock delkapacitanserna relativt små vilket gör att det ej är nödvändigt att beräkna varje 20

23 delkapacitans för sig utan driftkapacitansen kan beräknas direkt enligt följande C d = q a V n = 2πɛ 0 ln GMD r F/m, eller C d = GMA r µf/km (5) Där GMA står för geometriskt medel avstånd och är geometriska medelavståndet mellan ledarna i meter, samt r fasledarnas radie i meter. 3.5 Induktans för luftledning Induktansen för en 3-fas ledning beräknas olika beroende på utformning, om utformningen är en symmetrisk triangel enligt figur 8 är induktanserna identiska för alla tre faser p.g.a. symmetri. Därmed blir induktansen per fas och längd följande L = 0.2 ln D D s mh/km (6) Där D är avståndet mellan ledarna och D s geometriska medelradien och kan Figur 8: Kabel förlagd i symmetrisk triangel. [10] uttryckas som D s = r e 1/4, där r motsvarar ledar radien. Ett annat sätt att uppnå symmetri är att överväga transponering av faserna enligt figur 9, med transponering menas att varje ledare byter plats till nästa fysiska position var och en tredjedel av längden i en vanlig sekvens. Eftersom varje fas kommer hamna på alla tre möjliga positioner blir induktansen per fas medelvärdet av alla tre induktanser från varje fas. Det leder till att den totala induktansen per fas och längd kan uttryckas som L = 0.2 ln GMA D s mh/km (7) GMA = (D 12 D 23 D 13 ) 1/3 (8) Där GMA är det geometriska medelavståndet mellan ledarna. Vid beräkning av induktans för den del av 11kV nätet som består av luftledning kommer formel (9) att tillämpas. [9] 21

24 Figur 9: Transponerad ledning. [9] 22

25 4 Symmetriska komponenter 4.1 Allmänt Med hjälp av symmetriska komponenter kan osymmetriska fasstorheter som ström och spänning representeras med tre enskilda balanserade symmetriska komponenter. I ett tre-fas system defineras fas-sekevenserna som den ordning de passerar ett positivt maximum. Att använda sig av symmetriska komponenter underlättar beräkningar av osymmetriska fel i nätet. I princip alla kortslutningar samt jordslutningar är osymmetriska förutom tre-fasig kortslutning samt tre-fasig jordslutning. För att kunna använda sig av symmetriska komponenter görs ett antagande att nätet i princip är helt symmetriskt. Symmetriska komponenter kan delas in i tre enskilda komponenter enligt figur 10, vilket är plusföljd, minusföljd samt nollföljd. Plusföljden beskriver hur symmetriskt systemet är, minusföljden ger ett värde på osymmetri medan nollföljden exempelvis beskriver mängden ström via jord. Betrakta faserna a, b och c i figur 10, samt anta att riktningen på rotationen är moturs. Detta ger att ordningen abc avser plusföljdssekvens medan acb avser minusföljdssekvens. Bilden längst till höger i Figur 10 representerar fasernas nollsekvens, och som kan ses har dessa faser samma fasvinkel. Sammanfattningsvis består plusföljdssekvenskomponenter av en uppsättning balanserade tre-fas komponenter med fassekvensen abc, minussekvens-komponenter av en uppsättning balanserade tre-fas komponenter med fassekvensen acb, samt nollsekvens av tre en-fas komponenter som är lika stora till belopp men med samma fasvinkel. [9] Figur 10: [9] 23

26 4.2 Spänning och ström Positiv-sekvens för ström kan uttryckas som I 1 a = I 1 a 0 = I 1 a I 1 b = I1 a I 1 c = I 1 a 240 = a 2 I 1 a 120 = ai 1 a På samma sätt kan negativ-sekvens uttryckas som I 2 a = I 1 a 0 = I 2 a I 2 b = I1 a I 2 c = I 1 a 120 = ai 2 a 240 = a 2 I 2 a där I a, I b och I c representerar de tre faserna samt a en operator som orsakar en moturs rotation av 120 så att a = 1 a 2 = 1 a 3 = Slutligen kan uttrycket för noll-sekvens av ström representeras som I 0 a = I 0 b = I0 c Exponenterna 1, 2 och 0 används för att representera positiv, negativ och nollsekvens storheter. Betrakta nu de obalanserade eller osymmetriska strömmarna I a, I b och I c. Vidare representerar vi varje fasström med hjälp av deras symmetriska komponenter så att I a = I 1 a + I 2 a + I 0 a I b = I 1 b + I2 b + I0 b I c = I 1 c + I 2 c + I 0 c Men enligt definitioner av symmetriska komponenter enligt ovan går det även att uttrycka alla faser i termer av en vald faskomponent enligt I a = I 1 a + I 2 a + I 0 a 24

27 I b = a 2 I 1 a + ai 2 a + I 0 a I c = ai 1 a + a 2 I 2 a + I 0 a Eller i matrisform som I a I b I c = 1 a 2 a = 1 a a 2 I 0 a I 1 a I 2 a (9) I matris notation blir (9) I abc = AI 012 (10) där A kallas för SCTM (symmetrical components transformation matrix) vilken transformerar fasströmmarna I abc till komponentströmmarna I 012 och uttrycks som A = 1 a 2 a (11) 1 a a 2 Löses sedan komponentströmmarna I 012 ut ur ekvation (10) blir I 012 = A 1 I abc, dr (12) A 1 = a a 2 (13) 3 1 a 2 a genom att sedan stoppa in (13) i (12) fås följande uttryck Ia 0 Ia 1 = I a 1 a a 2 I b (14) 3 1 a 2 a eller i komponentform I 2 a I c I 0 a = 1 3 (I a + I b + I c ) (15) I 1 a = 1 3 (I a + ai b + a 2 I c ) (16) I 2 a = 1 3 (I a + a 2 I b + ai c ) (17) Observera att nollföljdsströmmen i (15) är en tredjedel av summan av fasströmmarna, vilket innebär att med en ojordad neutralpunkt blir denna nollföljdsström noll. 25

28 Vidare gäller samma teori vid framtagande av symmetriska komponenter för spänning. De osymmetriska fasspänningarna kan alltså precis som strömmen utryckas som eller i matrisform som V a = Va 1 + Va 2 + Va 0 V b = a 2 Va 1 + ava 2 + Va 0 V c = ava 1 + a 2 Va 2 + Va 0 V abc = AV 012 (18) där de symmetriska fasspänningarna kan lösas ut i termer av osymmetriska fasspänningar enligt uttryckt i matrisnotation fås V 0 a = 1 3 (V a + V b + V c ) (19) V 1 a = 1 3 (V a + av b + a 2 V c ) (20) V 2 a = 1 3 (V a + a 2 V b + av c ) (21) V 012 = A 1 V abc (22) 4.3 Impedanser Hittils har spänning och ström tagits fram i termer av dess symmetriska komponenter, kvoten av dessa borde då ge sekvensimpedanserna. Låt oss anta en Y-kopplad last, fasspänningarna ges då av Vidare säger Kirschhoffs strömlag att V a = Z l I a + Z m I b + Z m I c + Z n I n (23) V b = Z m I a + Z l I b + Z m I c + Z n I n (24) V c = Z m I a + Z m I b + Z l I c + Z n I n (25) I n = I a + I b + I c (26) Genom att ersätta I n i (23-25) med (26) kan följande matris skapas 26

29 V a V b V c eller i kompakt form Z l + Z n Z m + Z n Z m + Z n = Z m + Z n Z l + Z n Z m + Z n = Z m + Z n Z m + Z n Z l + Z n I a I b I c (27) V abc = Z abc I abc (28) Från (27) och (28) inses att impedansematrisen uttrycks som Z l + Z n Z m + Z n Z m + Z n Z abc = Z m + Z n Z l + Z n Z m + Z n (29) Z m + Z n Z m + Z n Z l + Z n där Z l är impedansen längs fasledningen, Z m reaktasen som uppstår mellan faserna och Z n impedansen mellan nollpunkt och jord för den Y-kopplade lasten. Enligt ekvation (12) samt (22) kan spänning och ström i (28) skrivas om enligt följande Multiplikation av A 1 med (30) ger då AV 012 a = Z abc AI 012 a (30) V 012 a = A 1 Z abc AI 012 a = Z 012 I 012 a (31) där Z l + 3Z n + 2Z m 0 0 Z 012 = A 1 Z abc A = 0 Z l Z m 0 (32) 0 0 Z l Z m Eftersom Z m i regel är väldigt liten, kan den försummas dvs. Z m = 0 vilket ger följande Z l + 3Z n 0 0 Z Z 012 = 0 Z l 0 = 0 Z 1 0 (33) 0 0 Z l 0 0 Z 2 Som kan ses i (33) så är det endast diagonalen som är skiljt från noll, vilket innebär att de tre sekvenserna är oberoende av varandra. Spänningsfallet kommer alltså endast bero utav impedans och ström som antar samma sekvens. Exempelvis kommer nollföljds spänningen V 0 endast bero utav nollföljdsimpedansen Z 0 eftersom de antar samma sekvens osv. [9] 27

30 28

31 5 Felströmmar 5.1 Allmänt Felströmmar som kortslutning och jordslutning är oundvikliga och uppkommer av olika skäl. För luftledning är det oftast naturen som står bakom dessa fel, medan det för kabel antingen kan vara förläggningsmiljön, att de är för hårt belastade eller yttre påverkan som grävarbeten vilket leder till att isolering mellan kabel och skärm brister eller smälter. De felströmmar som kan uppkomma är enfasigt samt flerfasigt jordfel (jordslutning), och kortslutning mellan två eller tre faser. Rapporten begränsas till enfasigt jordfel samt tvåfasig och trefasig kortslutning, då de är dessa felströmmar som är av relevans vid nätdimensionering samt beräkning av skyddsinställningar. 5.2 Jordslutningsströmmar Jordslutningsströmmar är som namnet tyder felströmmar som går mellan fas och jord, de kan antingen vara stumma eller högohmiga, dvs. via en övergångsresistans. Vid ett enfasigt jordfel kommer det först att uppstå en transient med urladdningstiden RC som bildas i felstället p.g.a. den plötsliga spänningsändringen i fasen. Därefter kommer felstället att matas genom den shuntkapacitiva urladdningen som uppstår från de två friska faserna. Figur 11: Strömvägar vid enfasigt jordfel. [11] Figur 11 demonstrerar strömvägarna från faserna. Figuren visar att felströmmen går via återledare och jord tillbaka till nollpunkten (gula linjen), samtidigt p.g.a. av den nya strömväg som skapats genom jord, kommer en ström från de friska faserna att gå via shuntkapacitanerna genom felstället (blå och röd linje). Den totala kapacitiva jordslutningsströmmen beror alltså endast av strömbidraget från de friska faserna. Då ett enfasigt jordfel är ett osymmetriskt fel är det lämpligt att vid beräkning av denna använda sig av symmetriska komponenter. Den totala jordslutningsströmmen för ett enfasigt jordfel kan beräknas genom 29

32 följande formel där I j = 3U fas Z 1 + Z 2 + Z 0 + 3Z f (34) U fas =Fasspänningen innan felet inträffade Z 1 =Plussföljds impedansen Z 2 =Minuföljds impedansen Z 0 =Nollföljds impedansen Z f =Övergångsresistansen Observera att det enfasiga jordfelet kommer att leda till en spänningshöjning i de friska faserna med en faktor 3 enligt figur 12, denna spänningshöjning kan då resultera till ett ytterligare jordfel. Spänningshöjningen i de friska faserna beror helt enkelt på den strömhöjning som uppstår p.g.a. bortfallet av en fas. Det som händer är att vid ett fullbordat enpoligt jordfel så kommer nollpunktsspänningen anta fasspänningen, vilket gör att nollpunktsspänningen kommer lyfta spänningen på de två friska faserna enligt figur 12. Nollpunktsspänningen kommer att anta fasspänningen med en fasförskjutning på 60 grader gentemot de två friska faserna. Figur 12: Visardiagram som visar vad som händer med spänningarna vid enfasigt jordfel. [11] 5.3 Kortslutningsströmmar Kortslutningsströmmar är felströmmar som går mellan två eller tre faser. I kabelfallet leder oftast en tvåfasig kortslutning till en trefasig kortslutning, i alla fall i en 3-ledarkabel. Betrakta figur 13, men anta istället ett fel mellan de två faserna b och c, det ger att randvillkoren blir V b V c = Z f I b (35) I b + I c = 0 (36) I a = 0 (37) 30

33 Figur 13: Exempelbild som visar strömvägar vid tvåfasig kortslutning mellan fas a och b. Anledningen till att I a = 0 är att den strömmen blir så liten i förhållande till I b och I c att den kan försummas. Z f står för den övergångsresistans som uppstår mellan de två faserna där felet inträffat. Vidare kan de symmetriska komponenterna till strömmen skrivas som Ia 0 Ia 1 = a a 2 = I b (38) 3 1 a 2 a I b Vilket ger att I 2 a Vidare observeras ur (40) och (41) att I 0 a = 0 (39) I 1 a = 1 3 (a a2 )I b (40) I 2 a = 1 3 (a2 a)i b (41) I 1 a = I 2 a (42) Med hjälp av (11) och (42) kan nu fasströmmarna uttryckas som I a I b = 1 a 2 a = I 1 a (43) 1 a a 2 I c I 1 a Ur (43) kan sedan den tvåfasiga kortslutningsströmmen skrivas ut som I b = I c = (a 2 a)i 1 a = j 3I 1 a (44) 31

34 Anta nu en generator som hela tiden genererar en balanserad symmetrisk emf E, då kan terminalspänningen uttryckas på följande vis V 012 a = E 012 a Z 012 I 012 a (45) Observera att E inducerar symmetrisk balanserad trefas spänning, dvs E innehåller endast plussföljd komponenten. Detta ger att emf E kan skrivas som 0 Ea 012 = E a (46) 0 I komponentform ger (45) och (46) då att Vidare ger (18) och (35) att Va 0 = 0 + Z 0 Ia 0 (47) Va 1 = E a Z 1 Ia 1 (48) Va 2 = 0 Z 2 Ia 2 (49) V b V c = (a 2 a)(v 1 a V 2 a ) = Z f I b (50) Ersättning av Va 1 samt Va 2 med (48) och (49) i kombination med att Ia=-I 2 a 1 ger att plusföljdsströmmen kan skrivas som I 1 a = Vilket slutligen ger att (51) kan skrivas som E a Z 1 + Z 2 + Z f (51) I b = j 3 E a Z 1 + Z 2 + Z f (52) Som kan ses ur (52) så beror den tvåfasiga kortslutningsströmmen av plus och minusföljdssekvenserna, nollföljdssekvensen uppstår endast vid jordfel. För trefasig kortslutning är beräkningarna mycket enklare eftersom det är ett symmetriskt balanserat fel, därav behövs inget framtagande av symmetriska komponenter. Den trefasiga kortslutningsströmmen kan beräknas enligt följande formel I k3 fas = U h 3 Zk (53) där U h är huvudspänningen innan felet samt Z k impedansen per fas från spänningskällan till felstället. [9] 32

35 6 Skydd och selektivitet 6.1 Allmänt Reläskydd är ytterst nödvändigt i en starkströmsanläggning för att komponenter och utrustning ej ska ta skada vid inträffande av plötsliga fel i elnätet. Vid inträffande av fel ska reläet med respektive felfunktion koppla bort felet så snabbt att utrustning och komponenter i nätet ej påverkas av felet. Figur 14 visar placering och typen av skydd i Fs Myrängen. Figur 14: Skyddsstruktur för Myrängen. [12] 6.2 Elektromekaniska reläskydd Reläskydd av elektromekanisk typ är det äldsta skyddet och de första tillverkades redan på 30-talet. Skyddet är uppbyggt som en solenoid, dvs. en spole lindad med ett antal varv runt en järnkärna. Tillsätts sedan en spänning till spolen kommer det att bildas en ström genom spolen, vilket kommer att alstra ett magnetfält. Detta magnetfält kommer i sin tur ge upphov till en kraft enligt "högerhandsregeln", och det är denna kraft som öppnar och stänger reläskyddets kontakt. För att ställa in skyddet kan exempelvis potentiometrar i kombination med olika stift användas för nå önskat inställningsvärde. 6.3 Statiska reläskydd Analoga Under 80-talet ersattes de elektromekaniska skydden av elektrostatiska, i dessa skydd finns inga rörliga delar utan skyddet är uppbyggt av transistorer, dioder och resistorer. Elektrostatiska skydd ansågs vara bättre än de elektromekaniska 33

36 i ett antal aspekter såsom ljudnivå under operationstid, slitage då de ej innehåller några rörliga delar samt att de ej producerar någon form av överslag vid switchande vilket gör att de kan installeras i farliga miljöer. Figur 15 visar ett Figur 15: Blockdiagram av analogt relä. blockdiagram av hur ett analogt relä kan vara uppbyggt. En mättransformator är alltså kopplad mellan elnätet och reläet, mättransformatorn kan exempelvis vara en strömtransformator som omvandlar primära storheter från elnätet till sekundära för att kunna hanteras av reläskyddet. Därefter omvandlas det sekundära värdet genom en omvandlare/likriktare från AC till DC, och DC-signalen förs in till ett såkallat mätelement. Mätelementet innehåller en mätfunktion som med hjälp av transistorer och resistorer (Schmitt trigger) omvandlar den analoga signalen till en binär signal. En Schmitt trigger har två utsignalstillstånd beroende på inkommande insignal. Om insignalen underskrider ett visst värde är utsignalen i det ena läget och om det överskrider ett visst värde är utsignalen i det andra läget. Den binära utsignalen är oftast väldigt svag och måste förstärkas genom exempelvis en op-förstärkare. Den förstärkta signalen förs sedan in i ett slutelement vilket är en såkallad operator, operatorn innehåller en eller flera switchfunktioner som beroende på insignal skickar förstärkaren antingen ut 1 eller 0 som utsignal. Utsignalen från operatorn skickas sedan som en impuls tillbaka till elnätet till respektive brytare, vid mottagande av 0 behålls brytaren stängd medan vid mottagande av 1 öppnas brytaren Numeriska reläskydd Tredje genearationens reläskydd är såkallade numeriska skydd. Dessa skydd innehåller en mängd olika funktioner med stora konfigurationsmöjligheter. Numeriska reläskydd är uppbyggda med hjälp av olika processer, dessa kan delas upp i insignal, logik, parametrisering och konfigurering, inspelning och display. Insignalen består av en sekundär analog signal som exempelvis ström eller spänning. Vidare filtreras insignalen med hjälp av ett lågpassfilter. Anledningen till att man filtrerar insignalen är pga samplingskriteriet, dvs A/D-omvandlaren måste sampla med minst 2 gånger per cykel av den högsta frekvensen som insignalen 34

37 antar. Signalen omvandlas sedan från analog till digital med hjälp av en A/Domvandlare. Vidare använder reläets logikprocess logikfunktioner för att avgöra om det är nödvändigt att lösa. Logikfunktionerna är bestående av ett antal algoritmer som beroende på indata analyserar om reläet ska lösa eller inte. Med dessa algoritmer kan reläet hantera olika slags komplexa funktioner beroende på vald parametrisering av användaren. Parametrisering och konfigurering kan antingen göras via enhetens display, eller vid mer avancerade inställningar genom en installerad mjukvara i PC. Konfigureringarna kan göras väldigt precisa och anpassas efter de miljöer de ska verka i. De flesta numeriska skydd har även en inspelningsfunktion (recorder). Med hjälp av inspelningen kan händelseförlopp av parameterar före och efter fel sparas, recorden visar typen av fel samt även händelseförloppet till felets uppkomst. Detta ger stora analysmöjligheter för användaren. Numeriska reläer erbjuder även en display (se figur 16), som används för att visa inställningar av reläet samt parametrar som ström och spänningsvärden osv. De flesta numeriska reläer har även mätare och kommunikationsportar, vilket gör att reläet kan kopplas till exempelvis ett SCADA (supervisory control and data acquisition) system. Vanligen kommunicerar användaren med skyddet antingen via fjärr eller fiberoptisk kabel. [7] Figur 16: Numeriskt relä. 6.4 Överströmsskydd Överströmsskydd är bland de första och vanligaste skydden som förekom i ett elnät, och som namnet antyder är överströmsskyddets uppgift att lösa för strömmar vars amplitudvärde överskrider tillåten gräns. Överströmsskydd kan ha olika utlösnings karakteristiker, antingen konstant tid eller invers tid. Ett skydd med konstant tid har ett förinställt tidsvärde för utlösning, dvs från och med skyddet detekterar ett fel måste en förinställd konstant tid löpa ut innan en utlösning kan ske (se figur 17). Har man flera skydd i serie exempelvis efter en ledning, ställer man ofta ett tidsinstervall på 0.5 sekunder mellan skyddens utlösningar. Överströmskyddet med konstant tid ställs in för två olika fall, ett för över överlast samt ett för kortslutning. För kortslutning är utlösningstiden noll, 35

38 dvs. skyddet löser momentant. Vid beräkning av inställningsvärdet för överlast används följande formel I > 1.2 I N (54) där I >=Tidsfördröjdutlösning, överlastström I N =Maximal tillåten strömbelastning på ledning På samma sätt beräknas inställningsvärdet för kortslutning genom följande formel I >> där I >>=Momentanutlösning, trefasig kortslutningsström U f =Fasspänningen för ledningen innan felet Z b =Impedans för bakomliggande nät Z L =Impedans för den skyddade linjen U f Z b + Z L (55) Nyare överströmsskydd använder sig av den andra nämnda utlösningskarak- Figur 17: Utlösningskarakteristik för överströmsskydd med konstant tid. [7] teristiken, nämligen utlösning med invers tid. Skydd med invers tid har alltså en varierande utlösningstid, där utlösningstiden blir kortare ju högre strömmen är. Skydd av typen invers tid brukar delas in i tre olika kategorier, nämligen standard inverse, very inverse och extremely inverse. Där kategorierna beskriver graden på hur snabbt utlösningstiden skall ändras med strömstyrkan. Figur 18 visar utlösningskarakteristiken för överströmsskydd med olika grad av invers tid, jämfört med en vanligt 200 A säkring. Vilken av kategorierna man väljer beror på nätutformning samt vilken selektivitetsplan man har för skydden. I stora drag så brukar reläskydd med standard inverse passa bäst i nät med varierande kortslutningseffekt, very inverse i nät med konstant kortslutningseffekt samt extremely inverse i nät där selektiviteten sker med säkringar såsom i figur 18. Observera att även strömtåligheten för en kabel har karakteristiken very inverse, 36

39 Figur 18: Utlösningskarakteristik för överströmsskydd med inverstid i förhållande till en 200 A säkring. [7] vilket också är en anledning till valet av inverskarakteristik på reläskydd i nät där mycket kabel förekommer. [12] Tiden för de olika invers karakteristikerna kan uttryckas enligt följande t = K ( I I b ) n 1 (56) där t=utlösningstiden i sekunder I=Inmatad ström till reläet I b =Inställd basström och K och n konstanter som varierar beroende på vilken karakteristik som väljs enligt följande K=0,14 och n=0.02 för standard inverse K=13,5 och n=1 för very inverse K=80 och n=2 för extremely inverse 6.5 Riktat jordfelsskydd Riktade jordfelsskydd löses ut vid inträffande av jordfel. Ett riktat jordfelsskydd mäter både jordfelsströmmen samt nollpunktsspänningen, därefter mäter den vinkeln mellan de två storheterna för att avgöra om felet ligger i fram eller backriktning. På så sätt kan skyddet avgöra om felet ligger på den befintliga 37

40 linjen, vilket är viktigt för att undvika en onödig utlösning. [7] Skyddet ställs ofta in med hänsyn till en viss övergångsresistans, för Fortums nät gäller att jordfelsskyddet skall ha en så pass bra känslighet att jordfel med övergångsresistanser upp emot 5000 ohm skall kunna detekteras. Inställningsvärdet för jordfelsskyddet kan beräknas fram genom formel (34), vilket är där I j = 3U fas Z 1 + Z 2 + Z 0 + 3Z f (57) U fas =Fasspänningen innan felet inträffade Z 1 =Plussföljds impedansen Z 2 =Minuföljds impedansen Z 0 =Nollföljds impedansen Z F =Övergångsresistans=5000 Ohm 6.6 NUS-skydd NUS står för nollpunktsspänningsskydd och även det är ett slags jordfelsskydd. Skyddet används som reserv för de andra skydden i anläggningen och löser i princip ut hela anläggningen om inte linjeskydden löser inom inställd tid, detta för att undvika faror såsom brand samt skada på kraftkomponenter. NUS-skyddet mäter kontinuerligt nollpunktsspänningen, och löser vid inställt värde. En normal rekommendation för inställning av NUS-skyddet är att NUS-skyddet skall lösa då nollpunktsspänningen uppnått ett värde på 40 procent av fasspänningen. För att inte skyddet skall lösa före de andra linjeskydden i stationen ställs det in med en viss tidsfördröjning, vilken varierar från fall till fall men ligger oftast mellan 2-5 sekunder. [12] 6.7 Samlingsskenedifferentialskydd Precis som för transformatorer kan ett differentialskydd installeras för samlingsskenor. Skyddet håller då koll på alla ingående samt utgående strömmar på samlingsskenan, skulle differensen av dessa vara skiljt från noll kommer skyddet koppla bort samlingsskenan vilket medför att alla linjer kopplas bort. Detta görs för att felet ej skall spridas vidare. [7] 6.8 Transformatorskydd Transformator differentialskydd Differentialskydd för transformatorer används för krafttransformatorer, vanligen från 10 MVA och uppåt. Skyddet jobbar enligt kirchhoffs strömlag och mäter strömmen på primär och sekundärsidan. Är skillnaden skiljt från noll skickar den en signal till en brytare för att öppna den interna kretsen. 38

41 6.8.2 Gasvakt Oljeisolerade transformatorer är utrustade med såkallad gasvakt, vilket består av givare som mäter gasutveckling från oljan. Gasutveckling kan ske exempelvis p.g.a. intäffande av överslag eller oxidation. Givarna kommer känna av om gastrycket är för högt, vilket i sin tur kommer leda till en reläutlösning Temperaturvakt Temperaturvakter mäter temperaturökningen på oljan, vid temperatur ökning kan skyddet genomföra olika åtgärder beroende på hur mycket temperaturen har ökat. Åtgärderna kan vara att starta kylutrustningen men även att koppla ur transformatorn helt vid väldigt höga temperaturer Tryckvakt Tryckvakt är ett skydd som mäter trycket i lindningsomkopplaren, skulle trycket öka för mycket sker även här en reläutlösning av transformatorn. 6.9 Selektivitet Ett vanligt förekommande ord bland inställning av reläskydd är selektivitet. Skyddsselektivitet är väldigt viktigt eftersom man endast vill att den felbehäftade anläggningsdelen kopplas bort vid inträffande av fel, och inte övriga anläggningsdelar som är felfria. Selektivitet görs genom att man skapar en så kallad selektivplan, selektivplanen visar i vilken ordning de olika skydden aktiveras. Selektiviteten ritas sedan upp i ett diagram med ström som funktion av tid enligt inställningsvärden på reläskydden. Vid god selektivitet skall diagrammet ej visa några konflikter mellan skydden. Konflikter kan märkas i diagrammet om exempelvis två linjer skulle korsa varandra. [7] 39

42 40

43 7 Nya skydd för Fs Myrängen 7.1 Krav på skydden Vid skapande av upphandlingsplan för inköp av nya skydd ställs endel krav. Skydden skall vara användarvänliga, robusta samt ha goda konfigurationsmöjligheter [14]. Skydden skall vara av den numeriska typen samt ha följande funktioner Icke riktat överströmsskydd Riktat jordfelsskydd Transienta/intermittenta jordfel Osymetriska fel Återinkoppling NUS Termisk överlast Brytar-fel/reservbrytare Ljusbågsvakt 7.2 Marknadsöversikt ABB, Siemens och Schneider-electric erbjuder ett stort urval av numeriska skydd. Skydden uppfyller ovannämnda krav gällande funktioner samt har en medföljande mjukvara för parametrisering och konfigurering. Från företagens hemsidor går det även att ladda ner mjukvaror samt manualer för att testa skyddets användarmöjlighet. Garantin ligger på mellan 5-10 år och samtliga företag erbjuder även olika lösningar gällande serviceavtal. Då de olika fabrikaten är ganska snarlika gällande funktion blir användarvänlighet den mest avgörande faktorn vid valet av fabrikat. Genom ett jämförande av numeriska skydd från de ovannämnda fabrikaten verkar ABB vara den kandidat som har bäst användarvänlighet, användarvänligheten testades genom att gå igenom manualer samt nedladdningsbara simulatorer för konfigurering. En fördel är även att skyddet från ABB redan finns installerat i ett flertal anläggningar tillhörande Fortum och är välkänt bland underhålls personal. Skyddet från ABB kan ses i figur 19 och kallas för REF615. REF615 uppfyller de ovan listade krav på funktioner, garantin är på 5 år och ett riktpris ligger på ca SEK/st inkl. provdon. En annan intressant lösning på ställverksautomation är framtaget av ett holländskt företag vid namn Locamation. Lösningen är baserad på en öppen mjukvaruplattform som ger alla verktyg som krävs för effektiv nätverksamhet och smart nätplanering. I stort sett har ställverk sett likadant ut i flera decennier, med ett reläskydd per fack osv. Ställverket från Locamation heter SAsensor och är baserat på en helt ny design, där man har ersatt reläskydden med givare. Givarna mäter kontinuerligt relevanta storheter som ström och spänning. Givarna kommunicerar sedan med två identiska datorer, varje dator redudant 41

44 Figur 19: REF615. för den andre. Kommunikationen sker med hjälp av fiberoptik, vilket ger en snabb överföring av data. Själva reläskydden eller reläskyddsfunktionerna är istället implementerade i datorernas mjukvara, vilket ger en mängd möjligheter gällande parametrisering och konfigurering. Då det är en mjukvara kan även nya reläskydds funktioner implementeras beroende på kundens önskemål. För närvarande håller Fortum på att installera ett sådant ställverk i en av sina fördelningsstationer vilket väntas bli klart till midsommar. Enligt Fortum är det de enda SAsensor ställverket i Sverige och skall användas som test inför ett eventuellt generationsskifte på ställverksautomation för Fortums anläggningar. Figur 20 visar SAsensors uppbyggnad och funktion. [13] Figur 20: Locamation SAsensor. [13] 42

45 8 Lagar, förordningar och föreskrifter Elsäkerhetsverket har tagit fram ett antal riktlinjer och föreskrifter gällande utförande av högspänningsanläggningar. Följande kan läsas ur paragraf 73 från elsäkerhetsboken. "En högspänningsanläggning skall vara utförd så, att en en- eller flerpolig jordslutning kopplas ifrån snabbt och automatiskt. Undantag gäller för en högspänningsanläggning för högst 25 kv systemspänning som inte innehåller någon luftledning. En sådan anläggning får vara utförd så, att en enpolig jordslutning enbart signaleras automatiskt. För en högspänningsanläggning i vilken det ingår en friledning i förstärkt utförande,en friledning med plastbelagda ledare eller en luftledning utförd med hängspiralkabel utan metallisk skärm skall jordfelsskydden ha högsta möjliga känslighet vid detektering av jordfel. Reläfunktionen för frånkoppling skall vara säkerställd för resistansvärden upp till 5000 ohm. För en högspänningsanläggning för högst 25 kv systemspänning i vilken det ingår luftledningar av något annat slag skall jordfelsskydden vara anordnade så att reläfunktionen för frånkoppling är säkerställd för resistansvärden upp till 3000 ohm. För spänningssättning av sådana jordade delar i anläggningar för högst 25 kv systemspänning till vilka jordslutning kan ske gäller de värden som anges nedan." [5] Den av jordfelsströmmen framkallade beröringsspänning kan beräknas enligt följande formel U = 0.15 I j l (58) där 0.15=Framtagen konstant baserad på uppmätta värden på fält I j =Totala jordfelsströmmen l=totala längden i km från fördelningsstationen till den nätstation som befinner sig längst bort på linjen. 43

46 44

47 9 Metod 9.1 Modellering av nätet För att kunna utföra beräkningar på nätet bör en representerande modell tas fram. Dels för beräkningar med nollföljd men också för beräkningar som kräver plus och minusföljds-komponenter. Figur 21 visar en nollföljdsmodellering av nätet, medan figur 22 plus och minusföljdsmodellering av nätet. Nollföljdsmodellen togs fram genom att studera vilka komponenter i nätet som har jord som referens, medan för plus och minusföljd användes en modifierad π-modell. [9] Observera att samma modell används vid beräkning av plus och minusföljdsimpedansen eftersom beloppet av dem antar samma värde. Den resulterande im- Figur 21: Nollföljdsmodellering av nätet. pedansen ur figur 14 ger nollföljdsimpedansen och ges enligt följande Z 0 1 = ( i3 Xn Rn + 1 ) 1 (59) i Xc tot där Rn=Nollpunktsmotståndets resistans Xn=Nollpunktsmotståndets reaktans 1 =Shuntkapacitans på den felbehäftade linjen jwcs 1 jwcs =Shuntkapacaitans från de övriga friska faserna =Totala shuntkapacitansen i nätet Xc tot = 1 jwcs // 1 jwcs På samma sätt ger den resulterande impendansen i figur (22) plus och minusföljdsimpedansen enligt följande Z 1 = Z 2 1 = ( 1 1 (( ix t+r b +ix b + ( i 2 Xc tot) ) 1 + R 1 nt + ix nt ) + 1 ( i 2 Xc tot ) (60) 1 ) 1 45

48 Figur 22: Plusföljd/minusföljdsmodellering av nätet. där X b =Totala induktansen från bakomliggande nät R b =Totala resistansen från bakomliggande nät X t =Transformatorns kortslutningsreaktans Xc tot =Totala shuntreaktansen i nätet R nt =Totala resistansen i nätet X nt =Totala induktansen i nätet 9.2 Beräkningar Data för transformatorer samt nollpunktsutrustning kunde avläsas vid studiebesök av Fs Myrängen, detta kan ses i tabell 1 och 2. Alla beräkningar utfördes med hjälp av mjukvarorna Matlab, Excel, DLX View samt PowerGrid. DLX View användes för lastberäkningar och PowerGrid för datainsamling av kabel och friledning, resultaten av detta kan ses i figur 23 och tabell 3. Vid beräkning av spänningssättning för nätstationer vid jordfel användes formel (58), varav resultaten visas i figur 24. I MATLAB utfördes beräkningar för kortslutning, jordslutning samt reläskyddsinställningar för momentan utlösning. Matlab koden redovisas i appendix A samt resultaten i tabell 4 och 5. Beräkning av reläskyddsinställningar för tidsfördröjd utlösning (överlastskydd) är mer komplex och saknar en konkret metodik. Många faktorer måste tas tillhänsyn såsom kabelbelastning, last, normaldriftsfall, reservdriftsfall samt sammanlagring av effekt i nätet. En utgångspunkt för att genomföra dessa beräkningar är att använda sig av driftscheman, med hjälp av scheman kan driftläget för varje station avläsas. I detta fall användes driftscheman för att visa vilka nätstationer de utgående facken i Fs Myrängen matar, vilka typer av ledningar som används samt vil- 46

49 ka omkopplingsalternativ som finns vid behov av omläggning av driftläge. För varje utgående fack i Fs Myrängen skapades en excelfil. En del av filen består av lagrad data för alla möjliga nätstationer som facket kan försörja, datan består av uppmätt last med hänsyn till sammanlagringar i nätet. Data på last för varje nätstation hämtades från Fortums egna geometriska informationssystem PowerGrid, dock visades endast maxlasten i detta system. För att inkludera sammanlagringar i nätet användes DLX View vilket är en mjukvara som visar lastvariationer på respektive fack i varje fördelningsstation. Med hjälp av PowerGrid sammanställdes maxlasten för varje nätstation på utgående linje, vidare kunde man bestämma hur stor andel i procent av maxlasten varje nätstation utgör. Med hjälp av lasten på respektive fack hämtad från DLX View, kan man avgöra lasten på varje nätstation med hänsyn tagen till sammanlagringar. Exempelvis om DLX View visar att lasten inklusive sammanlagringar på fack L3A motsvarar 380 A samt att det är framräknat att nätstation B står för 30% av den totala lasten på fack L3A, resulterar detta till att nätstation B drar 114 A. Beräkningarna måste utföras för alla möjliga driftlägen för respektive fack. Lasterna för varje nätstation användes i en annan del av excelfilen, såkallade strömflödesdelen. Strömflödesdelen skapades för att visa vilka belastningar kablar och friledningar längs utgående linje utsattes för i respektive driftfall. Data för kablar och friledninar längs sträckan hämtades från PowerGrid, belastningstabeller för respektive kabel och friledning hämtades från [7]. Genom att veta vilka strömflöden som kan uppstå på linjen för respektive möjligt driftfall, i kombination med belastningstabeller för kabel och friledning kunde inställningsvärdet räknas fram för respektive fack med hjälp av formel (54). Sammanfattningsvis är det viktigt att ta hänsyn till belastningsförmågan för hela linjen, och anpassa inställningen på överlastskyddet så att ingen kabel eller friledning längs linjen överbelastas. Detta måste undersökas för alla möjliga driftlägen för utgående linje. 47

50 48

51 10 Redovisning av data och beräkningar Figur 23: Lastkurva för Myrängen under vintern Där Y-axeln anges i Ampere och X-axeln Datum. Fabrikat Årsmodell Omsättning S n MVA S k MVA T31 ASEA / T32 ASEA / Tabell 1: Data för transformatorerna T31 och T32. Fabrikat R n A X n A T31 Spezielektra T32 Spezielektra Tabell 2: Nollpunktsutrustning för T31 och T32. 49

52 Figur 24: Beröringsspänning på utsatt del. Utgående fack R ohm/fas X L ohm/fas X c ohm/fas L3A 0,73 0, L3B 0,73 0, L3C 0,3 0, L3F 0,51 0, L3D 0,25 0, L3G 0,37 0, L3H 0,63 0, L3K 0,59 0, L3Q 0,49 0, L3U 0,27 0, Tabell 3: Framräknade impedanser för utgående fack i Myrängen. 50