Utbyte av lågspänningsställverk hos SSAB Borlänge

Transkript

1 Utbyte av lågspänningsställverk hos SSAB Borlänge En förstudie Susanna Mäntykangas Högskoleingenjör, Elkraftteknik 2018 Luleå tekniska universitet Institutionen för teknikvetenskap och matematik

2 Förord Detta examensarbete på 15p är avslutet på en högskoleingenjörsutbildning inom elkraftteknik vid Luleå Tekniska Universitet. Förstudien har genomförts hos SSAB Borlänge med inte mindre än två handledare, Jan Björk och Peter Ottosson som bistått med expertkunskap och vägledning under hela projektets gång, Stort tack! Susanna Mäntykangas SSAB Borlänge 24 maj 2018 i

3 Sammanfattning Utbyte av lågspänningsställverk hos SSAB Borlänge är titeln på examensarbetet som är en beställd förstudie inför kommande utbyte. Inför utbytet har dokumentation av befintligt ställverk skett i form av ritningar och i text beskrivet driftläge från matningspunkten belägen i Domnarvets ställverk till SSABs lågspänningsfördelning K. En kort beskrivning av befintliga och möjliga framtida skydd finns med. Långtidsmätningar på lastströmmar har genomförts. Det nya ställverket dimensionerades utefter beräkning av den trefasiga kortslutningsströmmen i anslutningspunkten i lågspänningsställverk K. De manuella beräkningarna verifierades med hjälp av nätberäkningsprogrammen NETKOLL och EL-VIS. Litteraturstudier och studiebesök hos ställverksleverantör har genomförts för att ta fram och specificera tekniska data som ligger till grund för beställningsunderlaget. Eftersom man upplevt problem med störning från vissa laster genomfördes en uppdelning av lasterna på olika transformatorer. Transformatorernas nuvarande placering innebär ökat slitage på grund av dammig, korrosiv miljö i produktionslinjen. Genom att placera transformatorerna i ställverksrummet fås en bättre miljö för dessa. Dimensionering av nya transformatorer utfördes. Arbetet resulterade i ett förslag på beställningsunderlag av lågspänningsställverk enligt teknisk specifikation, förenklat enlinjeschema och layout för ställverk och ställverksrum. Detta inkluderar ny uppdelning av laster samt omplacering och utbyte av transformatorer. Specifikationen innehåller bland annat skensystemets kortslutningshållfasthet, jordningssystem, skydd, elkopplare och riskvärdering. ii

4 Innehåll 1 Terminologi Introduktion Bakgrund Mål och omfattning Metod Resultat Teori Brytare för hög- och mellanspänning Vakuumbrytare... 3 SF 6 -brytare Elkopplare för mellan- och lågspänning Effektbrytare... 3 Nuvarande elkopplare i lågspänningsställverk K Val mellan säkring och säkringsfri teknik Kortslutningsberäkningar Symmetrisk 3-fasig kortslutning... 6 Stötström Metod Dokumentation Mätning av lastströmmar Beräkningar Verifiering av beräkningar Omfördelning av laster på transformatorer Omplacering och utbyte av transformatorer Val av ställverk Skåpslayout Riskvärdering Resultat Dokumentation... 9 iii

5 Dokumentation av SSABs elnät på hög- och mellanspänningsnivå... 9 Beskrivning av lågspänningsställverk K Mätdata lastströmmar Total lastström Beräkningar Beräkning av kabelimpedanser Beräkning av Ik3 vid befintlig placering av transformator Beräkning av Ik3 vid föreslagen placering av transformator Sammanställning av beräkningsresultat för Ik Omfördelning av laster på transformatorer Omplacering av transformatorer Nya transformatorer Val av Ställverk Skensystemets kortslutningshållfasthet Jordningssystem Säkringar vs. säkringsfri teknik Huvudbrytare Utgående grupper Skyddsklass Överspänningsskydd, Jordningskopplare, Ljusbågsvakt Mätutrustning Skåpslayout Ställverksrummet Riskvärdering Föreslagen specifikation av lågspänningsställverk K Diskussion och slutsatser Kabelförband Beräkningar Alternativ dimensionering av kortslutningshållfasthet Drift av transformatorer och laster iv

6 6.5 Strömmätning Säkringsfri teknik Utrymmeseffektivt Personskydd Fortsatt arbete Referenser Bilaga A. Enlinjeschema för fördelning K från Bilaga B. Utskrift från loggsystem för transformator T405, effekt och energi för Bilaga C. NETKOLL Ik3 för befintlig transformatorplacering Bilaga D. NETKOLL Ik3 för föreslagen transformatorplacering Bilaga E. Verifiering av beräkningar med EL-VIS Bilaga F. Mall som användes för Riskvärdering [9] i avsnitt v

7 1 Terminologi Beställare DOS Fördelning HSP LSP MSP KC Ik 3 I s Sk 3 S n U f u k U n U sek Z Anläggningsägare elnät SSAB Domnarvets ställverk (Ägare Ellevio) Ställverk (inomhus) Högspänning Lågspänning Mellanspänning Kapslad Central (inkapslad kopplingscentral) 3-fasig kortslutningsström Stötström 3-fasig kortslutningseffekt Märkeffekt Fasspänning Kortslutningsimpedans Nominell huvudspänning Sekundärspänning Impedans 1

8 2 Introduktion 2.1 Bakgrund På uppdrag av SSAB skall ett nytt lågspänningsställverk projekteras. Den gamla fördelningen är från 60-talet och inte längre uppdaterad vad gäller personskydd och dimensionering. Nuvarande dokumentationen består av en ritning från 1965, figur 17 i bilaga A. Ställverket är påbyggt i olika etapper under 70-talet, men detta saknar helt dokumentation. Lasterna som ställverket en gång dimensionerades för har ändrats, främst genom borttagning av vissa laster pga. ändrade produktionsförhållanden. Lågspänningsställverket matas av två transformatorer som i dagsläget är placerade i en produktionslokal där miljön är korrosiv. Man har upplevt problem med att vissa laster som matas från ställverket orsakar störningar och att vissa laster är känsliga för störningar. Som följd av detta fås stopp i valsslipningsprocessen. Genom en uppdelning av lasterna på var sin transformator istället för att som i dagsläget mata samtliga laster från en transformator uppnås jämnare produktion. 2.2 Mål och omfattning Målet med förstudien är att, för SSABs räkning, ta fram ett beställningsunderlag för nytt lågspänningsställverk. För att ta fram detta underlag krävs först dokumentation av det gamla ställverket såsom laster och skydd, men även dokumentation av driftläge och framförvarande nät. Som del i beställningsunderlaget ingår även följande i förstudien: Dimensioneringsberäkningar för kortslutningshållfasthet Genomgång av gällande standarder för lågspänningsställverk och studie av ställverksmanualer Jordningssystem Skydd Elkopplare Mätutrustning Layout av skåp och ställverksutrymme Riskvärdering Förenklade ritningar på en övergripande nivå tas fram för framtida intag av offerter och vidare diskussion angående utbyte av ställverket. Undersökning angående eventuell omplacering och utbyte av transformatorerna i samband med ställverksbyte gjordes via fysisk undersökning på plats. Strömmätning på laster genomfördes med huvudsyfte att dokumentera lasterna. Att dela upp lasterna på olika transformatorer för jämnare drift var en del av uppdraget. Selektivitetsplan och inställning av skydd ingår inte i denna förstudie. 2.3 Metod För att få en förståelse för hela nätet från matningspunkten i Domnarvets ställverk till berörda lågspänningsställverk K genomfördes studier av enlinjescheman och aktuellt kopplingsläge i kombination med fysiska besök på plats. Detta låg sedan till grund för dokumentation i form av ritningar och text, se avsnitt 5.1. Förutom elektrisk dokumentation i AutoCAD enligt figur 10 gjorde även en layout på befintligt utförande av ställverket med måttangivelser samt mått på lokal av utrymmesskäl enligt figur 9. Långtidsmätningar av ström på utgående grupper i lågspänningsställverket gjordes i form av 24h strömmätning av RMS-värde för verifikation av laster, 2

9 se tabell 1. Beräkningsfasen startade med framtagning av aktuellt kabeldata se avsnitt Trefasig kortslutningsström beräknades i varje punkt från Domnarvets ställverk (DOS) ned till SSABs lågspänningsställverk K, avsnitt Beräkningarna gjordes för hand och verifierades med hjälp av dataprogrammen NETKOLL och EL-VIS, se tabell 3. Val och dimensionering av ställverk, avsnitt 5.5 genomfördes med dokumentation, mätningar och beräkningar som grund samt studier av litteratur, studiebesök och gällande standarder. 2.4 Resultat Dokumentation över befintligt ställverk togs fram i form av CAD-ritningar se figurerna 9, 10 och 11. Den 3-fasiga kortslutningsströmmen beräknades till 32 ka och ställverket valdes därefter att dimensioneras för 50 ka. Som överströmsskydd valdes plug-in monterade isolerkapslade effektbrytare för utgående grupper och luftbrytare för inmatningsenhet. Övriga skydd är fast jordningskopplare och ljusbågsvakt. Mätning av spänning, ström och energi skall ske på inkommande matning samt på flertalet utgående grupper. Layout av befintligt och nytt lågspänningsställverk skissades upp som del i beställningsunderlaget, där ingick även layout för ställverksrummet med samtliga befintliga och planerade ställverk och transformatorer inritade, se figur 16. Förslag på ny placering av transformatorer, utbyte av dessa samt uppdelning av laster presenteras i resultatdelen med text, layout och förenklat enlinjeschema. 3 Teori Teoriavsnitten brytare 3.1 och elkopplare 3.2 tar upp olika slags elkopplare och symboler som förekommer eller kan bli aktuella i den del av SSABs anläggning som projektet inriktats mot, det vill säga från Domnarvets ställverk till lågspänningsfördelning K. Kortfattad teori och beräkningsmetod för kortslutningsström och stötström finns med som teoridel. 3.1 Brytare för hög- och mellanspänning Vakuumbrytare Vakuumbrytare är vanliga upp till spänningen 36 kv. De är något dyrare än SF 6 -brytare men har mycket längre revisionsintervall och lämpar sig därför vid tidsmässigt täta till-/från kopplingar. På grund av den slutna brytkammaren, varifrån luft evakueras, är den lämplig i korrosiv och explosiv miljö [1]. Vakuumbrytare förekommer även i form av brytare med frånskiljarfunktion, även kallad kassettbrytare SF 6 -brytare I SF 6 -brytare används svavelhexafluorid för att släcka ljusbågen. Svavelhexafluorid är en konstgjord ädelgas med mycket hög isoleringsförmåga och termisk och kemisk stabilitet. För att åstadkomma gasflödet i brytaren används tekniker som mekanisk kolv, en äldre metod, eller att utnyttja ljusbåges energi för att erhålla flödet av SF 6. Nu för tiden används ofta en kombination av dessa tekniker [11]. 3.2 Elkopplare för mellan- och lågspänning Effektbrytare Effektbrytare i lågspänningsställverk ger en snabb bortkoppling av laster även vid låga felströmmar och fungerar då som kortslutningsskydd med momentan utlösning [1]. Den fungerar även som skydd mot överlastström via långtids utlösare där ström och tid ställs in enligt önskemål [25] och är ofta 3

10 inmatningsenhet i ett lågspänningsställverk [5]. En strömbegränsande effektbrytare klarar att släcka ljusbågen som uppkommer vid brytning innan strömmen når sin första nollgenomgång. En icke strömbegränsande brytare klarar inte detta utan det dröjer till nollgenomgången, dvs. några ms längre tid, innan den orkar släcka ljusbågen [5]. Effektbrytare med strömbegränsning ger en betydligt lägre felström. Vanligt förekommande effektbrytare är: Luftbrytare, ACB (Air Circuit Breaker). Finns som strömbegränsande och icke strömbegränsande med olika bryttider. ACB kan stå emot högre kortslutningsströmmar under längre tid än MCCB [5]. Isolerkapslad Effektbrytare, MCCB (Molded Case Circuit Breaker). Finns som strömbegränsande och icke strömbegränsande med olika bryttider [5]. Dvärgbrytare, MCB (Miniature Circuit Breaker) är en typ av mindre effektbrytare för strömmar upp till 125 A [5]. Figur 1. Två olika symboler för effektbrytare Figur 1 visar två olika vanligt förekommande symboler för effektbrytare. Den ena med enbart ett större kryss och den andra med ett mindre kryss i kombination med traditionell brytarsymbol. På olika el ritningar finns olika symboler som beskriver samma funktion, vilket kan orsaka problem. I detta arbete har symboler som tidigare använts i SSABs dokumentation använts, för att undvika missförstånd har symbolernas funktioner beskrivits för lågspänningsdelen vilka sammanfaller med SS EN [22]. Då flera olika aktörer bidrar med ritningar så finns flera olika symboler för samma sak, för att inte tala om företagets 140-åriga historia vilket bidrar till att ritningarna varierar Nuvarande elkopplare i lågspänningsställverk K Brytare dimensioneras för att kunna bryta kortslutningsströmmen. Symboler för brytare, lastbrytare och lastfrånskiljning förekommer i figur 2. Brytare skall klara inkoppling av stötström [22]. Lastbrytare skall klara att sluta och bryta normal belastnings ström [12] och ofta även en förhöjd belastningsström kan uppstå t.ex. vid motorstart. Lastfrånskiljare, figur 2, är en kombination av lastbrytare och frånskiljare som klarar att bryta normal belastningsström men inte kortslutningsström, den kompletteras ofta med högeffektsäkring för bortkoppling av kortslutningsströmmar. 4

11 Figur 2. Symboler för brytare, lastbrytare och lastfrånskiljare Säkringsfrånskiljare, illustrerad i figur 3, innebär frånskiljning med säkring, då ofta knivsäkring. Säkringslastbrytare, vars symbol återfinns i figur 3, klarar att bryta belastningsström och i vissa fall även kortslutningsström beroende på produkt, men saknar frånskiljningsfunktion. Frånskiljning av kontaktytor i spänningslöst läge symboliseras av sista symbolen i figur 3. Figur 3. Säkringsfrånskiljare, säkringslastbrytare och frånskiljarsymbol. 3.3 Val mellan säkring och säkringsfri teknik Som skydd för kablar gäller det först och främst att välja mellan säkringar eller säkringsfri teknik som effektbrytare för lågspänning. Ur personsäkerhetsaspekt utgör byte av knivsäkring en viss risk för person och miljö [2]. Personsäkerheten ökar vid användning av moderna säkringshållare. Säkringar måste bytas efter överlast för att fungera som fullgott överströmsskydd. Effektbrytare är lättare att återställa efter utlösning på grund av kortslutning men kräver service vid varje sådant tillfälle [17]. Synligt brytställe erhålls genom att ta ut säkringen eller för effektbrytare genom att välja plug-in, borttagbara eller kassettmonterade brytare [9]. Plug-in system ger ett synligt brytställe då brytaren tas ur sockeln, vilket endast kan ske i strömlöst läge [24]. Krav på synligt brytställe vid arbete på anläggning finns enligt SS [19] avsnitt där synligt luftgap mellan kontakter krävs. Alternativ till synligt luftgap är tydlig och varaktig markering av frånläget, effektbrytaren måste då ha en godkänd sådan funktion och markering. En skillnad gällande säkerhet är risken för enfasigt säkringsbrott vid enfasigt fel som föreligger vid användning av säkringsteknik. Allpolig utlösning vid enfasfel fås med hjälp av effektbrytare och ger därmed lägre brandrisk [4]. Säkringslös teknik i form av MCCB ger fler inställningsmöjligheter för överlastskydd och kortslutningsskydd, med eller utan tidsfördröjning [5]. Utlösning kan ske snabbare och vid lägre felströmmar med MCCB jämfört med säkring. Säkringar ger ett sämre överlastskydd eftersom de inte går att ställa in exakt med avseende på ström och tid, vilket är möjligt med effektbrytare. Att uppfylla frånkopplingstider enligt gällande regelverk SS [19] är inte något problem med någon av teknikerna [7]. Enligt manual från tillverkare [24] så krävs omfattande underhåll av effektbrytare. Dels krävs service i samband med och strax efter installation, sedan vartannat år tom år 5 och därefter varje år. 10 år efter installation rekommenderar tillverkaren underhåll varje månad. Underhållet måste skötas av utbildad personal och innefattar bl.a. funktionstester och resistansmätningar [24]. Kostnad för säkringslastbrytarna är 50-70% av kostnaden för effektbrytare av MCCB typ [9] exklusive servicekostnader. 5

12 3.4 Kortslutningsberäkningar Symmetrisk 3-fasig kortslutning 3-fasig kortslutningsström fås vid stum 3-fasig kortslutning och är den högsta möjliga strömmen i anläggningen och är termiskt dimensionerande för ställverket [8]. Den maximala effekten från elleverantör i matningspunkt används i beräkningarna. Ik 3 = Sk3 3 Un (1) Ik 3 = Un = Uf 3 Z Z (2) Sk 3 = Un2 Z (3) För transformator gäller Z = u k U 2 S n (4) Sk 3 = S n u k (5) Stötström Stötströmmen I s är den högsta momentana ström som kortslutningsströmmen kan anta under insvängningsförloppet. Den kan vara dubbelt så stor som kortslutningsströmmen och orsakar stora mekaniska krafter pga. ökat magnetfält runt ledarna [8]. Stötströmmen, som är ett toppvärde, beräknas via en faktor på 1,5-2,2 multiplicerat med Ik3 beroende på storleken av Ik3 enligt IEC tabell II som återfinns i avsnitt 7.3 i SS [22]. 4 Metod 4.1 Dokumentation Dokumentation av SSABs interna nät och matningen från Domnarvets ställverk skedde via studier av ritningar i kombination med besök på plats för uppritning av förenklade enlinjescheman och beskrivning i text. Detta för att beskriva aktuellt driftläge vid genomförande av projektet eftersom omläggning av driften sker vid t.ex. underhåll och ombyggnad av elnätet kan komma att ske i framtiden. För definition av låg-, mellan- och högspänning har SS EN [20] använts, där gränsen för mellanspänning är 1-36 kv. För att kunna göra ett underlag för byte av lågspänningsställverk K måste befintligt ställverk och laster först dokumenteras. Vid förstudiens start fanns viss dokumentation över fördelning K i form av ritningar gjorda för hand från 1965, se figur 17 i bilaga A. Senare påbyggda fack 01, längst bort i figur 6, och påbyggda fack mitt emot S1.F16-18, figur 8, saknade helt dokumentation. Fotografering och undersökning på plats gjordes för att se vilka fack och grupper som var inkopplade och i drift och 6

13 vilka som var frånslagna och inte användes, samt för verifiering av att märkning, skyltning och skydd stämde överens med verkligheten. Intervju med anställda på arbetsplatsen [14] var en ytterligare metod. Ett enlinjeschema ritades upp med hjälp av AutoCAD med aktuell dokumentation över hela K inklusive påbyggda fack och grupper se figur 10. Befintligt och nytt ställverk dokumenterades även via skåpslayout för planering och beställning se figurerna 9, 15 och Mätning av lastströmmar För att dokumentera lasternas strömförbrukning gjordes strömmätningar på samtliga inkopplade grupper i fack S1.F16- S1.F18 och i fack 01, vilka återfinns i figurerna 6, 9, 10. Mätningar i ursprungliga delen av fördelning K, se figurerna 6, 9 och 10, gjordes inte då säkerhetsrisker förelåg som t.ex. spänningsförande delar i fack/kabelskåp. Strömmätningar på lasterna enligt tabell 1 gjordes under ett minimum av ett dygn för att sedan registrera det högsta förekommande RMS-värdet. Långa mätingar krävs bland annat pga. att flertalet laster är intermittenta, som t.ex. traverserna. Genom mätningar över minst ett dygn per last bör man ha fått med de flesta olika förekommande lyft- och viktkombinationerna som kan förekomma bland olika laster som t.ex. traverser. Mätinstrumentet som användes var Fluke 435 II med Rogowski spole [27]. Mätinstrumentet Fluke 435 II har flera avancerade energi- och elkvalitetsanalyseringsmöjligheter. Under denna mätning användes dock enbart strömmätning. En stor fördel var långtidsanalysen vilken gjorde det möjligt att mäta kontinuerligt under en längre tid. Inställningar gjordes för att spara 1 sekunds, (50 perioders) RMSvärden. För att mäta lasternas strömmar utan att behöva bryta kretsen, vilket inte var möjligt då produktionen ständigt är i gång, så gjordes mätningarna med Rogowski spolar. Rogowski spole är ett specialfall av strömtransformator där själva spolen lindas kring ledaren där strömmen avses att mätas. När spolarna placeras runt en ledare med växelström induceras en spänning i spolen, spänningen integreras via förstärkare för att få fram strömvärdet [27]. Resultat av strömmätningarna återfinns under resultat i tabell 1 där högsta RMS-värdet presenteras. För 6 av belastningarna, traverser och slipmaskiner uppstod felaktiga mätvärden, även kallat uteliggare. Dessa mätningar filtrerades i Excel och uteliggarna togs bort från mätningarna innan högsta RMS-värdet registrerades. 4.3 Beräkningar För beräkning av den mekaniskt och termiskt dimensionerande trefasiga kortslutningsströmmen beräknades först kabelimpedanser. Datablad för kablar letades fram i arkiv på SSAB. Kabellängder beräknades utifrån SSABs interna webbkarta med mätfunktion. Den trefasiga kortslutningsströmmen beräknades utefter sämsta läge, d.v.s. det driftläge som gav störst kortslutningseffekt. Det är också detta kopplingsläge som är det normala, i övriga driftfall blir kabelvägen längre och kortslutningsströmmen lägre. Delkortslutningseffektsmetoden [8] användes då denna underlättade verifiering via beräkningsprogram. Impedansvinklar har inte tagits hänsyn till. Angivna data i matningspunkten i DOS är från Ellevio uppgivna till kortslutningsimpedans 4,628 Ω och maximal kortslutningseffekt 4357 MVA Verifiering av beräkningar För kontroll och verifikation av de manuella kortslutningsberäkningarna användes dataprogrammet NETKOLL [7] som är ett program för anläggningsdimensionering på hög- till lågspänningsnivå. Data för kablar, brytare och transformatorer från ABB finns i programmet, som följer gällande standarder. Programmet kan även användas för beräkning av bland annat frånkopplingstider och selektivitet. Dessa funktioner har inte använts i detta arbete så utskrift av dessa får bortses ifrån. Den 3-fasiga kortslutningen beräknas som stum kortslutning, spänningen vid felstället antas lika med noll, vid 7

14 ledningstemperatur 20 C. I matningspunkten i Domnarvets ställverk, DOS, matas den trefasiga kortslutningseffekten från leverantören, i detta fall Ellevio, in. Transformatorer lades in med tillgängligt märkdata såsom märkspänning, märkeffekt, kopplingsart, och kortslutningsspänning. Beteckningen P b står för belastningsförluster och P 0 för tomgångsförluster, dessa sattes till värden av NETKOLL enligt tabell med data från ABBs standardtransformatorer. Beteckningen U 0 är ett referensvärde för spänningsfall i efterföljande knutpunkter och sätts automatiskt till nedsidans märkspänning. För ledningar anges material, areor, längd och antal parallella ledare. Beräkningsresultat från NETKOLL återfinns i bilagorna D och E. För ytterligare verifiering på lågspänningsnivå användes även programvaran EL-VIS som enligt tillverkaren [6] är ett av Sveriges mest använda program för kabeldimensionering och utför beräkningarna enligt Svensk standard. Eftersom EL-VIS är ett program för beräkning på lågspänningsnivå så togs värden från manuella beräkningen och matades in i anslutningspunkten. EL- VIS hade en maxnivå på 6 parallella kablar, så därför användes 6 st parallella 240 mm 2 kablar istället för 8 st parallella 185mm 2. Detta gav en skillnad i total area på mindre än 3%. 4.4 Omfördelning av laster på transformatorer För omfördelning av laster på transformatorer utgicks främst ifrån intervju med anställda på SSAB Borlänge [14]. Placering av transformatorer sågs över på plats genom fysiska besök och nytt förslag på placering togs fram efter uppmätning av ledigt utrymme i ställverkslokal. 4.5 Omplacering och utbyte av transformatorer I samband med omplacering av transformatorer på grund av dåligt klimat vid nuvarande placering skall dessa bytas ut till nya. Vid dimensioneringsberäkning på transformator som behövs i nya ställverket användes kontinuerlig effektmätning från loggsystem till T405, se bilaga B. Den maximal aktiva effekten under 2017 var registrerad till 624 kw och medeleffekten till 338 kw enligt bilaga B. Vid dimensioneringsberäkning av skenbar effekt, S n, används maxeffekt och cosφ sätts till 0, Val av ställverk För val av ställverk med avseende på skensystemets kortslutningshållfasthet, jordningssystem, skydd, elkopplare och riskvärdering har handbok från Ställverksleverantör [9] och Skogsindustriernas teknik AB SSG 4151 [18] använts i första hand. Beräkningar och behovsundersökning via intervju [14] var ytterligare metoder som användes i kombination med studiebesök hos ställverkstillverkare [10]. 4.7 Skåpslayout Ställverksfack finns i några olika storlekar beroende på utrustning och placering av skenorna. Vid planering av skåp till nya ställverket användes måttangivelser för olika skåpmoduler från [9]. Modulerna M är 192 mm. Bredd och höjd för olika komponenter som t.ex. effektbrytare anges i storlek 2M 1M. Även djup specificeras i M. Storleken på modulen M varierar något mellan olika leverantörer. 4.8 Riskvärdering En riskvärdering gjordes av befintligt ställverk enligt mall från leverantör [9]. Värderingen är uppbyggd av 8 olika delar med 1-9 punkter per del, se bilaga F a och F b. Värderingen ger minuspoäng vid hög risk, som t.ex. utgående grupper som saknar synligt brytställe ger -5 p. Vid summering av poängen fås en värderingssumma som kan tjäna som vägledning när ställverket skall bytas ut. Mer än 35 minuspoäng betyder att ställverket skall vara utbytt inom 5 år [9]. 8

15 5 Resultat 5.1 Dokumentation Avsnitt och underliggande avsnitt utgår ifrån figur 4 och figur 5 som beskriver aktuellt kopplingsläge vid tidpunkt för uppdraget. Enligt figuren finns alternativa matningar till mellanspänningsfördelning K som kan bli aktuella vid reparationer och service, i detta projekt behandlas dock normalt kopplingsläge i text och figurer. Dokumentation av laster och transformatorer behandlas i avsnitt 5.4, 5.5 och Dokumentation av SSABs elnät på hög- och mellanspänningsnivå Figur 4. Översikt av Ellevios ställverk på högspänningsnivå samt matningar till SSABs högspänningsställverk DJH och DJV (blå text). Ofylld fyrkant avser öppen brytare, romber avser frånskiljare Domnarvets ställverk Ellevios 130 kv ställverk med nominell spänning 142 kv utanför området har en A och en B-skena. Till samlingsskenorna kommer 3 inkommande luftledningar, en från Repbäckens ställverk, en från Bullerforsens kraftstation och en från Långhags kraftstation samt en kabel från Repbäcken, se figur 4. Från ställverket, även kallat DOS för Domnarvets ställverk, går 3 matningar till SSAB. Två av matningarna, DJH och DJV går till utomhusställverk för högspänning, figur 4 och figur 5. DJH är ansluten till både A och B-skenan medan DJV endast är ansluten till A-skenan. Den tredje matningen DJÖ går till östra sidan och är ansluten till DOS B-skena. Manövrering av matningarna DJV, DJH och DJÖ sker av Ellevio på Domnarvets ställverk via kombinerad brytare och frånskiljare med SF 6 som släckmedium. 9

16 Figur 5. Översikt av SSABs nät på hög- och mellanspänningsnivå. Ofylld fyrkant avser öppen brytare DJH, norra sidan, Varmvals Inmatning till DJH-ställverket, grönt i figur 5, sker via kabel från Ellevio. De 2 huvudtransformatorerna T21 och T22 transformerar ned spänningen från 142 till 10,5 kv. T22 matar större delen av mellanspänningsfördelning Y, blå i figur 4, som försörjer Färdigverkens valsning med energi och T21 matar del av fördelning H, gul i figur 5, samt en mindre del av Y och förser valsparet benämnt förparet med elkraft. Transformatorerna är oljetransformatorer med märkeffekt 63 MVA. Vid behov som t.ex. underhåll på T21 eller T22, kan matning till hela Y och H ske via en av transformatorerna. Det ligger 6 stycken ställverk på mellanspänningsnivå under högspänningsställverket DJH i normalt kopplingsläge DJV, västra sidan, Kallvals DJV ställverket är anslutet till DOS A skena medan DJH är ansluten till både A- och B-skenan. Via kabelförbindelse, grön i figur 5, mellan dessa två högspänningsställverk möjliggörs strömförsörjning även vid bortfall av någon av de två matningarna från Ellevio eller bortfall av A- eller B-skenan på Domnarvets ställverk. Vid DJV och DJH-ställverken finns enbart frånskiljare. Huvudtransformatorerna T51 och T52 med märkspänning 145/10,5 kv transformerar ned spänningen till mellanspänningsnivå och matar var sin del av fördelning V, rosa respektive ljusblå i figur 5. T51 har en märkeffekt på 63 MVA och T52 är på 52 MVA, båda är oljetransformatorer. Vid behov kan T51 och T52, var för sig via omkoppling med hjälp av vakuumbrytare med frånskiljarfunktion, även kallad kassettbrytare, mata hela fördelning V. Från fördelning V går matning till ytterligare 6 st 10,5 kv ställverk. Dessa står för allmän kraft till kallvalsverkens område, elkraft till betsträcka 2-3, kontinuerliga glödgningslinjen samt delar av varmvalsverken. Delen av fördelning V som matas via T52 kraftförsörjer tandemverkets huvudmotorer. Under fördelning V ligger mellanspänningsställverk K, figur 5, och under detta ligger lågspänningsställverk K som denna förstudie behandlar. Alternativa matningar till K kan ske via DJH och DJÖ enligt bruna och blå linjer längst ned i figur 5 via H. 10

17 DJÖ, östra sidan, tidigare beläggningslinjer Matning DJÖ från Ellevio går till östra sidan direkt till huvudtransformator T41, 145/10,5 kv, 40 kva, oljetransformator och sedan vidare till 10,5 kv fördelning Ö, bruna linjer och symboler i figur 4. Från inomhusställverket Ö matas 4 st 10,5 kv fördelningar på östra sidan. Beläggning vid färg- och galvningslinjerna på östra sidan matas inte längre då produktionen flyttat till Finland, kraftmatningen är därför begränsad till allmän kraft på östra sidan samt reningsverket på norra sidan. Fördelning M, brun i figur 4, är förbunden via kabel med 10,5 kv ställverken Z och B, brun respektive rosa i figur 4, för alternativ matning av västra och norra sidan. Fördelning Ö har även en reservmatning benämnd DNA från Fortums 10,5 kv ställverk. SSABs totala mängd mellanspänningsställverk, 10,5 kv, uppgår till 16 st och mängden lågspänningsställverk är ca 320 st. För säkerhetskretsar i dessa finns ca 30 st 110 V likspänningsanläggningar. Antalet 10 kv transformatorer är 151 st i drift, utav dessa är ca 70 % från 1982 eller tidigare, den äldsta är från Totala längden 10,5 kv kabel i kulvert och mark är ca 53 mil Beskrivning av lågspänningsställverk K Ställverksutrymme K inrymmer både mellan- och lågspänningsställverk K. Lågspänningsfördelning K, som behandlas i denna förstudie, se figurerna 6, 8, 9 och 10, är uppsatt på 50-talet. Stålverket har sedan dess genomgått en hel del utveckling bland annat med avseende på laster och effektuttag men även nedläggning av linje för tillverkning av bilplåt/ karosseri på 70-talet. Lågspänningsställverket K, 525 V, matas från mellanspänningsställverk K, 10,5 kv, via torrtransformator T405 med reserv T406, märkeffekt 2 MVA, kopplingsart Dyn11 från Dessa transformatorer syns i figurer 7 och 14. I ursprungliga delen av fördelning K, se figur 6, sitter frånskiljare i serie med strömtransformator och lastbrytare enligt figur 10. Figur 6. Lågspänningsställverk K. Längs bort i bild anas påbyggt fack

18 Figur 7. Förenklat enlinjeschema från DOS till LSP ställverk K. På fördelning K finns 3 st påbyggda fack som matas från fack K 8, de benämns S1.F16 - S1.F18, figur 6, 8, 9, 10. Till dessa fack är laster som t.ex. traverser och slipmaskiner för valsslipning kopplade. 10 av de 11 inkopplade grupperna är kopplade till säkringsfrånskiljare bestående av knivsäkring A i serie med brytare. Till lasten Slipmaskin Pomini 3, i fack S1.F18, är en effektbrytare, MCCB modell SACE S6N från ABB kopplad. Den har 630 A märkström och 690 V märkspänning, kortslutningsström är 20 ka. Ytterligare en utbyggnad finns i form av ett extra fack placerat före fack 1, detta benämns fack 01, vilket syns i figurerna 6, 9 och 10. Fack 01 innehåller 4 inkopplade grupper försedda med säkringslastbrytare, se figur 10T. Fack 13 i figur 8 visar typisk interiör i fack 1-17 i den ursprungliga delen av ställverket. Högst upp i bild syns frånskiljare sedan brytkontakter med släckkammare och nedanför dessa till- och frånslagsmekanism samt längst ned inställning av överströmsskydd. 12

19 Figur 8. Till vänster återfinns påbyggd del av lågspänningsställverk K bestående av inkommande fack samt fack S1.F16 - S1.F18. Till höger bild av interiör fack 13. Figur 9. Skiss, skåpslayout lågspänningsställverk K, fack samt fack S1.F16-18, mått i cm. 13

20 Figur 10. Enlinjeschema över LSP fördelning K. 14

21 5.2 Mätdata lastströmmar Nedan i tabell 2 följer en sammanställning av mätresultat för 24h strömmätningarna i tabellform. Mätvärden togs som högsta RMS-värdet. Lasterna återfinns i enlinjeschema figur 10. Strömmar inom parentes avser storlek på gruppsäkring. Tabell 1. Strömmätning på laster i LSP fördelning K. Last med befintlig säkringsstorlek Uppmätt ström Fack S1.F16 Matning av traverslinje tandemhallen (500A) Matn. 525V central B1 Hall 8 pelare N 11 (150A) Valsslipmaskin Pomini 2 (250A) Matn. 525V central B1 Hall 3 pelare C 20 Byggn 415 (160 A) Matn. 525V central C 6 Oljekällare Tandem (125 A) Okänd Last (63A) 380A 20 A 70 A 140 A 20 A 25 A Fack S1.F17 Travers 375 Hall 7 Säkr. (400 A) Travers 371 Hall 4 Säkr. (400 A) Matn. Kc slipvätskerening Hall 6 vid Dörr Förd K Säkr. (80A) Valsautomat kran 510 Hall 6 Säkr.(125A) 280 A 130 A 55 A 45 A Fack S1.F18 Matn. Slipmaskin Pomini 3 Säkr. (650 A) 75 A Fack 01 Evakueringsfläkt för ställverksutrymmen Tandem (200 A) Central under slipmaskin (200 A) Matning Glustina 1 Säkr (250 A) 1 A (ej i drift) 35 A 65 A. 15

22 Figur 11. Exempel på strömmätning av intermittent last. Del av mätning på Valsautomat kran 510 och sedan flytt av mätare till Slipvätskerening som är en mindre intermittent last. Röd kurva visar högsta RMS-värde, svart kurva genomsnittligt RMS-värde. Skala är horisontellt 1 timme per kolumn och vertikalt 40 A per rad Total lastström Det finns även ett loggsystem för mätning av effekt vid transformator T405 och T406, se bilaga B. Loggsystemet visar medel effekt 2017 på 338 kw och maxeffekt på 625 kw. Vid cosφ = 0,8 motsvarar detta 805 resp A som total lastström för samtliga laster på lågspänningsfördelning K 5.3 Beräkningar Vid beräkning av Ik 3 användes data från figur 12 som är en skiss från Domnarvets ställverk till lågspänningsställverk K. Figuren visar driftläge med befintlig och föreslagen transformatorplacering. Figur 12. Skiss från Domnarvets ställverk till lågspänningsställverk K, befintlig lösning till vänster samt föreslagen placering av transformator till höger, då utan kablarna K 3 och K 4. 16

23 5.3.1 Beräkning av kabelimpedanser Kapacitiva reaktanser försummas. För kabel K 1 användes driftimpedans vid 20 C och symmetrisk last för AKKJ ur tabell från SS [22] eftersom datablad för denna kabel inte fanns tillgängligt. Kabeldata för övriga kablar hämtades från SELGA [16] där högsta tillåtna resistans och induktans användes för pappersisolerad kopparkabel. Induktiva reaktansen för kabel beräknas enligt X L = ω L l (6) Och impedans för kabelförband beräknas enligt Z = R2 + X2 L n där n betecknar antalet parallella kablar (7) Tabell 2. Kabeldata Kabel A R L X L l (m) X L n Z (Ω) (mm 2 ) (mω/m) (mh/km) (mω/m) (mω) K ,1 0, ,30 1 0,136 K ,193 0,31 0, ,35 4 0,0135 K ,193 0,31 0, ,17 1 0,0270 K ,0991 0, ,21 8 0, Beräkning av Ik 3 vid befintlig placering av transformator Inmatningspunkt, Domnarvets ställverk Sk 3DOS = 4357 MVA U n = 142 kv Ik 3 = Sk 3DOS 3 U n = = 17, 72 kv (8) Kabel K 1 Sk 3K1 = U n 2 = Z 0,136 = MVA (9) HSP Fördelning DJV Sk 3DJV = Sk 3DOS Sk 3K1 Sk 3DOS + Sk 3K1 = Ik 3 = Sk 3DJV 3 U n = = 4233 MVA (10) = 17, 21 ka (11) 17

24 Transformator T51 Sk 3T51 = S n u k = 63 0,085 = 741,2 MVA (12) U sek = = 10,772 kv (13) MSP Fördelning V Sk 3V = Sk 3DJV Sk 3T ,2 = = 630,8 MVA (14) Sk 3DJV + Sk 3T ,2 Ik 3 = Sk 3 3 U sek = 630,8 3 10,772 = 33, 81 ka (15) Kabel K 2 Sk 3K2 = U sek 2 Z = ,0135 = 8595 MVA (16) MSP Fördelning K Sk 3K = Sk 3V Sk 3K2 Sk 3V + Sk 3K2 = 630, , = 587,7 MVA (17) Ik 3 = Sk 3 = 587,7 = 31, 50 ka (18) 3 U 3 10,772 Kabel K 3 Sk 3K3 = U n 2 Z = ,0270 Punkt Före T405 Sk 3FT405 = Sk 3K Sk 3K3 Sk 3K + Sk 3K3 = = 4298 MVA (19) 587, , = 517,0 MVA (20) Ik 3 = Sk 3 = 517,0 = 27, 71 ka (21) 3 U 3 10,772 Transformator T405 Sk 3T405 = S n u k = Punkt Efter T ,063 Sk 3ET405 = Sk 3FT405 Sk T405 Sk 3FT405 + Sk T405 = = 31,75 MVA (22) 517,0 31,75 517,0 + 31,75 = 29,91 MVA (23) 18

25 U sek = 0,525 kv Ik 3 = Sk 3 3 U sek = 29,91 3 0,525 inställt via lindningskopplare = 32, 89 ka (24) Kabel K 4 Sk 3K4 = U n 2 Z = ,00255 = 108,1 MVA (25) LSP Fördelning K Sk 3LSPK = Sk ET405 Sk 3K4 Sk ET405 + Sk 3K4 = 29,91 108,1 29, ,1 = 23,43 MVA (26) Ik 3 = Sk3 = 23,43 = 25, 77 ka (27) 3 U 3 0,525 Vid befintlig transformator placering enligt vänstra delen i figur 12 blir Ik 3 25, 77 ka. Resultatet återfinns i tabell Beräkning av Ik 3 vid föreslagen placering av transformator Vid beräkning av Ik 3 vid föreslagen transformatorplacering är beräkningarna identiska till och med mellanspänningsfördelning K, se figur 12. MSP Fördelning K Från ekvation 17 erhålls Sk 3 på 587,7 MVA Transformator T405 Från ekvation 22 erhålls Sk 3 på 31,75 MVA LSP fördelning K, direkt efter T405 Sk 3 = Sk K3 Sk T405 Sk K3 + Sk T405 = 587,7 31,75 587,7 + 31,75 = 30,12 MVA (28) Ik 3 = Sk3 = 30,12 = 33, 12 ka (29) 3 U 3 0,525 Vid föreslagen transformatorplacering enligt högra delen i figur 12 blir Ik 3 33, 12 ka. Resultatet återfinns i tabell 3. 19

26 Verifiering av beräkningar Verifiering av manuella beräkningar av den trefasiga kortslutningsströmmen skedde med hjälp av dataprogrammen NETKOLL [7] och EL-VIS [6]. Resultaten återfinns för NETKOLL i bilaga C för beräkning vid befintlig transformatorplacering, samt i bilaga D för beräkning vid föreslagen transformatorplacering. För EL-VIS beräkningar återfinns exempel för beräkning av trefasig kortslutningsström i bilaga E. Sammanställning av resultaten återfinns i tabell Sammanställning av beräkningsresultat för Ik 3 Tabell 3. Beräkningsresultat Ik 3 efter transformator T405 vid lågspänningsställverk K med nuvarande och föreslagen transformatorplacering enligt figur 12. Metod för Kortslutningsberäkningar Nuvarande Transformatorplacering Föreslagen Transformatorplacering Manuell 25,77 ka 33,12 ka NETKOLL 27,58 ka 32,34 ka EL-VIS 26,09 ka 32,89 ka 5.4 Omfördelning av laster på transformatorer I dagsläget är T405 i drift medan T406 är reservtransformator, de går i växelvis i drift och som reserv för att belastningen och slitaget av dem skall bli så jämn som möjligt. SSAB har uttryckt en önskan om omfördelning av lasterna på olika transformatorer i samband med byte av ställverk. Som resultat av dokumentation av lasterna via intervju med anställda [14] framkom att man har problem med störningar framför allt då traverserna tappar en plåtrulle eller vid liknande extrem belastning. Dessa extremfall ger kraftiga mekaniska påkänningar som gör att traversens strömavtagare kortvarigt släpper från ledningarna så att spänningsvariationer uppstår. Anslutna till samma transformator finns valsslipmaskiner som är känsliga för störningar. En vals tar ca 6-8 timmar att slipa på grund av den höga precision som krävs. En störning kan göra så att hela arbetet förstörs och måste göras om helt. Genom att kartlägga dessa laster skulle det vara möjligt att vid beställning av nytt ställverk även göra en omfördelning av lasterna på de båda transformatorerna, T405 och T406. De känsligare lasterna som valsslipmaskiner läggs på transformator T406 och övriga laster, inklusive traverser, läggs på T405 enligt figur

27 Figur 13. Förenklat enlinjeschema för uppdelning av laster på transformatorer enligt förslag. 21

28 Figur 14. Befintliga transformatorbås, T406 och T Omplacering av transformatorer Dokumenteringsfasens fysiska besök på plats visade att transformatorerna T405 och T406, figur 14, är placerade i transformatorbås i en produktionshall. I denna produktionshall finns betlinjen där betsyra används för att beta plåten. Betsyran är frätande och orsakar korrosion på transformatorerna [14]. Ett annat problem med den befintliga transformatorplaceringen är damm från lokalen som letar sig in till transformatorerna via ventilationsgaller i transformatorbåset. I ställverksrum K finns gott om utrymme, dels för den nya lågspänningsfördelningen K men även för transformatorerna. Miljön är avsevärt mindre nedsmutsad och dammig. För en bättre transformatormiljö föreslås en omplacering av transformatorerna in till lågspänningsfördelning K. Som positiv bieffekt fås att kabellängderna blir närmare 300 m kortare, vilket gör att kortslutningseffekten i punkt K lågspänning ökar något. Enligt figur 9 och 16 är längden av det lediga utrymmet 19,63 m för det nya lågspänningsställverket och transformatorerna. Efter att det gamla lågspänningsställverket rivits kommer ytterligare utrymme att bli ledigt för eventuell utbyggnad av flera fack. Då transformatorerna placeras bredvid varandra kan brandvägg mellan dem komma att bli aktuell. 5.6 Nya transformatorer Transformator T405 och T406 är från I samband med utbyte av lågspänningsställverket och flytt av transformatorer beslutade elkraftansvarig på SSAB att byta ut dessa till nya transformatorer. Transformatorerna är slitna av ålder och den korrosiva och dammiga miljön. Även om de inte lastas hårt i dagsläget har belastningen under tidigare år varit större. Det är inte lönsamt att renovera dessa [14] på grund av högt slitage och hög ålder. Även de nya transformatorerna bör vara torrtransformatorer då de kommer att placeras i ställverk K som ligger långt inne i produktionslokalen, figur 16. För oljetransformatorer föreligger bl.a. krav på placering mot yttervägg i brandcell, släckutrustning samt krav på oljegrop [9] vilket inte är möjligt i ställverk K. Kylning med hjälp av olja som i oljetransformatorer var inte nödvändig vid tidigare placering i produktionslinjen där temperaturen är högre på grund av värmeutvecklingen i produktionen. Därför är inte den extra kylningen som olja ger nödvändig vid föreslagen placering. Vid den nya uppdelningen av laster på olika transformatorer är det ändå nödvändigt att hela ställverket kan matas från en transformator vid service eller reparation på den andra. Vid beräkning av storleken på transformator användes enligt avsnitt 4.5 och bilaga B 624 kw och cosφ = 0,8. S n = P = 624 = 780 kva (31) cosφ 0,8 22

29 För att få marginal är 1000 kva en lagom storlek i nuvarande driftläge. Kallvalsområdet befinner sig dock i ett mycket expansivt läge med flertalet ombyggnationer på gång vilket gör att storleken föreslås ökas ytterligare. I SSABs nät finns flera transformatorer av storleken 2 MVA och företaget försöker hålla nere antalet olika transformatorstorlekar för att kunna skifta transformatorer vid reparationer och liknande och inte behöva ha ett för stort lager av äldre men fungerande transformatorer. Förslaget blir därför att storlek 2 MVA väljs på de nya transformatorerna. Då transformatorerna skall placeras i ställverksutrymme krävs kapsling IP2X (12,5 mm petskydd) för personsäkerhet [13]. Mått på transformatorbåset, som placeras i ställverket är bredden 2400 mm, djupet 1550 mm och höjden 2500 mm [13]. Frågeställningar angående brandbelastning och brandskydd bör hanteras vid den nya placeringen. 5.7 Val av Ställverk Skensystemets kortslutningshållfasthet Den framräknade trefasiga kortslutningsströmmen är 33 ka. Tillgängliga nivåer på skensystemets kortslutningshållfasthet är 30 ka, 50 ka, 80 ka och 100 ka [9]. Valet blir 50 ka då detta ger fullgod hållfasthet med god marginal, lägre nivå, 30 ka hade varit för klen. Driftspänning och skensystemets märkström bestäms efter transformatordata till 525 V respektive 2200 A. Nollskena och skyddsjordskena dimensioneras till halva respektive en fjärdedel av fasskenans area enligt tillverkarens rekommendationer [9]. Stötströmmen som ställverket dimensioneras för beräknas som I S = 2,1 50 = 105 ka (32) enligt IEC tabell II som återfinns i avsnitt 7.3 i SS [22] Jordningssystem Jordningssystemet på SSAB är blandat med IT, TN-C och TN-S system. Det vill säga impedansjordat 4-ledarsystem utan nolledare med skyddsjord, 4-ledarsystem med kombinerad nolledare och skyddsjord samt 5-ledarsystem med separat nolledare och skyddsjord. I lågspänningsfördelning K väljs TN-C system då lasterna är uteslutande trefaslaster och transformatorn är DYn-kopplad Säkringar vs. säkringsfri teknik Valet av skydd är inte enkelt se avsnitt 3.1.5, utan bör ses över vid varje utbyte eller nyinstallation av ställverk. Enligt en leverantör [9] av ställverk står MCCB för ca 80% av försäljningen jämfört med säkringsteknik. I denna förstudie gjordes i avsnitt 3.4 en litteraturstudie för val mellan säkring och säkringsfri teknik. Med denna som bakgrund valdes strömbegränsande effektbrytare, MCCB, av beställaren, som har egen underhållsavdelning som sköter brytarservice. 23

30 5.7.4 Huvudbrytare Eftersom jordningssystem är valt till TN-C system måste huvudbrytaren vara 3-polig. Huvudbrytare av typ ACB, luftbrytare, avsnitt 3.2.1, dimensioneras med brytförmåga i relation till matande transformators kortslutningsström med samma märkström som transformatorn. ACB-brytare har en märkström på upp till 6300 A medan en MCCB har en märkström på upp till 3200 A [15], viket i detta fall skulle räcka, MCCB ligger dessutom lägre i pris jämfört med ACB-brytare [15]. Som huvudbrytare väljs ACB av beställare eftersom det är standard för huvudbrytare på lågspänningsnivå hos SSAB. Företaget har krav på att huvudbrytaren skall vara kassettmonterad, se avsnitt 5.5.5, för snabbare byte och service. Enligt [9] och [14] finns följande 3 minimikrav på huvudbrytare som skall följas; 1) Frånskiljning skall kunna ske med stängd front. 2) Skyddet skall bestå av överlastskydd, även kallat långtidsutlösare, korttidsfördröjt överströmsskydd och momentant överströmsskydd för att skydda kablar. Den korttidsfördröjda skyddsfunktionen innebär att en last med hög startström inte skall lösa ut skyddet [25]. 3) Huvudbrytaren skall klara att bryta den 3-fasiga kortslutningsströmmen som ställverket är dimensionerat för, 50 ka i detta fall, på kortare tid än en sekund. Sammankopplingsbrytare används för hopkoppling av ställverk. Eftersom ställverket som projekteras sektioneras, blir uppdelat på 2 st ställverk som matas av varsin transformator behövs en sammankopplingsbrytare. Tillslag av denna brytare medför att hela lågspänningsfördelning K kan matas från en transformator vid bortfall av någon av de två, se figur 13, fack 2 på övre och nedre schemat. En ACB-brytare av samma typ som huvudbrytare väljs för att lätt kunna skifta dessa kassettmonterade brytare med varandra vid brytarservice Utgående grupper Lågspänningsställverk finns i 2 grundalternativ; distributionsgrupper och motorgrupper [8]. Distributionsgrupper avser grupper som har till uppgift att distribuera el. Motorgrupper kallas ibland startkopplare och är elkopplare för start och stopp av motordrifter i kombination med överlastskydd [26]. I detta fall är alla motorlaster som t.ex. traverser och slipmaskiner försedda med skydd samt start och stopp i själva lasten, därför väljs inte utgående grupper till motorgrupper utan distributionsgrupper föreslås genomgående. För distributionsgrupper finns ytterligare tre val; Fast monterade grupper Kassettmonterade utdragbara grupper Borttagbara grupper Den enklaste modellen är Fast monterade grupper, vilket i praktiken innebär att ställverket måste göras spänningslöst vid utbyte av grupp. Vid användning av plug-in-brytare kommer man dock runt detta problem. Plug-in brytare fästs på en sockel och kan bytas ut då ställverkets övriga grupper är spänningssatta [9]. 24

31 Kassettmonterade grupper gör det möjligt att snabbt byta ut grupper med spänningssatt ställverk. Borttagbara grupper är en enklare variant av Kassettmonterade grupper där grupper kan bytas i spänningssatt läge, dock inte lika snabbt och enkelt som via kassett [3]. Då grupperna inte planeras att bytas ut ofta väljs ett ställverk med fast monterade utgående grupper av plug-in typ så att byte går att utföra med spänning på samlingsskenan Skyddsklass Standard SS EN [23] innefattar FORM som är en definition för olika skyddsklasser med avseende på skyddsseparation av spänningsförande delar i ställverk. I FORM 4A som är den näst högsta klassningen definieras hur ett ställverk skall utformas på följande sätt Varje grupp skall ha ett eget utrymme/delfält med egen frontlucka. Gruppens frontmanövervred skall spärra lucköppning då gruppen är i tilläge. Efter frånmanöver och öppnad frontlucka skall ej finnas åtkomlig spänningsförande del inne i delfältet. Kabelrummet får ej innehålla anslutningsdelar för huvudkrets översatt till svenska och tolkat av [9]. Vid beställning av ställverk föreslås att lägst skyddsklass FORM 4A bör väljas enligt definition ovan Överspänningsskydd, Jordningskopplare, Ljusbågsvakt Överspänningsskydd i form av ventilavledare kan användas även på lågspänningsnivå i fall då lasterna är känsliga och saknar skydd på lastsidan. I detta fall är det endast kablarna fram till lasten som skyddas så överspänningsskydd kommer inte att behövas. Jordningskopplare används för att jorda vid arbete på anläggningen. Genom att jorda minskas risken för backspännig och inducerad spänning via kabelförband som annars kan uppstå trots att anläggningen är frånkopplad. För att säkra arbete på samlingsskenan och arbete i fack och grupper jordas samlingsskenan efter inkommande brytare i nya fördelningarna K enligt jordningskopplare i figur 13. Vid arbete eller underhåll på transformatorn behöver även denna jordas, antingen via fast jordningskopplare eller slackjordning, jordning via enskilda kablar. I figur 13 visas föreslagna jordningskopplare för transformatorerna. Jordningskopplare för ställverk på 50 ka nivå skall ha en slutförmåga på 60 ka med märkkorttidsström för 1 sek på 50 ka [9]. Ljusbågsvakt för detektering av ljusbåge vid ev. kortslutning installeras i båda ställverken enligt SSABs säkerhetsrutiner. Optisk enhet installeras vid samlingsskenor och nedåtgående skenor i varje fack. Ljusbågsvakten kopplas till inkommande brytare i lågspänningsställverken och mellanspänningsbrytaren före transformatorerna [9] T405 och T Mätutrustning Mätutrustning för ställverks inkommande fack skall enligt SSABs krav bestå av spänningsmätning, strömmätning och energimätning. Sådan mätning finns i nuvarande ställverket, se figur 10 med tillhörande texter V, A och kwh. Dessutom finns i den ursprungliga delen ström och energimätning på samtliga utgående fack. De påbyggda facken och grupperna saknar mätutrustning. SSAB arbetar kontinuerligt med energibesparingsaktiviteter, därför föreslås mätning av ström och energi på samtliga utgående grupper i nya LSP fördelning K. 25

32 5.7.9 Skåpslayout Vid planering av skåp användes skåpmodulen M enligt [9] och avsnitt 4.7. Samlingsskenans placering föreslås liksom tidigare horisontellt placerad i toppen på skåpen. Skenlåda med höjd 1 M monteras då samlingsskenan dimensioners för över 2000 A. I detta fall är transformatorns märkström 2200 A dimensionerande. Samlingsskenans storlek väljs till närmaste storlek, 2500 A. Närmast tillgängliga storlekar är 2000 A, 2500 A och 3200 A. Framtagning av skåplayout enligt måttangivelser i M finns i figur 15 med effektbrytare som utmatningsenheter. Kryss i figuren avser bestyckade grupper. I denna planering har nuvarande säkringsstorlek varit dimensionerande för val av modulstorlek till effektbrytare. Inkommande brytare och brytare för sammankoppling mellan lågspänningsställverken placeras i egna fack, fack 1 och 2 i figurerna 13 och 15. Enligt [9] tillverkas facken med skåpsbredden 3 M då dimensionerande märkströmmen överstiger 1600 A. I detta fall är märkströmmen över 1600 A varför dessa bredare fack krävs för bredare inkommande och sammankopplingsbrytare. Figur 15. Skåplayout för nya ställverket med måttenhet M som är 192 mm och minsta skåpsbredd är 2 M, vy framifrån Ställverksrummet Rumsmått för ställverksrum finns specificerade i standarder, bl.a. [19], gällande höjd, bredd och längd samt dörrar och utrymningsvägar. Rummet uppfyller alla dessa utrymmeskrav med råge, se figur 16. En layout av ställverksrummet gjordes som del av beställningsunderlaget, inklusive mått på kapslade transformatorer [13]. Vid luftisolerade ställverk är volymen på rummet ställverket skall placeras i viktig då högt tryck kan uppstå vid explosion. Övriga saker att ha i åtanke vid planering av ställverk är att installationsgolvet och transportvägen måste tåla belastning från ställverket och transformatorn [9] samt att ventilation och luftfläktar kan bli nödvändigt då både ställverk och transformatorer utvecklar värme. Kapslingsklass för ställverk väljs av beställare till lägst IP2X [19], petskyddad. 26

33 Figur 16. Layout för ställverksutrymmet med ny fördelning och nya transformatorer på plats bredvid befintligt låg- och mellanspänningsställverk i enhet meter. Vy uppifrån. Manöverspänning för skyddsutrustning samt varifrån den skall matas ifrån är ytterligare val som beställaren, SSAB, ställs inför. I denna förstudie föreslås 110 V DC eftersom företaget har denna spänning på kontrollutrustning sedan tidigare. Regler för märkning av skensystem, kablar, mm beträffande färg, text och texthöjd finns angivet i Svensk Standard [9] vilken skall följas vid installation Riskvärdering En riskvärdering gjordes av befintligt ställverk enligt metod beskriven i avsnitt 4.8. Vid mer än 45 minuspoäng skall ställverket bytas ut vid första tillfälle. Poängsumman för fördelning K blev -82. Vid riskvärderingen användes en mall från en leverantör av ställverk [11] Föreslagen specifikation av lågspänningsställverk K Matande enhet: Kortslutningshållfasthet: Stötström: Systemspänning: Jordningssystem: Samlingsskenor: Huvudbrytare: Sammankopplingsbrytare: Elkopplare utgående grupper: Skydd, person och termiskt: Kapsling: Mätning inkommande: Mätning utgående grupper: Manöverspänning: Transformator 2 MVA 50 ka 105 ka 525 V TN-C 2200 A ACB. Luftbrytare. 3-polig. Överlastskydd, Korttidsfördröjt och momentant överströmsskydd ACB, som ovan Plug-in monterad isolerkapslade effektbrytare Fast Jordningskopplare, Ljusbågsvakt Transformator IP23, Ställverk IP2X Spänning, Ström, Energi, Ström och energi 110 V DC 27

34 6 Diskussion och slutsatser 6.1 Kabelförband Vid beräkningar av kabelimpedanser användes inte data för den faktiska kabeln K 1 utan värden för AKKJ från standard SS [21] eftersom kabeldata saknades. Enligt jämförelse mellan använd kabeldata från kabelleverantör och standard var skillnaderna i impedans mycket små och i vissa fall obefintliga trots skillnad i isolermaterial och fler- respektive enkelledare. Kabelimpedanserna kan därför anses rimliga och tillräckligt noggranna för att ligga till grund för dimensionering av lågspänningsställverket. Kablarnas dämpande verkan på den 3-fasiga kortslutningseffekten var 5-7 ka, se tabell 2. I beräkningarna ses att framför allt kabelförband K 4 med åtta parallella kablar med en total area av 1480 mm 2 har en stor dämpande effekt på den 3-fasiga kortslutningsströmmen vid den befintliga placeringen av transformatorn. 6.2 Beräkningar Skillnad i beräkningar med NETKOLL, manuellt och med ELVIS var störst i kabelförband K 4, se tabell 3. I de manuella beräkningarna har ingen hänsyn tagits till förläggningssätt. Med förläggningssätt menas hur kabeln förläggs mellan anslutningspunkter med avseende på markförhållanden, byggnader, kabelstegar etc. I beräkningsprogrammen väljs förläggningssätt och andra beräkningsparametrar av programmet beroende på bland annat area och antal. För att förstå programmen fullt ut och kunna genomföra mer komplexa och noggranna beräkningar krävs mer kunskap och erfarenhet av mjukvaran men i den här förstudien har de ändå tjänat sitt syfte att verifiera manuella beräkningar. Både NETKOLL och EL-VIS (för lågspänningsdelen) lämpar sig bra för beräkning och verifiering av manuella 3-fasiga kortslutningsberäkningar. Resultatet är samstämmigt och slutsatsen blir att de manuella beräkningarna är rimliga. 6.3 Alternativ dimensionering av kortslutningshållfasthet Dimensionering av ställverkets kortslutningshållfasthet gjordes med hjälp av de manuella Ik 3 - beräkningarna på 33 ka. I verkligheten inom industrin använder man sig ofta av färdiga tabeller eller räknar efter enbart matande transformatorns storlek. Ik 3 blir 37 ka om värde från en tabell i [9] används med u k = 6 %. I detta fall blir Ik 3 35 ka om enbart data från matande transformator använts. Dessa två metoder för snabbare beräkningar i verkliga förhållanden antar ett oändligt starkt nät bakom transformatorn. Dessa förenklade metoder ger i detta projekt en rimlig uppskattning att använda för dimensionering av ställverket. Samtliga tre metoder; beräkning från inmatningspunkten DOS, beräkning med enbart matande transformatordata samt transformatordata från tabell ger ett val av 50 ka kortslutningshållfasthet på samlingsskenorna. 6.4 Drift av transformatorer och laster Vid dimensionering för val av transformator används lastströmmarna från effektloggningen på transformatorn. Risken att alla laster skulle dra maximalt med ström samtidigt enligt uppmätta lastströmmar i tabell 1 antas vara så gott som obefintlig. Vid uppdelning av lasterna på två transformatorer i stället för en skulle en lägre effekt på transformatorn räcka. I ett industrinät som SSABs är redundans mycket viktigt för att minimera risken för stopp i produktionen som är i gång dygnet runt året runt. Detta gör att samtliga laster måste kunna matas från antingen transformator T405 eller T406 vid behov av service, reparation eller underhåll på någon av dem. Den föreslagna 28

35 transformatorplaceringen i ställverket skulle kunna öka livslängden på transformatorerna genom minskad kemisk belastning i form av korrosion. Driften av lasterna kommer att förbättras via omfördelningen av dessa på två olika transformatorer. Då de känsliga och störande lasterna separeras minskar risken för stopp i produktionen. Stopp på grund av störningar som orsakats av en tappad plåtrulle är inte jätte vanliga men när det händer så kan det ge ett produktionsstopp på 6-8 timmar vilket är för mycket i en strävan mot nollvision gällande antal och tidsåtgång för oförutsedda stopp. En vinst med flytten av transformatorerna är att det blir ledigt utrymme på kabelstegarna. Detta lediga utrymme kan komma till god användning vid framtida utbyggnad av kallvalsverken. 6.5 Strömmätning Strömmätningarna som gjordes på lasterna filtrerades i Excel pga. orimliga mätvärden gällande strömmarna. Strömmarna var uppenbart felaktiga då de låg på ca 6000 A för 6 av lasterna som var avsäkrade med max 630 A. Efter att dessa felaktiga värden filtrerats bort kunde det högsta medelvärdet registreras. Anledningen till de felaktiga mätvärdena är okänd, men att de är felaktiga kan verifieras via skyddens inställningar och effektmätning på inkommande fack till lågspänningsfördelning K. Dessa felaktiga mätvärden uppträdde vid både de känsliga och störande lasterna, valsslipmaskiner och traverser så tyvärr kan inga strömspikar och störningar verifieras genom dessa mätningar. Den främsta anledningen till uppdelning av laster var händelsen av att traverserna tappar en plåtrulle vilket orsakar mekaniska påfrestningar som ger störning av ström. Risken att det skulle inträffa under pågående mätning var minimal. Uppdelning av lasterna mellan transformatorerna föreslås därför enligt beställarens/ssabs önskemål och upplevelse av störningar enligt [14]. 6.6 Säkringsfri teknik Valet mellan säkringar och effektbrytare var inte självklart. Effektbrytare ger ett bättre mer anpassningsbart skydd men kräver mer underhåll och inköpspriset är högre, se avsnitt 3.3. Servicen för SSAB skulle bli omfattande enligt serviceintervall angivna i stycke 3.3 om företagets alla 320 ställverk skulle ha effektbrytare som överströmsskydd. Krav på inställning av överlastskydd skulle leda till att valet blir effektbrytare. I detta fall är lasternas skydd installerade på varje last och skydden i ställverket är framför allt kabelskydd. Personsäkerheten vid val av säkringar förbättras då dessa numer placeras i säkringshållare. Det finns alltså fördelar med säkringsteknik i jämförelse med säkringsfri teknik i denna förstudie. Anledningen till beställarens val av MCCB är framför allt en högre personsäkerhet i kombination med bättre termiskt skydd vid enfasigt fel eftersom säkerhet har högsta prioritet hos företaget. 6.7 Utrymmeseffektivt Det ursprungliga ställverket bestod av totalt 22 fack med en total längd av närmare 18 meter. Genom att flera fack inte används och på grund av att dagens teknik är mer utrymmeseffektiv så kan volymen på det nya ställverket minskas till 10 fack och en längd på totalt 8 meter, exklusive transformatorer. I figur 8 syns ett fack för en utgående grupp med frånskiljare och brytare i det befintliga ställverket, detta kan jämföras med ett fack i det föreslagna ställverket i figur 15 fack 3, som har ungefär samma fysiska storlek men innehåller fem stycken effektbrytare för fem olika utgående grupper. 6.8 Personskydd En av de största vinsterna med utbytet av ställverket är personskyddsaspekten. I nuvarande ställverk finns spänningsförande samlingsskena då fackets frontlucka öppnas. Riskvärderingen som gjordes och kan tolkas som att ställverket borde varit utbytt för flera år sedan, är tagen från en ställverksleverantör [9]. Även om riskerna är verkliga så kan poängsystemet i bilaga F ifrågasättas då det inte är satt av oberoende aktör. 29

36 6.9 Fortsatt arbete Denna förstudie har omfattat utbyte av lågspänningsställverk inklusive dokumentation av det nuvarande delvis uppmärkta ställverk. Mer detaljerat underlag kan komma att behövas i framtiden med avseende på styrkretsar och mätutrustning. För val mellan säkring och säkringsfri teknik föreslås som framtida arbete en kostnadsanalys ur ett livscykelperspektiv, LCC. Det olyckliga namnvalet med K som beteckning för både mellan- och lågspänningsställverk rekommenderas att ses över vid utbytet. En fortsättning på detta arbete är att ta fram kabeldata för kablarna från lågspänningsfördelning K fram till lasterna. Dessa kablar kommer att skyddas av effektbrytare i det nya ställverket, för inställning av dessa skydd behöver kablarna specificeras med avseende på kabeltyp och längd samt förläggningssätt för att beräkna kabelns belastningsförmåga för val av storlek på effektbrytarna av typ MCCB. Strömmätning på laster utfördes i dokumentationssyfte. Vissa av lasterna drar betydligt mindre ström än vad säkringen är dimensionerad för. För att gå ned i storlek på säkring eller effektbrytare bör fler och längre strömmätningar utföras. Den 2-fasiga kortslutningsströmmen behöver beräknas från sämsta möjliga driftläge, d.v.s. längsta kabelvägen från DOS till lågspänningsfördelning K som ger den lägsta tvåfasiga kortslutningsströmmen. Den tvåfasiga kortslutningsströmmen används för inställning av skydden, d.v.s. effektbrytarna av MCCB typ och är den lägsta felström som skydden skall koppla ifrån vid [18]. 30

37 Referenser [1] Blomqvist, Hans. Elkrafthandboken Elkraftsystem 2. Stockholm: Liber, [2] Blomqvist, Hans. Elkrafthandboken Elkraftsystem 1. Stockholm: Liber, [3] Elektroproduktion, AB. Lågspänningsställverk broschyr. Löddeköping Nedladdad : Tillgänglig: [4] Elektroskandia. Värt att veta om effektbrytare. Nedladdad : Tillgänglig [5] Elfving, Gunnar. ABB Handbok Industri. Lund: ABB Industrigruppen, [6] EL-VIS. EL-VIS beräkningsprogram. Nedladdad : Tillgänglig [7] Eriksson, Evald. NETKOLL Handbok Version Eslöv: evalds programmutveckling. [8] Gustavsson, R. Praktisk Elkvalitet vol 2. Olofström: Nordbo KraftTeknik AB, [9] Hammarel. Projektering av ställverk för låg- och mellanspänning, handbok. Örebro: Hammarel AB. [10] Hammarel. Studiebesök hos ställverkstillverkare. Örebro: Hammarel AB, [11] Leonhardt, Günter. Marchi, Mauro. Rivetti, Giandomenico. SF6 eller vakuum? Valet av rätt mellanspänningsbrytare. Nedladdad : Tillgänglig: ABB tidning 4/2000. [12] Nationslencyklopedin. Lastbrytare. Nedladdad : Tillgänglig [13] Ocrev. Ocrev produktdatablad transformatorer. Italien / Sandviken: Officine elettromeccaniche vicentine / Midroc Electro. [14] Ottosson, Peter. Björk, Jan. Intervju med anställda på SSAB Elkraft. Borlänge: apriljuni [15] Schneider-Electric. What is the difference between MCCBs and ACBs? Nedladdad : Tillgänglig [16] SELGA kabelteknik. Tekniska Data, produktdatablad för kablar. u.o.: SELGA kabelteknik, 50/60-tal. [17] SIEMENS, AB. Säkringsfritt = problemfritt? Nedladdad : Tillgänglig [18] Skogsindustriernas teknik AB. Teknisk specifikation för ställverk högst 1000V, växelspänning SSG Sundsvall: Skogsindustriernas teknik AB, [19] Svensk standard. SS Utgåva 3. Stockholm: SEK,

38 [20] Svensk Standard. SS EN Utgåva1. Stockholm: SIS, [21] Svensk Standard. SS Utgåva 1. Stockholm: SIS, [22] Svensk Standard. SS EN Utgåva 2. Stockholm: SIS, [23] Svensk Standard. SS EN Utgåva 2. Stockholm: SIS, [24] Terasaki. Time2break användarmanual MCCB. Nedladdad : Tillgänglig erasaki%20manual%20tembreak2,%20svenska.pdf. [25] Voltimum. Effektbrytare. Nedladdad : Tillgänglig [26] Voltimum. Startkopplare. Nedladdad : Tillgänglig: [27] Wikipedia. Rogowski coil. Nedladdad : Tillgänglig 32

39 Bilaga A. Enlinjeschema för fördelning K från 1965 Figur 17. Enlinjeschema för ursprungliga delen av lågspänningsfördelning K, från Inskannad från kopia i pappersform. 33

40 Bilaga B. Utskrift från loggsystem för transformator T405, effekt och energi för 2017 Tabell 4. Utskrift från loggsystem för transformator T405 effekt och energi för Tabellen visar min, max och medelvärde för aktiv effekt samt total energi månadsvis. 34