Innehåll 1 Introduktion Station A, , fabricerade jordfel på kabel Station B, , försämrad isolation ger dubbla

Transkript

1 Innehåll 1 Introduktion Station A, , fabricerade jordfel på kabel Station B, , försämrad isolation ger dubbla jordfel Station B, , sammanställning av typiska jordfel Tillfälliga jordfel med tydlig transient Tillfälliga jordfel utan någon transient Intermittenta (återtändande) jordfel Station C, , mekanisk skada ger jordfel i kabel Station C, , ogräs i nätstationer orsakar jordfel Station C, , felaktig jordning ger kortslutning Station D, , jordfel med olinjär nollföljdsström Station E, , kabelfel, kortsluten strömtransformator Station D, , kvist i gnistgap ger intermittent jordfel Station F, , kraftigt åskväder Station E, , proaktiv felbortkoppling Station G, , analys av övertoner Beräkningsexempel, övertoner i spänning Beräkningsexempel, övertoner i ström Aktiv och reaktiv effekt för övertoner Aktiv och reaktiv effekt för plusföljd 50 Hz Signifikanta övertoner i spänning Aktiv och reaktiv effekt för 5:e övertonen (minusföljd 250 Hz) Aktiv och reaktiv effekt för 7:e övertonen (plusföljd 350 Hz) Station H, , jordfel i kabelavslut Station I, , kortslutning orsakar kortvarig spänningssänkning Station H, , avbruten isolator vid stolptransformator Station I, , fel i överliggande nät Station H, , jordfel, träd i kontakt med luftledning Station J, , Trefasig kortslutning Station I, , intermittent jordfel i kabelavslut, felbortkoppling tar 90 sekunder p g a felfungerande skydd Första registreringen av ett högohmigt jordfel i fack 18 (nr 72) Intermittent jordfel, 91 slag, utebliven relä-funktion, (nr 77) Resultat av dlabs automat-analys

2 Funktion hos existerande reläskydd Intermittent jordfel, 56 slag, Fack 13 löser obefogat (nr 93) Intermittent jordfel, 33 slag, återinkoppling Fack 13, NUS löser T2-20 kv (nr 96) Provtillkoppling Fack 18, permanent jordfel, NUS löser, (nr 101) Sektionering, permanent jordfel Fack 17, löser Jsr Fack 17. (nr 112) Station C, , jordfel i säkringslastfrånskiljare i nätstation

3 1 Introduktion Syften med denna rapport är att ge konkreta exempel som illustrera nyttan med ett system för smart nätdrift. Systemet har sina rötter i ett akademiskt forskningsprojekt som år 2012 övergått i ett innovationsbolag för smarta elnät. Historiken illustreras i nästa figur. Figur 1.1 Historik för utveckling av dlab:s system Åren 2013 och 2014 har använts för att utprova dlab:s system i E.ON:s nät och få driftserfarenhet. Det övergripande projektmålet har varit att undersöka om nyttan med smarta elnät kan bära dess kostnader. Med andra ord, går det att för en rimlig kostnad skapa smarta elnät som ger effektivare nätdrift? Slutsaten efter två års drift är att systemet gett flera stora fördelar som väl motiverar dess kostnader. Rapporten presenterar konkreta exempel som stödjer denna slutsats. Systemet har gett följande fördelar: Förbättrar leveranssäkerhet genom att ge underlag för bättre pro-aktiv felavhjälpning, ex vis identifiera en skadad isolator eller hitta ett snabbväxande träd. Detta ger möjlighet att åtgärda vissa fel innan de orsakar något kundavbrott. Stärker leveranssäkerhet genom att ge underlag för snabbare felsökning när existerande reläskydd felaktigt bortkopplar flera utmatningar och ger ofullständig eller missvisande information. dlabs: system använder en ny patenterad metod som med hög tillförlitlighet bestämmer felbehäftad utmatning och typ av fel. Ger detaljerad störningsstatistik som medför förbättrat beslutsunderlag för förebyggande underhåll och kostnadseffektivare investeringar. Kontroll av elkvalitet görs enligt viktiga delar av EIFS 2013:1 genom att mäta övertoner och även fånga kortvariga spänningsavvikelser. Systemet registrerar, överför, och utför automatisk analys av störningar som fångats med mätdatorer som använder filformatet Comtrade. Nästa figur visar en översikt av systemet. 3

4 Figur 1.2 Översikt av dlab:s system Resultatet av den automatiska analysen läggs i en sökbar databas med ett modernt webb-gränssnitt. Detta ger unika förutsättningar för att bättre förstå förekommande nätstörningar och vidta rätt åtgärder för effektivare nätdrift. Nästa bild visar webb-gränssnittet. Figur 1.3 dlab:s webb-gränssnitt 4

5 Att mäta är att veta. Varje exempel illustrerar en eller flera av följande aspekter 1. Tidig varning som kan användas för pro-aktivt underhåll 2. Öka förståelse och utreda störningar 3. Kontrollera elkvalitet 4. Minska avbrottstid 5. Minska tid för felsökning 6. Statistiskt underlag för beslutsfattande 7. Övervakning av påverkan på livslängden för vissa komponenter 8. Kortvarig spänningssänkning 9. Yttre nät orsakar störning 10. Hittar komponentfel i stationen 11. Användning av en störningsregistrering i stället för ett dedicerat fältförsök Nästa tabell visar de olika aspekterna, och vilka exempel som illustrerar dem. Aspekt Exempel 1 3, 6, 18,21 2 2, 3, 4, 5, 6, 8, , 5, 6, 8,18, , 5, 6, 8, 20, , 5, 6, 7, , Tabell 1.1 De olika aspekterna som exemplen illustrerar. Exemplen är tagna från olika fördelningsstationer i södra Sverige och är kronologiskt ordnade, d v s de börjar med den tidigaste mätningen och avslutas med den senaste. För att undvika att peka ut specifika stationer, så används förkortningar. För varje störning anges tidpunkt och intressanta observationer. För vissa störningar är felet känt och dokumenterat, och då anges detta. För andra störningar har felkällan förblivit okänd, åtminstone för författaren. Den automatiska störningsanalysen har utvecklats iterativt sedan För några registreringar som fångats under de senaste åren visas resultatet av automatanalysen i form av en HTML-fil. Denna fil e-postas automatiskt enligt sändlista och brukar vara tillgänglig inom 1-3 minuter efter att en störning inträffat. Ambitionen har varit att använda versaler (stora bokstäver) för att beteckna vektorer som har ett belopp och vinkel, samt gemener (små bokstäver) för att beteckna tidsfunktioner med 50 Hz grundton. 5

6 6

7 2 Station A, , fabricerade jordfel på kabel Syftet med dessa mätningar var att prova mätutrustning och få mätdata för ett intermittent kabelfel. Kabelfelet fabricerades genom att borra ett hål genom isolationen för en 10kV-kabel. Hålet fylldes med smält snö och den jordade manteln fördes ett par cm från hålet. Kabeln spänningssattes och ett intermittent jordfel skapades. Förloppet registrerades på en mätdator. En video från försöken finns på YouTube, se Nedan visas en bild från försöken. En viktig observation är att jordfelströmmen visar ett högfrekvent förlopp med snabb dynamik och hög amplitud. En förklaring kan vara att avståndet mellan mätutrustningen och felläget endast var cirka 20 meter. Figur 2.1 Station A, ljusbåge vid fabricerat kabelfel, del av försöksuppställningen. Figur 2.2 Station A, uppmätt nollföljdström på felbehäftat fack (grön), nollpunktsspänning(blå), fasspänning felbehäftad fas (röd). Observera de två separata skalorna i primärvärden för y-axeln. 7

8 Figur 2.3 Station A, in-zoomning av uppmätt nollföljdströmmar för tre fack, friska fack (grön, röd), felbehäftad fack (blå). Observera tids-skalan och den snabba dynamiken i strömmarna, och att den maximala strömamplituden är cirka 1000 A primärt. 8

9 3 Station B, , försämrad isolation ger dubbla jordfel Efter mätningarna där vi själva fabricerade felen, så uppkom frågan om fabricerade fel verkligen är representativa för alla de fel som spontant uppkommer i elnät. Därför bestämdes att under en längre tid placera en mätutrustning i en fördelningsstation. Station B valdes eftersom den utmärkt sig som en äldre problemstation som ofta var drabbad av driftsstörningar. I stationen installerades den första prototypen av en dbox som bestod av en mätdator med ett modem för kommunikation via 3Gnätet. Hög nollpunktsspänning triggade mätutrustningen och data överfördes till en server på kontoret. En video från installationen finns på YouTube, se Oq7_oYg. Under de första månaderna i drift så förekom ovanligt många störningar. Ofta bortkopplades olika utmatningsfack via utlösning av överströmsskydd och ibland löste två fack vid samma störning. Utan mätregistreringar är det svårt, nästan omöjligt, att analysera vad som orsakat bortkopplingen. Blixtnedslag kan orsaka samtidiga kortslutningar på flera utmatningar, men de aktuella dagarna hade inget åskväder rapporterats. Jordfel var en troligare felorsak men utlösningarna hade skett via överström, inte via jordfelskydden. Nedan visas en del av beslutsunderlaget och motiveringen för att installera den första dboxen. DLAB Inkoppling av störningsregistrerare för intermittenta jordfel Magnus Akke Detta är en kort beskrivning av syfte och omfattning av inkoppling av störningsregistrerare för intermittenta jordfel i Station B, 130/20 kv. Sedan 2.5 år finansierar E.ON Elnät, Malmö, forskningsprojektet DLAB, som utföres på IEA, Lunds universitet. Projektet syftar till kompetensuppbyggnad inom om spoljordade distributionssystem och att bygga ett nedskalat distributionslaboratorium (DLAB). Ett delprojekt har varit att ta fram en flexibel högpresterande mätutrustning som kan fånga intermittenta jordfel. Högpresterande betyder effektiv bandbredd upp till 20 khz, samtidigt sampling av 32 kanaler, 24-bitar, möjlighet till trådlös kommunikation över 3G-nätet. Störningsskrivaren finns nu som forskningsprototyp som blivit provad under fältförsök hos Öresundskraft. Vi vill nu fortsätta med att koppla in mätutrustningen i Station B och fånga störningar och andra transienter som förekommer under normal drift. Syftet med att koppla in störningsregistreraren är att kunna fånga registreringar från intermittenta jordfel och andra störningar som uppkommer under normal drift. Det handlar INTE om några fältförsök som utför jordfel, utan endast att fånga normala störningar och transienter. Ytterst är syftet att minska avbrottstiden för E.ON Elnäts kunder. Detta uppnås genom att störningsskrivaren ger mångfalt bättre information än skyddens störningsregistreringar. Den förbättrade informationen håller så hög kvalitet att den ger helt nya möjligheter att bättre analysera och åtgärda driftstörningar. Detta ger också E.ON förbättrade analysmöjligheter, samt värdefullt underlag för forskningen på LTH. Genom valbara trigg-kriterier kan störningsskrivaren även användas för att få en tidig varning om begynnande störningar, innan de ger bortkopplingar av kunder. Figur 3.1 Station B, beslutsunderlag för att installera första dboxen i Station B. 9

10 Genom att analysera mätningarna från dboxen framkom att den troliga orsaken till de svårförklarliga störningarna var dubbla jordfel, på engelska cross-country fault. Nästa figur visar ett typiskt förlopp. Figur 3.2 Station B, registrerad störning med typiskt dubbelt jordfel. Överst visas nollföljdsspänning i sekundärvärde, i mitten fasspänningar i sekundärvärde, och nederst nollföljdsströmmen i primärvärde. Notera att mätområdet för nollföljdström bottnar vid 1000 A toppvärde. Vid fot-patrullering av utmatning, fack 13, så upptäcktes att ogräs växt in bland spänningsförande nätdelar. Detta hade försämrat isolationsförmåga mot jord. Beroende på växtlighet kan isolationsförmågan vara försämrad, men samtidigt tillräcklig för att klara fasspänning. Men när en annan utmatning drabbas av ett jordfel i en fas, så höjs spänningen på de två friska faserna med upp till 70%. När detta händer så tänds ett andra jordfel i fack 13 som redan har försämrad isolationsförmåga. Två samtidiga jordfel i olika faser och i olika utmatningar orsakar strömmar med så hög amplitud att det uppfattas som kortslutningar på två utmatningar. Nedan visas en sammanställning av de olika felen i Station B under en månad. 10

11 Figur 3.3 Station B, sammanställning av olika störningsregistreringar under en månad. Vertikalaaxeln visar antal störningar per dag, de två horisontella axlarna visar dag respektive löpnummer för utmatningarna. Notera att utmatning med index 8, d v s F13, är delaktigt i nästan alla störningar, vilket leder till skälig misstanke att fel på utmatning F13 är den bakomliggande orsaken. 11

12 12

13 4 Station B, , sammanställning av typiska jordfel Ett års mätningar i Station B gav så pass många registreringar att det möjliggjorde en första klassificering av jordfel. Detta gav en insikt som var av avgörande betydelse för att ta fram en algoritm för att detektera jordfel, och speciellt intermittenta jordfel. Den nya algoritmen och även klassificeringen av jordfel, resulterade i ett svenskt patent, nr , Metod för att detektera jordfel i trefas elkraftdistributionsnät. Det finns även en internationell patentansökan under behandling. Detta patent är grunden i den automatiska analys som görs av alla registrerade störningar. Analys-resultatet läggs i en sökbar databas med modernt webb-gränssnitt. Nedan följer en sammanställning av olika typer av jordfel. Syftet är att visa att det finns många olika typer av jordfel vilka har olika egenskaper. Detta kan också förklara varför tillverkare som använder enstaka störningsregistreringar som underlag för att designa jordfelskydd, ibland inte lever upp till kundernas förväntningar. Flera olika typer av jordfel inträffar i ett elnät med spoljordning. Dessa fel kan ha mycket olika karaktär och de viktigaste egenskaperna för ett jordfelsskydd, är att vara säkert, pålitligt och känsligt för alla dessa typer av jordfel. Därför exemplifierar detta avsnitt några olika typer av jordfel som har spelats in av den första dboxen i Station B under ett år, från augusti 2010 till augusti Vissa jordfel etablerar en relativt stabil anslutning mellan en fasledare och jord. För ett permanent fel i ett kabelnät, så krävs att den felaktiga kabeldelen bortkopplas från nätet. För luftledningsnät är det vanligt att jordfel tänder en ljusbåge i felstället. Exempelvis kan fågelavföring förorena ytan på en luftisolator, eller droppa mellan ledare, vilket kan tända en ljusbåge. Utöver att Petersenspolen ökar känsligheten vid högohmiga jordfel, så reducerar den strömmen i felstället, vilket gör att många jordfel självläker. Detta fenomen brukar kallas "självsläckande jordfel". Resonansjordningen har även den positiva egenskapen att efter att felet självsläcks, så har den återvändande fas-spänning en mjuk dynamik av grundtonsfrekvens vilket minskar risken för återtändning av ljusbågen i felstället. För självsläckande jordfel behövs ingen reläfunktion. Därför är ofta utlösningssignalen från reläskyddet fördröjd med ett par sekunder vilket ger tid för felet att självsläcka. Om feltiden är längre kan ljusbågen elimineras genom bortkoppling, det vill säga, att göra ledningen spänningslös under några sekunder. Oberoende om de permanenta felen har en ljusbåge, eller inte, kan de lätt identifieras och elimineras genom att använda allmänt känd teknik för reläskydd. 4.1 Tillfälliga jordfel med tydlig transient De två figurerna 4.1 och 4.2 illustrerar ett jordfel med en enda transient. Denna typ av fel kan typiskt orsakas av fukt i en sprucken isolator vilket kan tända en ljusbåge som i sin tur gör att fukten avdunstar. Petersenspolen skall vara avstämd för att minska den stationära strömmen i felstället. Detta gör att ljusbågen ofta slocknar när den första ström-transienten dött ut och spolströmmen stigit till ett stationärt värde som kompenserar ut den kapacitiva felströmmen. 13

14 Figur 4.1 Jordfel med en enda transient, nollpunktsspänning (överst) och nollföljdström (nederst). Figur 4.2 In-zoomning av jordfel med en enda transient Den nedre grafen i Figur 4.1 visar summan av fasströmmarna, ibland något felaktigt och slarvigt kallad nollföljdsström. Vän av ordning kan påpeka att den korrekta benämningen är tre gånger nollföljdströmmen (3i0). Vi ser en kortvarig transient med hög amplitud, nästan 1000 A. Den övre grafen i Figur 4.1 visar nollpunktsspänningen som oscillerar på grund av resonans mellan 14

15 Petersenspolens induktans och utmatningarnas kapacitans till jord. Fenomenet kan betraktas som att summaströmmen ger en impuls, vilken exciterar resonansen-kretsen bestående av Petersen-spolen parallellt med utmatningarnas kapacitans. Figuren 4.2 visar en närbild av figur 4.1 och visar transienten då felet är tillkopplat. Det är viktigt att förstå, att i detta fall är felet endast anslutet under en mycket kort tid. När felet tillkopplas så störs resonans-kretsen från sin jämvikt. Efter att felet frånkopplats så är nätet friskt, men eftersom resonanskretsen inte är i jämvikt, kommer den att fortsätta att svänga med avtagande amplitud som går mot noll. Därför är nollpunktsspänningens belopp i sig ett nödvändigt, men inte tillräckligt, kriterium för ett anslutet jordfel. Hur man utifrån detta gör en lämplig algoritm för ett riktat jordfelsskydd finns i detalj beskrivet i det svenska patentet nr , vilket torde vara intressant att studera för de stora relätillverkarna som vill uppfylla sina kunders önskemål. För en enda transient, såsom visas figur 4.1, är det inte nödvändigt att utlösa brytaren och bortkoppla utmatningen. Dock innehåller transienten rikligt med information som bör användas. Störningen ska rapporteras och den felaktiga utmatningen bör identifieras. Informationen är användbar för förebyggande underhåll och även som ett system för tidig varning. Ofta är detta en första indikation på ett begynnande komponentfel som kan utvecklas till ett allvarligare fel där kunder frånkopplas. Om åtgärder vidtas så kan informationen användas till pro-aktiv felsökning och reparation, vilket väsentligen kan minska antalet oaviserade elavbrott som drabbar kunderna. 4.2 Tillfälliga jordfel utan någon transient Figur 4.3 och 4.4 visar tillfälliga jordfel som självläker genom att ljusbågen självsläcker och försvinner efter ca 50 ms. I motsats till transienta jordfel, är både strömmens och spänningens belopp små och signalerna är huvudsakligen av grundtonsfrekvens. Signalen innehåller nästintill ingen transient information med kort varaktighet (mindre än 20 ms) som kan användas för transient-analys. Därför bör denna typ av jordfel analyseras med metoder baserat på grundtonen, såsom traditionella DFTfasvektorer. 15

16 Figur 4.3 Tillfälligt jordfel med grundtonsfrekvens Figur 4.4 In-zoomning, tillfälligt jordfel med grundtonsfrekvens 4.3 Intermittenta (återtändande) jordfel Denna typ av jordfel kallas intermittent, eller återtändande, jordfel. Kontakt med jord sker i en sekvens där felet återtänder och försvinner. Detta förlopp kan upprepas flera gånger. Om inte den felaktiga utmatningen frånkopplas korrekt så kan förloppet orsaka reservbortkoppling av samtliga 16

17 ledningar i stationen vilket ger en allvarlig - och onödig - störning i elnätet. Återtändande jordfel är vanliga i spol-jordade nät och förekommer ofta i samband med skadad isolering. Intermittenta fel kan uppstå på platser där kabelisoleringen, -anslutningar eller -skarvar skadats på grund av mekanisk påfrestning, materialfel eller åldrande. Ett återtändande jordfel kan även uppträda i en nyligen nedgrävd kabel som en följd av mekanisk påfrestning som orsakats under förläggningsarbetet. Två olika typer av intermittenta jordfel presenteras som illustrerar att felen kan ha mycket olika egenskaper. Figuren 4.5 visar det första exemplet på ett intermittent jordfel med fem slag inom 10 sekunders inspelningstid. Det utmärkande för störningen är att tiden mellan varje slag är så lång att alla storheter sjunker till noll innan nästa slag inträffar. Därför finns det ingen överlappning mellan slagen och varje nytt slag uppstår från ett tillstånd i jämnvikt där alla storheter är nära noll. För denna typ av intermittent fel så sjunker nollpunktspänningen nästan till noll mellan varje slag. Detta bör medföra att inställningen av återgångstid för reläskyddsfunktioner baserat på nollpunktsspänning blir kritisk. En strategi kan vara att använda kort återgångstid för nollpunktsspänningsskyddet (NUS) och längre återgångstid för riktade jordfelsskydd. Detta kan minska risken för ickeönskvärd reserv-utlösning från NUS:et med onödigt lång avbrottstid. Figur 4.5 Intermittent jordfel med långsam periodicitet Figuren 4.6 och närbilden Figur 4.7 visar det andra exemplet på ett intermittent jordfel. Detta felförlopp har sex slag inom mindre än en sekund inspelningstid. Det utmärkande för störningen är att tiden mellan varje slag är så kort att spänningens transient endast avklingat till ungefär halva beloppet innan nästa slag sker. Därför överlappar transienter från de olika slagen varandra. För denna typ av intermittenta fel är nollpunktspänningen fortfarande hög så länge som det intermittenta felet är närvarande. Det är osäkert om befintliga jordfelskydd klarar att ge korrekt 17

18 funktion för denna typ av störning. Om varaktigheten av det intermittenta felet överskrider tidsfördröjningen för NUS:et så finns det en uppenbar risk för oönskad bortkoppling via detta reservskydd, vilket kan orsaka bortkoppling av väsentligt fler kunder än nödvändigt. Figur 4.6 Intermittent jordfel med snabbare periodicitet Figur 4.7 In-zoomning av intermittent jordfel med snabbare periodicitet Sammanfattningsvis är det viktigt att använda en genomtänkt metodik för att kunna analysera alla olika typer av förekommande jordfel, inte minst jordfel med kortvariga transienter. 18

19 5 Station C, , mekanisk skada ger jordfel i kabel När isolationen på en kabel skadas kan det uppkomma ett intermittent jordfel som har distinkta egenskaper. Detta ger en tydlig signatur som ger vägledning att jordfelet troligen ligger i en kabel. Eftersom felet inträffade under skördesäsongen på Söderslätt kan man misstänka att en traktor kört över kabeln och kanske klämt kabeln mot en närliggande sten. Skadan orsakade flera kundavbrott och uppmärksammades i Sydsvenskan. Se utdrag från Sydsvenskan nedan. Strömmen på väg tillbaka på Söderslätt Text: Anna Carling och Jenny Eriksson Publicerad 7 september Uppdaterad 7 september Ett strömavbrott har drabbat delar av Vellinges och Trelleborgs kommuner. De drabbade områdena är Alstad, Hammarlöv, centrala Vellinge och Månstorp, Västra Ingelstad och Östra Grevie. Problemen började klockan kvart över nio på förmiddagen. Orsaken är okänd, men Eon hoppas att felet ska vara avhjälpt under eftermiddagen. Så sent som igår var 1690 kunder strömlösa i norra Vellinge. Strömavbrott inträffade vid två tillfällen och orsaken visade sig vara komponent som blivit för varm. Vi har tagit fram all mätutrustning vi har för att ta reda på vad som kan vara fel, säger Johan Aspegren, informationschef på Eon elnät. Inledningsvis var cirka 3000 kunder berörda av dagens strömavbrott, men med hjälp av omkopplingar kunde 2500 av dem snart ä strömmen tillbaka. Vid 10-tiden var fortfarande 1000 kunder berörda i centrala Vellinge och två timmar senare hade siffran minskat till 283. Vid 15-tiden var 9 kunder i Vellinge fortfarande strömlösa, 6 i Västra Ingelstad och 3 i Vellinge Månstorp Delvis handlar det som samma kunder som drabbades även igår och det är förstås ledsamt, men nu ska vi verkligen gå till botten med problemet, säger Johan Aspegren. Han berättar att det ser ut att handla om ett intermittent jordfel, vilket betyder att felet kommer och går. Man kan säga att det gick en strömstöt genom nätet när det var problem igår och det har i sin tur orsakat avbrotten idag. Vi har all tillgänglig personal på plats för att det inte ska bli problem i morgon också, säger Johan Aspegren. Enligt Eons prognos ska strömmen komma tillbaka vid 19-tiden i Vellinge Måntorp och vid 21-tiden i Västra Ingelstad. Nästa figur visar exempel på mätregisteringar och den skadade kabeln. 19

20 Figur 5.1, Mätregistreringar från intermittent jordfel i kabel, Station C. 20

21 6 Station C, , ogräs i nätstationer orsakar jordfel En olycka kommer sällan ensam. Förutom den skadade kabeln, så inträffade ytterligare störningar i Station C. Denna gång var det ogräs som växt in i nätstationer och kom i kontakt med spänningsförande delar. Om ogräset kommer i kontakt med en fas så kan det brännas av och det bir bara en kortvarig transient. Vid större mängder ogräs kan det orsaka en kortslutning mellan två faser vilket leder till frånkoppling av kunder. Mätutrustningen dbox fick två tidiga varningar om problemet. Både den 3 september och 5 september registrerades kortvariga transienter där automatanalysen pekade ut ett tillfälligt lågohmigt jordfel på fack 24. Detta visas i nästa figur. Figur 6.1 Station C, registrerad kortvarigt jordfel på fack 24, den 3 september Den 6 september, tre dagar efter första varningen, kom en allvarlig störning på fack 24 som orsakade att kunder bortkopplades. Mätningarna talar för ett samtidigt jordfel i två utmatningar, fack 24 och Fack 17, på engelska cross-country fault, vilket visas i nästa figur. 21

22 Figur 6.2 Allvarlig störning på fack 24, den 6 september Efter att felorsaken var konstaterad, så beordrade nätbolaget en städning av nätstationerna där man tog bort ogräs och annat som kan störa driften. Detta uppmärksammades i Sydsvenskan och även i E.ON:s veckoblad vilket visas i nästa figur. 22

23 Figur 6.3 Uppstädning av nätstation, område C. Figur 6.4 Nätstation, område C, kabelavslut 1 med ogräs. 23

24 Figur 6.5 Nätstation, område C, kabelavslut 2 med ogräs. Figur 6.6 Nätstation, område C, kabelavslut 3 med ogräs 24

25 7 Station C, , felaktig jordning ger kortslutning Detta är ett exempel där stora kortslutningsströmmar har registrerats. Exemplet visar också hur automatanalysen fungerar. Orsaken var felaktig manövrering av en frånskiljare. Istället för att sluta frånskiljaren, så inkopplades jordningsdonet, vilket resulterade i att frånskiljaren mer eller mindre brann upp. Nedan är en bild från nätstationen där man kan se brännmärken på ställverket, samt att skåpfronten är deformerad. Troligen finns mer sot och brännmärken på insidan av skåpet. Figur 7.1 Nätstation där det inträffat en kortslutning med hög felström. dboxen registrerade störningen och nedanstående figurer visar spänning och transformator-ström i matande fördelningsstation. Figur 7.2A Uppmätt spänning (T3) i fördelningsstation C. Figur 7.2B Uppmätt transformatorström (T3) i fördelningsstation C. 25

26 Den automatiska analysen av störningen har implementerat olika skydds-algoritmer, vilka räknar ut vad reläskydden borde gjort vid en viss störning. Detta kan användas som ett facit när de verkliga reläskydden inte fungerar som de ska. Baserat på analys av närmare störningar, så har det visat sig att automatanalysen ger betydligt mer tillförlitligt resultat än existerande reläskydd, speciellt de riktade jordfelskydden. Nästa figur visar de reläsignaler som automatanalysen ger för denna störning. Det är okomplicerat att räkna ut att överströmskydden bör lösa. På grund av osymmetri fås också start av minusströmskyddet (I2). Observera att fasströmmarna mäts endast för transformatorfacken och för utmatningsfacken mäts endast nollföljdströmmar. Därför går det endast att räkna ut överströms-signaler för transformatorn. Figur 7.3 Beräknade reläsignaler för kortslutning i Station C När de beräknade reläsignalerna används till brytarutlösning så bör återgången av utlösningssignalen vara fördröjd med ca ms för att förhindra att skyddets utlösningskontakter bryter utlösningsmagnetens spolrelä. Den automatiska analysen skapar också en sammanfattning som formateras i HTML-format och e-postas enlig en sändlista. Information brukar nå berörda personer inom 2-3 minuter efter störningen. Nästa figur visar ett utdrag ur denna information. Notera att även de relä-inställningar som används i automat-analysen finns angivna. Detta ger snabbt en rimlighetskontroll att skydden fungerat som avsett och ger också underlag för att eventuellt justera reläinställningarna. 26

27 Händelselista Tidstämpel Relativ tid Spänningsnivå Fack Skyddsfunktion Status Fas 05:01: Ej definierad 05:01: , kv T6 I2 Start 05:01: , kv T6 Ism Start L1 05:01: , kv T6 Ism Start L3 05:01: , kv T6 Ism Start L2 05:01: , kv T6 Js Start 05:01: , kv T6 Ism Trip L1 05:01: , kv T6 Ism Trip L3 05:01: , kv T6 Ism Trip L2 05:01: , kv T6 Js Trip Figur 7.4 Händelselista skapad utifrån automatisk störningsanalys. E-postas direkt efter störning. Förutom händelselistan, görs en sammanfattning av de viktigaste mätresultaten samt en analys av hur reläskydden borde fungerat. Detta görs genom att använda den uppmätta störningsfilen och köra den genom en mjukvara där de viktigaste reläfunktionerna analyseras. Följande skyddsfunktioner finns implementerade: överströmsskydd (Ism), minusföljdsskydd (I2), nollpunktsspänningsskydd (NUS), riktade jordfelsskydd (Jsr) och oriktade jordfelsskydd (Js). Det fullständiga analysresultatet skrivs in i en sökbar databas med webb-gränssnitt. De viktigaste resultaten formateras i HTML-format och skickas omedelbart med e-post. Nästa figur visar utdrag från HTML-filen för denna störning. 27

28 T6 (11 kv) Mätresultat (maximala värden under störningsregisteringen) Storhet Typ Värde 3I0 RMS 2729 A Peak 7803 A I L1 RMS A I L2 RMS A I L3 RMS A I2 RMS 2725 A Strömtransienter Antal 1 Analys Funktion Parameter Inställning Uppmätt värde Js Funktionstid 0,04 s 0,04 s, 100 % Startvärde 3I0 400 A 2729 A Återgångstid 0,02 s Jsr Nätets spolström 100 A Korrektionsvinkel 85 grader Funktionstid 2,5 s 0,035 s, 1,4 % Återgångstid 0,2 s Startvärde U0 445 V 1819 V Startvärde U0 pu 0, ,2865 Startvärde 3I0r 2 A 254,1 A Felresistans 24,78 Ohm Ism Startvärde - L A A Funktionstid - L1 0,04 s 0,04 s, 100 % Startvärde - L A A Funktionstid - L2 0,04 s 0,04 s, 100 % Startvärde - L A A Funktionstid - L3 0,04 s 0,04 s, 100 % I2 Funktionstid 0,4 s 0,122 s, 30,5 % Återgångstid 0,1 s Startvärde 400 A 2725 A Figur 7.5 Automatisk sammanfattning av uppmätta värden, samt analys av reläfunktioner för transformatorfacket T6. E-postas direkt efter störningen. 28

29 8 Station D, , jordfel med olinjär nollföljdsström Detta exempel illustrerar ett jordfel med starkt olinjär nollföljdström som har en unik och ovanlig karaktäristik. Det är inte helt klarlagt vad som orsakade felet, men en misstanke kan vara fel i en olinjär komponent, möjligen en felaktig ventilavledare. En annan teori är att felförloppet i sig med en ljusbåge skapat det olinjära beteendet. Det vore av värde att kunna följa upp likande fel och finna den primära felorsaken, för att på sikt bygga upp kunskap som kopplar fel med speciella fingeravtryck till en möjlig gärningsmannaprofil, vilket i detta fall skulle kunna betyda fel i en specifik komponent. Detta skulle underlätta felsökning och minska avbrottstiden. Figurerna nedan visar de uppmätta fasspänningarna respektive nollpunktspänning. Figur 8.1 Station D, uppmätta fasspänningar under jordfel Figur 8.2 Station D, uppmätt nollpunktsspänning under jordfel Den första frågan är vilket utmatningsfack som är felbehäftat? Ett vanligt sätt att implementera riktade jordfelskydd är att beräkna 50Hz-fasvektorer för nollföljdsspänningen samt nollföljdsströmmen för varje utmatning. Genom att använda spänning som referens så kan strömmen delas in i en komponent som ligger i fas med spänningen och en som är fasförskjuten 90 grader (ortogonal). Dessa två komponenter brukar kallas resistiv respektive kapacitiv komponent. För permanenta jordfel så kan den resistiv komponenten användas för att bestämma den felbehäftade utmatningen. Nästa figur visar nollföljdströmmen och dess resistiva och kapacitiva komponent för utmatningsfacken i Station D. 29

30 Figur 8.3 Nollföljdström, och dess resistiva och kapacitiva komponent för utmatningsfack i Station D. Den resistiva komponenten för fack 12 har stort belopp och är negativ, vilket indikerar jordfel på denna utmatning. Nästa bild visar en in-zoomning av nollföljdströmmen. Figur 8.4 In-zoomning av nollföljdströmmen för utmatningsfack i Station D. Observera den olinjära strömmen i den felbehäftade utmatningen, Fack 12. Man kan fundera om orsaken, samt hur den ovanliga, icke-sinusformade strömmen, skall beskrivas. Kurvformen har viss likhet med Hilbert-transformen av en fyrkantvåg, se nästa bild som är hämtad från en lärobok i Funktionsteori. Kanske går det att analysera vidare? Figur 8.5 Omslag från kompendium i funktionsteori. 30

31 9 Station E, , kabelfel, kortsluten strömtransformator Detta exempel visar en registrering av ett intermittent jordfel i en kabel. Förutom att mäta jordfelet i sig, så är två saker värda att notera. Det första är att mätningar går att använda för att få skälig misstanke om komponentfel i stationen. Det andra är att det går att använda mätregistreringar för att beräkna andra parametrar, ex vis en transformators nollföljdsimpedans. När störningen analyserades så gick det inte att bestämma det felbehäftade facket, dessutom var den uppmätta jordfelström i ett fack konstant noll, d v s ingen förändring under felförloppet. Nästa figur visar fas- och nollpunktsspänning vid det intermittenta jordfelet, som senare konstaterades vara orsakat av ett jordfel i en kabelskarv. Figur 9.1 Station E, uppmätt fasspännig (övre) och nollpunktsspänning (nedre) vid intermittent jordfel i kabelskarv. Registreringen var svårförståelig och först misstänktes att en kanal på mätutrustningen inte var ansluten eller felkopplad. Därför fick vi besöka stationen och undersöka på plats. Figur 9.2 Station E, felsökning i syfte att hitta orsaken till att en mätkanal registrerat noll ström. Efter en del felsökning visade det sig att den kabelströmtransformatorn som mäter summaströmmen i kabel var kortsluten på plintarna i brytarskåpet, se nästa bild. 31

32 Figur 9.3 Station E, kortslutning av strömtransformator (rödmarkerad) som orsakade att uppmätt ström var konstant noll. Naturligtvis var detta facket som matade den felbehäftade kabeln, vilket orsakade att mätutrustningen registrerat ström med amplituden noll, samt att automat-analysen inte kunnat bestämma det felbehäftade facket. Efter detta undersöktes också de övriga strömtransformatorerna i stationen. Lärdomen blev att mätutrustningen också kan användas för att få en extra kontroll att utrustningen i stationen fungerar såsom avsett. Om en mätning ger skälig misstanke om felaktigheter i stationen så bör det utredas. Fördelningsstationen E har en transformator mellan spänningsnivåerna 40 kv respektive 10 kv. Transformatorn är kopplad Yyn, vilket innebär att neutralpunkten på transformatorns 40 kv-sida är frisvävande, det vill säga icke-ansluten. Man kan tänka sig en ekvivalent modell där neutralpunkten på transformatorns uppsida är ansluten till jord via en oändligt stor impedans. Transformatorns elektriska egenskaper kan beskrivas med ett ekvivalent schema. För den aktuella transformatorn finns endast osäkra uppgifterna om detta ekvivalenta schema, speciellt för nollföljdsimpedans. Därför användes mätningen för att göra en estimering av transformatorns nollföljdsimpedans. Nollföljdsspänningsfallet över transformatorn beräknades som skillnaden mellan uppmätt delta-spänning på skenan och uppmät spänning på spolen, se nästa figur. 32

33 Figur 9.4 Station E, momentanvärde för delta-, spolspänning, dess differens (övre bild), samt transformatorns nollföljdström (nedre bild). Impedansen fås genom att beräkna fasvektorer för nollföljdsspänningsfallet och dividera med transformatorns nollföljdström. Eftersom impedansen anses vara spänningsberoende så gäller det beräknade värdet bara vid en viss spänningsnivå. Nästa figur visar resultatet. Figur 9.5 Station E, störningsdata används för att beräkna transformatorns nollföljdsimpedans. Alternativet hade varit att utföra specifika mätningar till extra kostnader för att bestämma transformatorns nollföljdsimpedans. Detta illustrerar ytterligare en fördel med en mätutrustning att normalt förekommande störningar kan användas som ett kostnadseffektivare alternativ än specifika fältmätningar. 33

34 34

35 10 Station D, , kvist i gnistgap ger intermittent jordfel Detta exempel visar en registrering av ett intermittent jordfel som orsakades av en kvist i ett gnistgap på en luftledning. Några saker är värda att notera. Det första är att, även om intermittenta jordfel oftast förekommer på kablar, så kan det även förekomma på luftledningar. Det andra är att intermittenta jordfel ofta orsakar icke-selektiva bortkopplingar. Felfungerande jordfelsskydd gör att fler kunder än nödvändigt blir bortkopplade och att felsökningen sker utifrån bristfällig eller felaktig information. I detta fall gav automanalysen korrekt resultat och pekade ut den felbehäftade utmatningen, emedan existerande reläskydd felaktigt löste ut två friska utmatningar. Figur 10.1 Station D, nollpunktsspänning vid intermittent jordfel orsakat av en kvist i ett gnistgap. E.ON:s driftdatorsystem registrerar de händelser som inträffar i nätet, ex vis när reläskydd orsakar frånkoppling av brytare. Nedan visas den information som var tillgänglig för driftspersonalen vid det aktuella tillfället. Figur 10.2 Station D, utdrag ur händelselista vid intermittent jordfel orsakat av kvist i gnistgap. Händelselistan visar signaler som anger att brytare O9, O10 och O12 blivit frånkopplade, samt larm om jordfel och överström. Informationen är grunden för att vidta korrekta åtgärder. I detta fall provtillkopplades brytare O9, O10 och O11 efter cirka 1 minut och nätet höll, d v s inget fel detekterades direkt efter tillkopplingarna. Nästa fråga för driftspersonalen är vilka åtgärder som skall vidtas för felsökning av den primära felorsaken? Här kan störningsregistreringarna från dboxen vara användbara. Automatanalysen beräknar de kritiska storheterna som används i riktade jordfelskydd. Figuren nedan visar rms-värde av nollpunktsspänningen, samt den resistiva och kapacitiva komponenten av nollföljdströmmen för de fack som löste ut (F9, F10 och F12). 35

36 Figur 10.3 Station D, nollpunktsspänningens rms-värde, samt nollföljdströmmen resistiva och kapacitiva komponenten, för de utlösta facken (F9, F10 och F12) och nollpunkten. När dlab:s automatiskt analyserar störningen så fås följande händelselista. Händelselista, Station D, kvist i gnistgap Tidstämpel Relativ tid Spänningsnivå Fack Skydd s funkti on Status 07:34: Ej definierad 07:34: , kv Fack 12 Jsr Start L1 07:34: , kv T1 Nus Start L1 07:34: , kv T2 Nus Start L1 07:34: , kv Fack 12 Jsr Trip L1 07:34: , kv Fack 12 Jsr Återgång L1 07:34: , kv T1 Nus Återgång L1 07:34: , kv T2 Nus Återgång L1 Figur 10.4 Station D, händelselista beräknad av dlab:s automatanalys av den registrerade störningen. Fas 36

37 Automat-analysen ger också mer detaljerad information om varje fack. För Fack 12 som utpekas som felbehäftat, ges följande information som e-postas direkt efter att störningen är analyserad, vilket brukar ta 1-3 minuter. Figur 10.5 Station D, resultat av automatanalysen för Fack 12. dlab:s automatanalys ger entydig informationen att endast Fack 12 är felbehäftat. Eftersom endast det riktade jordfelsskyddet (Jsr) gett utlösning, samt att 27 stycken ström-transienter registrerats, så dras slutsatsen att felet är ett intermittent jordfel på ledningen som matas från Fack 12. Sammanfattning av information att använda för att skicka ut fältpersonal för felsökning: Information från E:ON:s driftdatorsystemet talar för ett jordfel, eller kortslutning, eller samtidigt jordfel på något eller några av Fack 9, 10, 12. Information från dlab:s automanalys av störningsdata visar ett intermittent jordfel på endast Fack 12. Eftersom dlab:s information pekar på en specifik fel-typ och på ett specifikt fack, så borde tiden och kostnaden för felsökning reduceras till mindre än en tredjedel i jämförelse med information från driftdatorsystemet. Dessutom fås korrekt information för statistik och underlag för framtida beslut. 37

38 38

39 11 Station F, , kraftigt åskväder Tillgång till information är helt avgörande för att kunna göra en störningsutredning. Omfattande information ger förutsättningar för en bättre störningsutredning och knapphändig information kan omöjliggöra att förstå vad som egentligen hänt vid en störning. Detta illustreras nedan med ett exempel som är taget från Station F den 26 juli Under en tidsrymd av cirka två dygn drabbades området av ett kraftigt åskväder som orsakade exceptionellt många blixtnedslag vilket i sin tur orsakade att mätutrustningen (dbox) fångade extremt många störningar. Poängen med detta exempel är att illustrera att information om blixtnedslag är mycket viktigt för att kunna vidta korrekta åtgärder. Under perioden juli drog ett kraftfullt åskväder förbi Station F. Nästa bild visar blixtregistreringar från SMHI:s system, för juli Figur 11.1 Blixregistreringar från SMHI, för området kring Station F, under 48 timmar, från 25 juli 00:00, till 26 juli 23.59, Som synes var det ett ovanligt kraftfullt åskväder med många registrerade blixtnedslag. Under åskvädret registrerades 289 störningsinspelningar med dboxen. Under samma tidsperiod inträffade också flertalet bortkopplingar av olika utmatningsfack. Enligt E.ON:s driftdatorsystemet registrerades 48 verifierade avbrott under 31 timmar. För samma period har följande spontana brytarfrånslag registrerats, vilka troligen orsakas av utlösningar från reläskydd. 39

40 Fack Antal spontana brytarfrånslag Figur Antal spontana brytarfrånslag i Station F, juli, dboxens registreringar, och automatanalysen visar att en vanlig felorsak är så kallade crosscountry -fel, det vill säga samtidiga jordfel i två utmatningsfack. Fenomenet kan vara vanligare än tidigare ansetts. Nedan visas en typisk registrering. Figur 11.3 Station F, åskstörning, fasspänning och -strömmar. Figur 11.4 Station F, åskstörning, nollpunktsspänning och -strömmar. 40

41 Ett möjligt felförlopp är att ett blixtnedslag orsakar ett första jordfel, antingen fas-jord eller fas-fasjord, vilket höjer spänningen i en eller två friska faser. Om det finns en annan ledning som har försämrad isolationshållfasthet gentemot jord så slår det över i den friska fasen i detta utmatningsfack. Ett mindre troligt felförlopp är att ett blixtnedslag orsakar en samtidig spänningshöjning på en eller flera ledningar, vilket kan orsaka ett eller flera samtidiga överslag från fasledare till jord. Utan störningsregistreringar är det mycket svårt, nästintill omöjligt, att utreda olika förlopp. Det finns en stor risk att underlaget för att vidta åtgärder blir bristfälligt. Dock bör man inte felsöka i nätet under pågående åskväder p g a personfara för fältpersonal. Exemplet illustrerar att det krävs mer information än bara händelselistan från driftdatorsystemet för att kunna utreda en störning. Olika källor att använda i en störningsutredning kan vara: händelselista från nätdrift; information om blixtregistreringar; E-post med dlab:s automatsanalys; samt plottning av dbox-störningsregistreringar. 41

42 42

43 12 Station E, , proaktiv felbortkoppling I början av augusti 2013 registrerades två tillfälliga jordfel i Station E. Figurerna nedan visar en typisk registrering. Figur 12.1 Station E, registrering av tillfälligt jordfel. Fas-, nollpunktsspänning och nollföljdsström. dlab e-postade information till ansvarig reläingenjör på E.ON som bedömde att orsaken till störningen borde undersökas närmare. Ledningen patrullerades med akustisk pejl-utrustning och entreprenören hittade en sprucken isolator som byttes. Detta återrapporterades sedan till E.ON och även till dlab. Detta är ett exempel på proaktiv felbortkoppling där felet har hittats och åtgärdats innan det har lett till något avbrott för kund. Nedan är utdrag ur e-posten som visar en välfungerande organisation som tar initiativ och agerar proaktivt. 43

44 Ämne: LYD-fack L725 Hej! Jag får information från Dlab om att två störningar har inträffat i Station E den 02 augusti 2013 kl och den 05 augusti 2013 kl När jag analyserar störningarna märker jag att det har inträffat 2 st intermittenta jordfel i LYD-fack L725, fas L2. De intermittenta jordfelen var väldig korta och därför har ingen NUS-utlösning inträffat. Skyddet som finns i facket är SPAC539C1 och har inte någon intermittent skyddsfunktion, därmed om det inträffar ett nytt intermittent jordfel som varar längre, så kommer NUS:et att lösa hela stationen. Felet som finns i LYD-fack L725 kan också bli ett riktigt jordfel och då kommer jordströmskyddet i facket att lösa. Det vare lämplig om man börjar felsöka facket! Om man har tur hittar man felet innan jordströmsskyddet löser LYD-fack L725 eller innan NUS:et löser hela stationen. YYY, Drift, Selektivplaner, E.ON Elnät Sverige AB Här är svaret efter åtgärder. Subject: VB: LYD-fack L725 Hej Som du ser nedan så har EKB gått ledning 725 samt 721 i Station E med pejl utrustning. Håkan upptäckte en trasig isolator i ledning 721 som byttes i fredags em. Vid upptäckten kollade han med faspenna på stolpen och pennan indikerade spänning. Stolpen är en kreosotstolpe med krokkonstruktion ingen jordad del finns i stolpen. När Håkan bytte isolatorn delade den sig när han lossade najningen. I skrivande stund är det lite kvar att kontrollera. Inga larm på start jordfel på 721 (H3-10) enligt WS 500 har kommit efter bytet fram till dags datum. Peter du håller lite koll på Station E de närmaste dagarna har det inte hänt något kan vi nog säga att vi har lyckats hitta felet innan det blev ett permanent fel. XXX, Gruppchef Anläggningar, E.ON Elnät Sverige AB 44

45 13 Station G, , analys av övertoner Eftersom hårdvaran på dboxen möjliggör högkvalitativa mätningar så går det att använda samma utrustning för att mäta övertoner. Det enda som krävs är en modifiering i mjukvaran som periodiskt loggar korta mätserier. Fördelen är att samma mätutrustning kan användas för all typ av mätning med avseende på spänningskvalitet i enlighet med Energimarknadsinspektionens nya föreskrifter EIFS 2013:1. Genom att dboxen kan mäta samtidigt i samtliga fack i en station så går det också att kartlägga effektriktningen för olika övertoner och bestämma orsak och verkan. Med andra ord, att bestämma om källan till övertonerna är matande nät, eller möjligen en större kund, samt vem som drabbas. Frågeställningen i det aktuella fallet var om övertoner kunde orsaka onormal utlösning av elmotorer som drev kompressorer för fjärrvärme och -kyla. I början av sommaren 2013 monterades och driftsattes en dbox i Station G. Stationen ägs och drivs av Kraftringen Nät AB (KNAB). Nätschemat med inritade mätpunkter för Station G visas i nästa figur. Figur 13.1 Nätschema med inritade mätpunkter för Station G. För transformatorfacket mäts tre fasströmmar och för varje utmatningsfack mäts två fasströmmar il1 och il3 samt summaströmmen in, (3I0). Strömmen i fas L2 beräknas som il2=in-il1-il3. Alla tre fasspänningarna mäts samt även deltaspänning. Data för att beräkna övertoner loggas periodiskt. Nuvarande inställning är 400 ms data som loggas en gång per timme. Övertoner beräknas för trefasgrupper av fackströmmar och skenspänning. Första steget i beräkningen är att beräkna 50 Hz plusföljdskomponenten, som dras ifrån det uppmätta värdet. Differensen mellan uppmätt och 50 Hz plusföljd, används för att beräkna övertoner samt nollföljd och minusföljd Beräkningsexempel, övertoner i spänning Nedanstående exempel visar beräkningen för skenspänning och samma typ av beräkningen görs även för strömmarna i utmatningsfacken. 45

46 Figur Skenspänning för matning från transformator T4 i Station G. Översta grafen visar uppmätt fasspänning T4-uL1, L2, L3, samt beräknad plusföljdspänning u1l1, L2, L3. Mitten-grafen visar differensen mellan dessa två spänningar, vilket används för att beräkna distorsionen. Den nedre grafen visar distorsionen vid olika frekvenser. I alla beräkningar användes en fönsterlängd av 40 ms, vilket motsvarar två perioder av grundtonen. Följande beteckningar används: ul1, ul2, ul3 är uppmätta fasspänningar; u1l1, u1l2, u1l3 är beräknad 50 Hz plusföljdsspänning; dul1 dul2, dul3 är skillnaden mellan uppmätt fasspänning och beräknad plusföljdsspänning, d v s dul1= ul1- u1l1; dul2= ul2- u1l2; dul3= ul3- u1l3. Plusföljden för 50Hz-komponenten beräknas genom att för varje fasspänning, beräkna 50Hzfasvektorer (DFT) och med hjälp av symmetriska komponenter beräkna plusföljden. När plusföljdens relativa fasläge och belopp är kända så kan plusföljden representeras med tre symmetriska sinusformade spänningar med tidsberoende. Den totala harmoniska distorsionen beräknas som medelvärdet av sann RMS för de tre faserna: THD RMS = 1 3 ( N N N 1 N (dul1 k) N (dul2 k) N (dul3 k) 2 k=1 k=1 k=1 ) Oftast är det intressant att relatera detta värde till plusföljdens värde. Beteckningen THD används för relativ total harmonisk distorsion och beräknas som 46

47 THD = THD RMS U1 RMS där U1 RMS är rms-värdet för 50 Hz plusföljdsspänning. Den relativa THD skrivs ut i titeln för den nedre grafen och är i detta fall 3.5% av 50 Hz plusföljdsspänningen. Efter att 50 Hz plusföljdsspänning subtraherats, så används de beräknade skillnaderna dul1 dul2, dul3 för att beräkna övertoner och sker enligt följande Matlab-pseudo kod, a=exp(j*2*pi/3); A=(1/3)*[1 1 1 ; 1 a a*a; 1 a*a a]; f0=50; nharm=[1:20]; fh=f0*nharm; for kh=1:length(fh) UL1_dft=dft(duL1,nDFT,fh(kh),fs); UL2_dft=dft(duL2,nDFT,fh(kh),fs); UL3_dft=dft(duL3,nDFT,fh(kh),fs); % get one stable complex value, kk is index for two cycles UL123_phasor=[mean(UL1_dft(kk)) ; mean(ul2_dft(kk)); mean(ul3_dft(kk))] ; % symmetrical component for this frequency and these phasors U012_phasor=A*UL123_phasor ; U0h(kh)=U012_phasor(1); U1h(kh)=U012_phasor(2); U2h(kh)=U012_phasor(3); % use symmetrical components to calculate distortion fh_rms_012 = sqrt( abs(u0h(kh))^2 + abs(u1h(kh))^2 + abs(u2h(kh))^2); fh_rel(kh)= fh_rms_012 / Sym50HzRMS ; end Dessa beräkningar används för att räkna fram den nedre grafen i Figur De beräknade komplexa vektorerna U0h, U1h, U2h, sparas också undan. Totalt har dessa vektorer index 1 till 20, motsvarande frekvenserna 50 till 1000 Hz. Här visas beloppen för index 1, 2 8, vilket motsvarar frekvenserna 50, 100, 400 Hz. RMS-värdet för 50 Hz grundtonen för fasspänningen är 6.25 kv, vilket motsvarar huvudspänningen kv. Frekvens U0 (V) U1 (V) U2 (V) (Hz) N.A Tabell Övertoner i spänning i volt, U0, U1, U2 = noll-, plus- och minusföljdsspänning. Observera att noggrannheten i mätningen är begränsad och värden lägre än 0.1 % av fullt skalutslag kan vara osäkra. Det betyder att mätvärden lägre än volt är osäkra och skall därmed tolkas med försiktighet. Det kan vara enklare att relatera övertonerna till plusföljdsspänningen och räkna i procent, vilket ger 47

48 Frekvens U0 (%) U1 (%) U2 (%) (Hz) N.A Tabell Övertoner i spänning i procent av grundton, U0, U1, U2 = noll-, plus- och minusföljdsspänning. Resultatet visar att de signifikanta övertonerna har frekvenserna 250 Hz och 350 Hz. Övertonen vid 250 Hz har beloppet 3.0 %, och existerar endast i minusföljdsspänningen (U2h). Övertonen vid 350 Hz har beloppet 1.8 % och existerar endast i plusföljdsspänningen (U1h). Ett alternativt sätt att beräkna total harmonisk distorsion är att beräkna med hjälp av övertoner. Följande formel kan användas THD Harm = 1000Hz k=50hz (fh rel k )2. Där fh rel är den relativa övertonshalten för frekvensen k och beräknas enligt Matlab-koden ovan. I k vårt exempel finns endast två signifikanta övertoner, vilket ger THD Harm = %. Detta värde överensstämmer med THD som beräknades ovan med hjälp av sant RMS-värde av differensspänningarna dul1= ul1- u1l1; dul2= ul2- u1l2; dul3= ul3- u1l Beräkningsexempel, övertoner i ström Nedanstående exempel visar beräkning av övertoner för de två utmatningsfacken 16 och 17. Beräkningarna sker på samma sätt som vid beräkning av övertoner i spänning. 48

49 Figur Strömmar för Fack16 i Station G. Översta grafen visar uppmätt fasström il1, L2, L3, samt beräknad plusföljdsström i1l1, L2, L3. Grafen i mitten visar differensen mellan dessa två strömmar, vilket används för att beräkna distorsionen. Den nedre grafen visar distorsionen vid olika frekvenser. Figur Strömmar för Fack17 i Station G. Översta grafen visar uppmätt fasström il1, L2, L3, samt beräknad plusföljdsström i1l1, L2, L3. Mitten-grafen visar differensen mellan dessa två strömmar, vilket används för att beräkna distorsionen. Den nedre grafen visar distorsionen vid olika frekvenser. Den relativa THD:n skrivs ut i titeln för den nedre grafen. För fack 16 är den 22.6% av 50-Hz plusföljdsströmmen och för fack 17 är motsvarande värde 27.0%. De nedre graferna i Figur 13.3 och 13.4 beräknas på samma sätt som för spänningen. De beräknade komplexa vektorerna I0h, I1h och I2h sparas också undan för varje fack. Totalt har dessa vektorer index 1 till 20, motsvarande frekvenserna 50 till 1000 Hz. Här visas beloppen för index 1, 2 8, vilket motsvarar frekvenserna 50, 100, 400 Hz. 49

50 Frekvens I0 (A) I1 (A) I2 (A) (Hz) N.A Tabell Fack 16, ström-övertoner i ampere, I0, I1, I2 = noll-, plus- och minusföljdsström. För fack 16 var RMS-värdet 70.4 A för 50 Hz plusföljdsströmmen. Genom att relatera övertonerna i procent av denna ström, så fås Frekvens I0 (%) I1 (%) I2 (%) (Hz) N.A Tabell Fack 16, strömövertoner i procent av grundtonen. Motsvarande värden för fack 17, blir Frekvens I0 (A) I1 (A) I2 (A) (Hz) N.A Tabell Fack 17, strömövertoner i ampere, I0, I1, I2 = noll-, plus- och minusföljdsström. För fack 17 var RMS-värdet 51.3 A för 50 Hz plusföljdsströmmen. Genom att relatera övertonerna i procent av denna ström, så fås 50

51 Frekvens I0 (%) I1 (%) I2 (%) (Hz) N.A Tabell Fack 17, strömövertoner i procent av grundtonen. Resultatet visar att de signifikanta övertonerna i huvudsak innehåller frekvenserna 250 Hz (minusföljd) och 350 Hz (plusföljd). Ett alternativt sätt att beräkna total harmonisk distorsion är att använda formeln ovan. I vårt exempel finns endast två signifikanta övertoner, vilket ger Fack 16, THD Harm = %, Fack 17, THD Harm = % Detta värde överensstämmer med THD som beräknades ovan som medelvärdet av sant RMS-värde per fas, vilket för fack 16 gav 22.6 %, och för fack 17 gav 27.0% Aktiv och reaktiv effekt för övertoner För alla övertoner i ström och spänning beräknas en komplex vektor för plus-, minus- och nollföljdskomponenten. Detta gör det enkelt att beräkna effekten för olika övertoner och symmetriska komponenter. Effektriktningen ger en uppfattning om störningskällan för varje överton. För att bestämma referensriktningarna för aktiv och reaktiv effekt, så plottas effekten för plusföljdens grundton, där effektriktningen bör vara känd. Transformatorfacket bör leverera aktiv och reaktiv effekt. Huvudregeln för de utgående facken är att de konsumerar både aktiv och reaktiv effekt. Det finns dock undantag, vissa fack i landsbygdsnät med mycket kabel och lite last kan generera reaktiv effekt och fack med ansluten vindkraft kan generera aktiv effekt. Effektriktningarna väljs så att laster får positiv aktiv och positiv reaktiv effekt. Således betyder negativa värden att effekt matas in från detta fack Aktiv och reaktiv effekt för plusföljd 50 Hz För det aktuella exemplet är 50Hz plusföljdsspänningen U1 50Hz = 6.25 kv 115 För det aktuella exemplet visar nästa tabell 50Hz plusföljdsströmmen för de olika facken. 51

52 Fack I1 (A) I1 (grader) H H H H H H H T Tabell Strömmar för 50 Hz plusföljd Den komplexa trefaseffekten för 50 Hz plusföljd för varje fack, beräknas som S1 50Hz = 3 U1 I1, där * betyder komplex konjugat, d v s byt tecken på argumentet för I1. För vårt exempel fås. Fack S (MVA) S (grader) P(MW) Q(MVAR) H H H H H H H T Tabell Effekter för 50 Hz plusföljd. Automatanalysen beräknar effekten för 50 Hz plusföljd och skapar en figur i pdf-format. Nästa figur visar resultatet. Figur Aktiv och reaktiv effekt för 50 Hz plusföljd, Station G, , kl 05:08. 52

53 13.5 Signifikanta övertoner i spänning Övertoner beräknas på samma sätt som för plusföljdens grundton och har tidigare redovisats i Tabell Tabellen visar att de flesta övertoner har mycket små belopp och därmed kan försummas; endast två övertoner har signifikant stort belopp, nämligen U2 250Hz = och U1 350Hz = 112 V Aktiv och reaktiv effekt för 5:e övertonen (minusföljd 250 Hz) För 5:e övertonen, 250 Hz, blir strömmarna i fack 16 och fack 17, I2(fack16) 250Hz = 14.6 A 99 I2(fack17) 250Hz = 13.1 A 84 På samma sätt som för 50 Hz beräknas den komplexa trefaseffekten för dessa övertoner, S2 250Hz = 3 U2 250Hz I2 250Hz, vilket ger nedanstående tabell Fack S (kva) S (grader) P(kW) Q(kVAR) H H Tabell Effekter för 250 Hz minusföljd När spänningsövertonen är större än 1% av grundtonen, så beräknar automatanalysen effekterna för samtliga fack och presenterar resultatet i en graf, som sparas i pdf-format. Figur Aktiv och reaktiv effekt för 250 Hz minusföljd, Station G, , kl 05:08. Notera att olika skala används för P och Q. Figur 13.6 visar att 5:e övertonen, 250 Hz, främst sker genom inmatning (negativt tecken) av reaktiv effekt från fack 15, 16 och 17, som sedan matas ut på yttre nätet via T4. 53

54 Vi ser även att fack 15 och 16 matar in aktiv effekt för denna överton och att en del matas ut på fack 13, 14 och även transformatorn T Aktiv och reaktiv effekt för 7:e övertonen (plusföljd 350 Hz) För denna överton beräknas strömmarna i fack 16 och fack 17, I1(fack16) 350Hz = 6.6 A 150 I1(fack17) 350Hz = 4.1 A 30. På samma sätt som för 50 Hz beräknas den komplexa trefaseffekten för dessa övertoner, S1 350Hz = 3 U1 350Hz I1 350Hz, vilket ger nästa tabell Fack S (kva) S (grader) P(kW) Q(kVAR) H H Tabell Effekter för 350 Hz plusföljd Nästa figur visar effekten för 7:e övertonens plusföljd, för samtliga fack med mätningar. Figur Aktiv och reaktiv effekt för 350 Hz plusföljd, Station G, , kl 05:08. Notera att olika skala används för P och Q. Figur 7 visar att 7:e övertonen, 350 Hz, främst sker genom inmatning (negativt tecken) av reaktiv effekt från fack 15, 16, som sedan matas ut på yttre nätet via T4. Vi ser även att fack 17 matar in aktiv effekt för denna överton och att en del matas ut på fack 15, 16 och även transformatorn T4. 54

55 För att göra någon typ av slutsats är det klokt att repetera den ursprungliga frågeställningen. Kan övertoner orsaka onormal utlösning av elmotorer som driver kompressorer för fjärrvärme och kyla? Tyvärr blir svaret inte entydigt. Kanske kan övertoner vara orsaken till att elmotorernas skydd löser ut, men det som talar emot detta är att spänningen i matningspunkten uppfyller kvalitetskraven i EIFS 2013:1. Kanske är det troligare att den verkliga orsaken är kortvariga spänningsförändringar i nätet. En möjlig förklaring är ett en industrikund startar en stor elmotor som tillfälligt sänker spänningen i mellanspänningsnätet, vilket påverkar andra kunders elutrustning. Tidigare har dboxen fokuserat på störningar som borde starta reläskydden, samt periodisk loggning av korta mätserier för att beräkna övertoner. Från september 2014, kommer dboxen att förbättras med ett separat triggkriterium som använder avvikelse i spänning. Detta möjliggör att även fånga kortvariga spänningssänkningar som orsakas av variation i last. Detta bör ge bättre underlag för att ge ett säkrare svar. 55

56 56

57 14 Station H, , jordfel i kabelavslut Detta exempel visar ett felförlopp där felkällan hittats och därför kan störningarna användas för att bygga upp ett bibliotek med fingeravtryck och signalement för en viss primär felorsak. Det är också av intresse att kunna visa hur störningsförloppet utvecklas med tiden. Den första indikationen på onormal aktivitet i nätet kom , klockan 22 lokal tid. Automatanalysen ger informationen att det riktade jordfelsskyddet (Jsr) för Fack 27 borde ha löst ut, vilket det också gjorde i verkligheten. Bilderna nedan visar registreringar av nätets nollpunktsspänning och nollföljdström för fack 27 samt dess resistiva och kapacitiva strömkomponenter. Figur 14.1 Station H, första registreringen av jordfel i kabelavslut. Uppifrån och ned visas: nollpunktsspänning, nollföljdström för fack 27, samt dess resistiva och kapacitiva strömkomponenter. Utifrån dlab:s automanalys av störningen genereras följande händelselista Figur 14.2 Station H, dlab:s händelselista för första registrering av jordfel. Analysen ger också en fil i HTML-format med detaljerad information om det felbehäftade facket, se nästa figur. 57

58 Figur 14.3 Station H, dlab:s automatanalys för första störningen, utdrag för Fack 27 med jordfel Notera att jordfelet var relativt högohmigt, något över 1 kohm. Fack 27 provtillkopplades och nätet höll samman och var störningsfritt i nästan två timmar. Strax efter midnatt inträffade nästa jordfel i Fack 27. Förloppet liknade den tidigare registreringen, men med högre felresistans, ca 3.6 kohm. Efter tillkoppling fungerade Fack 27 i tre timmar och runt klocka tre på natten inträffade det tredje jordfelet som var ett lågohmigt intermittent jordfel. Detta jordfel var kvarstående vilket visar att kabelisoleringen var förstörd och måste repareras. 58

59 Figur 14.4 Station H, tredje registreringen som var ett kvarstående jordfel i ett kabelavslut. Uppifrån och ned visas: nollpunktsspänning, nollföljdström för fack 27, samt dess resistiva strömkomponent. Nästa figur visar detaljerna från automanalysen av den tredje störningen som var ett permanent isolationsfel på kabeln. Figur 14.5 Station H, dlab:s automatanalys för tredje störningen, utdrag för Fack 27 med jordfel 59

60 Notera följande: Automatanalysen registrerar 43 stycken ström-transienter för Fack 27, vilket är karakteristiskt för ett intermittent jordfel. Den beräknade felresistansen har sjunkit till låga 3.6 ohm, vilket talar för totalt genomslag av isolering mot jord. Nollpunktsspänningen samt nollföljströmmens resistiva komponent har ökat väsentligt. Efter felsökning hittades orsaken till jordfelet i Fack 27 och återrapporterade till berörda, se nedan. Hej! Här är bilder på avslutet som var kasst. Avslutet var i stolpe S3083 på fack 27 i STATION H. Är nu bytt. Samtidigt hittade man en OL95 isolator på säkringshållare i Station STATION H-504 som också byttes, den var sprucken. Bilder på OL-95:an finns inte. Med vänliga hälsningar/ With kind regards, XXX YYYYY Anläggningar / Ledningsunderhåll Figur 14.6 Station H, återrapportering efter felsökning av utmatningsfack 27. Kabeländen med isolationsfel fotograferades och återrapporterades inom organisationen, se nästa figur. Figur 14.7 Station H, återrapporterade bilder på jordfel i kabelavslut som matades från Fack

61 15 Station I, , kortslutning orsakar kortvarig spänningssänkning I fördelningsstation I installerades våren 2013 en flerkanalig dbox av nytt fabrikat. Den nya mätutrustningen har många fördelar, bland annat är den enkelt skalbar och har även stöd för att synkronisera mätning i decentraliserade enheter. Varje mätenhet har en kommunikationsmodul med två nätverksuttag, ett inkommande och ett utgående som kopplas vidare till nästa enhet. Bussystemet är EtherCat och möjliggör synkroniserad sampling av enheter som sitter på olika platser, men är sammankopplade via nätverkskabel. Nästa bild visar dboxen samt vad som mäts i Station I. Observera att flera olika enheter användes som är placerade på olika ställen inom samma byggnad. Enheterna är sammankopplade via nätverkskabel och kommunicerar via den nya EtherCatstandarden. Figur 15.1 Installerad dbox samt mätkanaler i Station I. Den 24 april 2014 inträffade en kortslutning när en frånskiljare manövrerades i samband med nätomkopplingar. Vid tillfället var de två 50 kv facken, Fack 53 och Fack 67, sammankopplade och en frånskiljare öppnades. Detta orsakade en kortslutning i punkten för sammankoppling. Kortslutningen började som en tvåfasig kortslutning som övergick i en trefasig kortslutning. Nästa figur visar strömmarna i Fack 53, Fack 67 och matande transformatorfack. 61

62 Figur 15.2 Station I, uppmätta fasströmmar i Fack 53, Fack 67 och transformatorfack T2-50. Automatanalysen genererar följande händelselista. Figur 15.3 Station I, av automatanalysen genererad händelselista. Automanalysen ger också mer detaljerad information om respektive fack. Som exempel visas informationen för Fack

63 Figur 15.4 Station I, automatgenererad detaljerad information för Fack 53. Fördelningsstationen Station I har tre spänningsnivåer, inkommande 130 kv, utgående 50 kv och 20 kv. Kortslutningen orsakade en spänningssänkning i 50 kv-nätet som spreds via den gemensamma transformatorn T2 och gav också en kortvarig spänningssänkning i både 130 kv och 20 kv näten. Nästa figur visar fasspänningen i det felbehäftade 50 kv nätet, samt i anslutande 130kV och 20 kv nät. 63

64 Figur 15.5 Station I, uppmätta fasspänningar för felbehäftat 50 kv-nät, samt 130 kv och 20 kv. Energimarknadsinspektionen har utfärdat nya föreskrifter för elkvalitet, vilket beskrivs i EIFS2013:1. Bland annat finns föreskrifter om kortvariga spänningssänkningar i olika nät, se nedan. Figur 15.6 Föreskrifter om kortvarig spänningssänkning, utdrag ur EIFS 2013:1, 7 kap., 7. Ovanstående tabell används i automatanalysen för att klassificera störningsregistreringen. De tre huvudspänningarna används för att beräkna tiden under en viss spänningsnivå. Nästa figur visar resultatet för den aktuella störningen i 50 kv-nätet. 64

65 Figur 15.7 Station I, 50 kv-nätet, dlab:s automatiska klassificering av kortvarig spänningssänkning enligt EIFS2013:1. 65

66 66

67 16 Station H, , avbruten isolator vid stolptransformator Här kommer ytterligare en störning där felorsaken har fastställts. Felet utvecklades snabbt och det tog endast 5-10 sekunder från första störningen tills felet blev permanent och Fack 15 löste ut. Den första registreringen gjordes , klockan 06:10, och var ett högohmigt jordfel (3.7 kohm) på Fack 15, som självsläckte då timern på det riktade jordfelskyddet gått 1.2 sekunder (inställning för utlösning var 1.6 s). Nästa figur visar den registrerade nollpunktsspänningen. Figur 16.1 Station H, första registreringen, uppmät nollpunktsspänning för tillfälligt högohmigt jordfel. Figur 16.2 Station H, första registreringen, in-zoomning av uppmät nollföljdströmmar för tillfälligt högohmigt jordfel. 67

68 Figur 16.3 Station H, första registreringen, händelselista beräknad av automatanalys. Här är det detaljerade analysresultat för det felbehäftade facket. Figur 16.4 Station H, första registreringen, detaljerad information beräknad av automatanalys. Störningen fortsatte och orsakade flera registreringar. Efter några sekunder hade störningen överskridit de nivåer där automatanalysen menar att Fack 15 bör bortkopplas via det riktade jordfelskyddet (Jsr). 68

69 Figur 16.5 Station H, uppmätt nollpunktsspänning och nollföljström, samt dess beräknade resistiva komponent, för den störning som enligt automatanalysen borde gett bortkoppling av Fack 15. Efter felsökning av nätet som matas från Fack 15, upptäcktes en avbruten isolator vilket medfört att anslutningen till en stolptransformator lossnat och hade delvis kontakt med jord. Detta orsakade det högohmiga jordfelet. Detta visas i nästa figur. 69

70 Figur 16.6 Station H, avbruten isolator som gjort att anslutning till stolptransformator lossnat och orsakade ett högohmigt jordfel. 70

71 17 Station I, , fel i överliggande nät Vid tillfälliga spänningssänkningar kan det vara av intresse att veta orsaken till sänkningen. Är orsaken en kortslutning i egna nätet som i kombination med långsam felbortkoppling ger en oacceptabel spänningssänkning? Eller ligger orsaken i det yttre matande nätet som kanske har annan huvudman? Frågeställningen är av intresse för att bestämma vem som bär ansvaret om någon part väcker talan. Detta exempel visar en störningsregistrering i Station I där en spänningsdipp i det yttre matande 130 kv också orsakade osymmetri i de underliggande 50 KV och 20 kv näten. Nästa figur visar fasspänningarna i Station I för 130 kv, 50 KV och 20 kv nätet. Figur 17.1 Registrerade spänningarna i Station I, 130 kv, 50 KV och 20 kv. Fasströmmarna på de olika spänningsnivåerna visar om någon kortslutning förekommit i det underliggande nätet som matas från transformatorn. Nästa figur visar fasströmmarna för transformatorn T2, på spänningsnivå 20 kv och 50 kv. Strömmarna på 130 kv registreras inte. 71

72 Figur 17.2 Station I, fasströmmarför transformatorn T2, övre 20 kv, nedre 50 kv. Figuren visar att det inte finns några stora kortslutningsströmmar, utan snarare en osymmetri som kan vara orsakad av en osymmetrisk spänning i yttre 130 kv nät, som skapar osymmetri i belastningsströmmarna i 20 kv och 50 kv-näten. När det finns en mätbar osymmetri i fasstorheter som orsakar signifikanta minusföljdsstorheter, typiskt vid tvåfasiga kortslutningar utan jordberöring, så kan dessa användas för att bestämma felriktning. Genom att beräkna 50-Hz fasvektorer for ström och spänning, så kan minusföljden beräknas. Låt beteckningarna I2 vara fasvektorn för minusföljdströmmen och U2 för minusföljdsspänningen. Genom att beräkna impedansen Z2=U2/I2, fås en användbar storhet. Argumentet för Z2 ger riktningen till fel. Om samtliga utmatningsfack med signifikanta mätstorheter indikerar fel i backritningen så infogas en rad i automatanalysen som säger Troligen fel i överliggande nät. Denna skrivs direkt efter händelselistan, se nästa figur. Figur 17.3 Station I, Händelselista och information om troligen fel i överliggande nät. 72

73 18 Station H, , jordfel, träd i kontakt med luftledning Här kommer ytterligare ett exempel där felorsaken hittats och återrapporterats, vilket gör att ett visst felförlopp kan knytas till en konkret felorsak. I detta fall finns två tydliga registreringar som inträffade med två dagars tidskillnad. Den första störningen gav ingen utlösning och orsakade inte heller något elavbrott hos någon kund. Men automatanalysen utfärdad ändå en allvarlig varning att reläskydden borde startat och nått över 50% av inställd tidsfördröjning. Det betyder att störningen varit nära att orsaka ett elavbrott med bortkoppling av kunder. Den andra störningen inträffade två dagar senare och gav utlösning och bortkoppling av kunder. Tiden mellan störningarna är så lång att det teoretiskt sett ger tid för proaktiv felsökning som möjligen skulle kunna förhindrat det andra felet. Den första störningen var ett jordfel i Fack 26. Nedanstående figurer visar utdrag med de resultat som dlab-systemet automatiskt genererar direkt efter störningen inträffat. Figur 18.1 Station H, första jordfel i Fack 26, fasström (endast fas L1 och L3 mäts), fasspänning, nollpunktsspänning, nollföljdström och beräknad resistiv komponent. 73

74 Figur 18.2 Station H, första jordfel i Fack 26, händelselista skapa av automatanalysen. Figur 18.3 Station H, första jordfel i Fack 26, detaljerad information om Fack 26. Den andra störningen inträffade två dagar senare och var mer komplex och svårare att förstå. De två utmatningsfacken 25 och 26 var delaktiga i störningen. Registreringarna talar för samtidiga fel i två utmatningar, troligen en kombination av jordfel och/eller tvåfasig kortslutningar med jordberöring. Automatanalysens resultat visas i följande figurer. 74

75 Figur 18.4 Station H, andra störningen i Fack 25 och Fack26, fasström (endast fas L1 och L3 mäts), fasspänning, nollpunktsspänning, nollföljdström och beräknad resistiv komponent. Figur 18.5 Station H, andra störningen i Fack 25 och Fack26, händelselista skapa av automatanalysen. 75

76 Figur 18.6 Station H, andra störningen i Fack 25 och Fack26, detaljerad information om Fack 25 och

77 Den andra störningen är mer komplex och följande är värt att notera. Eftersom alla tre fasspänningarna sjunker så har det troligen varit en kortslutning där alla tre faserna varit inblandade. Eftersom endast nollföljdströmmarna i Fack 25 och Fack 26 mäts, så är det svårt att bestämma vilka faser som varit inblandade i respektive fack. Nollföljdströmmens belopp visar att både fack 25 och 26 har haft ett fel med jordkontakt. Eftersom nollföljströmmen i de två facken varit motriktad så talar detta för ett samtidigt jordfel, där felströmmen cirkulerar mellan facken. Eftersom flera faser är felbehäftade, så blir fasläget för nollföljdspänningen väsentligen annorlunda än vid ett enfasigt jordfel på en utmatning. Därför fungerar inte de riktade jordfelsskydden som avsett. Detta i kombination med den cirkulerande nollföljströmmen förklarar varför den resistiva komponents belopp blir motriktad för de två felbehäftade Facken 25 och 26. Efter störningen felsöktes nätet och en trolig felorsak återrapporterades. Ämne: Station H Fack 26 Hej! För info. Bifogar en bild på grenar mot linjen som vi hittade mellan stolpe S833 och S834 vid en extra besiktning av linjen efter att dboxen indikerat fel den 11/6 och den 13/6. Det fanns brända grenar på trädet, så orsaken var nog detta. Med vänliga hälsningar XXX YYY-sson Anläggningar / Ledningsunderhåll Figur E-post som återrapporterade felsökningen av Fack 26. Figur 18.8 Station H, trolig felorsak, träd som växt upp mot ledningen som matas från Fack 26. Notera att trädtoppen bränts av och formats kring fasledarna. 77

78 78

79 19 Station J, , Trefasig kortslutning Nästa exempel visar den kortslutning med största belopp som vi någonsin registrerat, lite av ett inofficiellt dlab-rekord. Dock skall man notera att i ett bredare internationellt perspektiv är strömbeloppet inget märkvärdigt. Att registrera kraftiga kortslutningar kan vara intressant eftersom alltför stora strömmar under längre tid kan förkorta vissa komponenters livslängd. I detta specifika fall är dock varaktigheten endast ca 0.15 sekunder vilket är så kort att felströmmen knappast kan förkorta transformatorns livslängd. Nästa figur visar fas-spänning och -ström för den aktuella störningen. Figur 19.1 Station J, uppmätt fasspänning och fasström vid kortslutning. Observera att strömmens momentanvärde uppgår till nästan A. Detta motsvarar A rms-värde vilket är ett relativt högt strömvärde. Vid längre varaktighet och flera upprepningar kan det finnas anledning att fundera om transformatorns livslängd reduceras? Nästa figur visar vad automatanalysen ger för transformatorfacket T6. 79

80 Figur 19.2 Station J, resultat av automatanalysen för transformatorfacket T6. I stationen mäts nollföljdströmmar i samtliga utmatningsfack och fasströmmarna mäts endast i transformatorfacken. Därför var det lite komplicerat att bestämma det felbehäftade facket. Störningsregistreringen visade att nollföljdsströmmen för Fack H11 hade en kortvarig transient med extremt hög amplitud, vilket gjorde att H11 misstänktes. Detta bekräftades också av nätbolaget. Kortslutningsströmmens belopp kontrollerades också gentemot ett dataprogram som använder komponentdata för beräkna maximal kortslutningsström i nätet. 80

81 Ärende: Felströmmar 10 kv Station J Hej Magnus Sa du 14 ka?, Beräkningar med PSS/E ger A-skena: A Mvh XXXXX Selektivplaner/Relay Protection Coordination Dygnet runt drift/system Operation E.ON Elnät Sverige AB Figur 19.3 Beräkning av felström i Station J A-skena med programmet PSS/E. Enligt dessa beräkningar är den maximala kortslutningsströmmen A. Den maximalt uppmätta felströmmen enligt mätningarna aningen lägre. Detta talar för att felläget varit nära stationen och haft mycket låg felresistans. Kanske tillkoppling mot en kvarglömd jordning? I dagsläget är orsaken till kortslutningen inte helt klarlagd. 81

82 20 Station I, , intermittent jordfel i kabelavslut, felbortkoppling tar 90 sekunder p g a felfungerande skydd Detta exempel visar ett jordfel i ett kabelavslut där en kabel används för anslutning till en transformator. Denna konstruktion är vanlig och förekommer i alla nättyper, både luftlednings- och kabelnät. Därför är det ett rimligt krav att ett riktat jordfelsskydd klarar att detektera jordfel i kabelavslut. Relätillverkare bör studera exemplet. Det unika med exemplet är: 1. Visar tydligt hur bedrövligt dåliga existerande jordfelsskydd fungerar. Visar utebliven funktion hos både riktat jordfelsskydd (Jsr) och även för nollpunktsspänningsskydd (NUS). Dessutom fås en icke-selektiv bortkoppling från skyddet i ett friskt fack. 2. Felläge samt orsak är känt och dokumenterat med foto. Jordfelet är i ett kabelavslut där en kabel ansluter till en transformator i en nätstation. 3. Exemplet visar också nyttan av att mäta digitala insignaler med relä- och brytar-indikeringar Vän av funktionssäkra reläskydd kan fråga sig varför både ordinarie skyddet (Jsr) och reservskyddet (NUS) inte fungerar? Varför tar det över 90 sekunder att bortkoppla ett lågohmigt jordfel i ett kabelavslut? Några möjliga orsaker kan vara: hårdvarufel i skyddet; felaktig konfigurering; felaktig inkoppling av mätkretsar; dålig design som gör att skyddet inte fungerar. Nästa figur sammanfattar samtliga registreringar under felförloppet. Figur 20.1 Översikt av störningsregistreringar vid intermittent jordfel. 82

83 Några av de registrerade störningarna är speciellt intressanta och presenteras nedan i separata underkapitel. Nr 72, kl 05:28:53, den första registreringen av ett högohmigt jordfel i fack 18. Nr 77, +13 s, intermittent jordfel, 91 slag under 10 sekunder. Varken Jsr eller NUS fungerar. Nr 93, +72 s, intermittent jordfel, 56 slag, Fack 13 löser obefogat Nr 96, +96 s, intermittent jordfel, 33 slag, återinkoppling Fack 13, NUS löser T2-20 kv Nr 101, +12 min, provtillkoppling Fack 18, permanent jordfel, reservbortkoppling NUS. Nr 112, + 2 timmar, efter sektionering, permanent jordfel Fack 17, löser Jsr Fack 17. Nedan redovisas dessa störningar i nummerordning. 83

84 20.1 Första registreringen av ett högohmigt jordfel i fack 18 (nr 72) Figur 20.2 Högohmigt jordfel (nr 72). Uppifrån och ned visas: nollpunktsspänning T2-20 kv, nollföljdsström (momentanvärde), resistiva komponenten av nollföljdsströmmen för några 20 kv fack. Inställningen för trigg av mätutrusningen dbox är: Beloppet av nollföljdsspänningens momentanvärde, abs(u0(t)) > 1270 V primärt, vilket motsvarar rms värdet (1270/sqrt(2))/(22000/sqrt(3)) = 7 %. Inställningarna för dlabs automatanalys är: Jsr: U0=889 V rms (7%); 3Ir=1 A rms; max vinkel 85 grader; funktionstid 1.6 sek; återgångstid 0.6 sek. NUS: U0=1905 V rms (15%); funktionstid 3.5 sek; återgångstid 0.4 sek. Eftersom nollpunktspänningen kortvarigt har överskridit mätutrustningens trigg-nivå, så har en mätdatafil registrerats. dlabs riktade jordfelskyddet har inte startat eftersom båda inställningarna (U0 & 3Ir) måste vara uppfyllda för start. I detta fall är U0 precis uppfyllt, men beloppet av den uppmätta resistiva komponenten av strömmen (3Ir) underskrider inställt värde (1 A), därför fås ingen start av det riktade jordfelsskyddet (Jsr). Vid registreringar av små nollföljdsstorheter som inte ger relästart, så gör automatanalysen en beräkning av den utmatnings som är mest trolig att ha ett högohmigt jordfel. Detta resulterar i att Fack 18 utpekas som ett troligt jordfel med felresistansen 15 kohm. 84

85 20.2 Intermittent jordfel, 91 slag, utebliven relä-funktion, (nr 77) Figur 20.3 Intermittent lågohmigt jordfel (nr 77). Uppifrån och ned visas: nollpunktsspänning T2-20 kv; nollföljdsström (momentanvärde), resistiva komponenten av nollföljdsströmmen för några 20 kv fack. Figurerna visar ett lågohmigt intermittent jordfel. Detta är ett fel-fall som kan vara komplicerat för många reläskydd, som ofta har svårt att ge korrekt funktion. Först presenteras resultatet av dlab:s automatanalys och sedan hur existerande reläskydd fungerat Resultat av dlabs automat-analys Nästa figur visar de reläsignaler som beräknats med hjälp av dlabs automatanalys. Med andra ord, de relä-funktioner som automatanalysen anser vara korrekt, vilket i detta fall kan användas som facit för korrekt felbortkoppling. Figur 20.4 Reläsignaler som beräknats med dlabs automatanalys för störning nr

86 dlab:s beräknade reläsignaler visar fyra viktiga saker: 1. Att det riktade jordfelskyddet (Jsr) för Fack 18 borde löst brytaren och bortkopplat felet ca 1.6 sekunder efter start (inställning dlab 1.6 s, verkliga Jsr-skydd ca 2.0 s); 2. Att reservskyddet (NUS) för T2-20 kv borde löst ca 3.5 sekunder efter start (inställning dlab 3.5 s, verkliga Nus-skydd ca 4.0 s); 3. Att ett flertal transienter (SlagJsrT) registrerats för Fack 18. Under registrering nr 77 räknar dlab automatanalys till total 91 slag på Fack 18; 4. Inga andra fack än Fack 18 har några relä-signaler. Finns varken StartJsr, eller TripJsr. Inga transienter finns registrerade på några andra fack. Automatanalysen från dlab ger ett entydigt svar utan några tveksamheter. Ett intermittent jordfel på Fack 18, och endast detta fack bör bortkopplas av det riktade jordfelsskyddet, och vid utebliven funktion bör Nus för T2-20 kv reservbortkoppla de utmatningar som är anslutna till T2-20kV Funktion hos existerande reläskydd Hur har existerande skydd i stationen fungerat under störningen? Det första steget är att kontrollera de brytar- och relä-indikering som registerats i mätutrustningen. dboxen mäter binära (logiska) signaler för brytarläge och buntade ( Eller -kopplade) signaler för relä-indikeringar. Nedanstående figurer visar indikeringarna för brytarläge och reläindikeringar Figur 20.5 Uppmätta brytarläge för störning nr 77. Figur 20.6 Uppmätta buntade ( ELLER ) reläindikeringar för störning nr 77. Observera att relä-indikeringarna är buntade, vilket betyder att flera relä-indikeringar är ihopbuntade och använder en gemensam digital-ingång. Detta betyder att om en reläsignal går hög så fås en gemensam indikering som gäller för hela bunten. För störning nr 77 finns det inte registrerat någon förändring i brytarläge. Det finns inte heller någon indikering att något reläskydd startat eller löst ut. Dessutom kvarstår felet under 10 sekunder då registreringen avslutas för att registreringen nått sin maximala längd och fortsätter i en ny fil, störning nr 88. Sammantaget visar detta att inga 86

87 reläskydd i stationen har aktiverats för den aktuella störningen. Frågan är varför? Vad kan det bero på att varken ordinarie eller reserv-skyddet fungerar? Detta är egentligen en situation som inte får inträffa. Data för det riktade jordfelskyddet, Fack 18 är Fabrikat/typ: Strömberg SPAS 1FJ3 Startvärde U0: 10/110 = 9% Startvärde 3Ir: 1.6 A primärt Tidsinställning: 2 sek I manualen för skyddet står följande att läsa: Figur 20.7 Utdrag ur manualen för SPAS 1F1 J3. Enligt texten har tillverkaren designat filtreringen av ingångarna med hänsyn till kabelnät och intermittenta jordfel. Kan de fasta tiderna för start och återgång av reläet orsaka problem? Av denna anledning visar nästa figur en närbild på den resistiva och kapacitiva komponenten under det intermittenta jordfelet. Figur 20.8 Närbild (in-zoomning) av resistiva och kapacitiva strömkomponenten under ett intermittent jordfel för Fack 18 (felbehäftat) och Fack 13 (friskt). 87

88 Figuren visar med tydlighet två saker 1. Varaktigheten av strömpulserna är i storleksordningen 20 ms upp till 80 ms 2. Tiden mellan pulserna är i storleksordningen 100 ms. Detta leder till två viktiga slutsatser som förklarar varför det riktade jordfelskyddet inte startat. 1. Eftersom det krävs att startvärdet överskrids i 150 ms för att starta, och pulserna med resistiv ström endast överskider startvärdet under ms, så kommer inte skyddet att starta. 2. Även om skyddet skulle starta, så skulle det återgå direkt, eftersom återgångstiden är 50 ms och periodiciteten av pulserna är ca 100 ms. Nästa fråga är varför har inte reservskyddet för nollpunktsspänning (Nus) startat och löst ut? En förklaring kan vara att detta skydd kommer från samma tillverkare, tillhör samma produktserie och designats enligt liknande principer med fasta inställningar för startfördröjning och återgångstid. Visserligen är dynamiken för nollpunktsspänning annorlunda än för strömmen, men det principiella problemet är likartat. Tyvärr uppkommer en pinsam fråga. Har tillverkaren av reläskyddet någonsin sett en inspelning av ett intermittent jordfel, eller är designen gjord i blindo utan tillgång till verkliga mätdata? 88

89 20.3 Intermittent jordfel, 56 slag, Fack 13 löser obefogat (nr 93) Registrering nr 93 visas eftersom denna störning ger obefogad bortkoppling av Fack 13. Bortkopplingen av Fack 13 sker först när det intermittenta jordfelet pågått i 73 sekunder. Nedan visas en in-zoomning av några signaler från registrering nr 93. Figur 20.9 Mätregistrering nr 93, obefogad bortkoppling av Fack 13, in-zoomning av några signaler, 89

90 De plottade signalerna från registrering nr 93 visar att Fack 13 löser ut, men att det intermittenta felet kvarstår på det felbehäftade Fack 18. Varför löser Fack 13 obefogat? Troligen beror det på att skyddet för Fack 13 blivit utbytt till ett modernt skydd REX 521 som både har överströmskydd och riktat jordfelskydd med intermittent-funktion. En gissning är att intermittent-funktionen i REX 521 inte fungerar korrekt, utan gör felaktig detektering av spikar i ström och spänning för Fack 13, och därför löser ut. Tillverkaren ger i princip ingen information om hur intermittentfunktionen i REX 521 fungerar. Därför är det nästintill omöjligt att reda ut om den obefogade utlösningen beror på en dålig design, felaktig inställning, eller möjligen ett hårvarufel i skyddet. dlab:s automanalys ger följande reläsignaler som kan betraktas som ett facit på ett korrekt fungerande reläskydds-system. Figur Mätregistrering nr 93, reläsignaler skapade med dlab:s automatiska störningsanalys. De reläsignaler som beräknats med dlab:s automanalys visar tydligt tre saker: 1. Det riktade jordfelsskyddet (Jsr) för Fack 18 borde lösa först och bortkoppla jordfelet. 2. Vid utebliven Jsr-funktion, borde NUS:et reserv-bortkoppla transformatorn T2-20 kv 3. Alla transienter kommer från Fack 18 (inga transienter finns registrerade på Fack13). 90

91 20.4 Intermittent jordfel, 33 slag, återinkoppling Fack 13, NUS löser T2-20 kv (nr 96) När det intermittenta jordfelet stått på under drygt 90 sekunder och bränt sönder kabelavslutet, så kopplas felet bort. Nästa figur visar det sönderbrända kabelavslutet som hittades under efterföljande felsökning. Figur Sönderbränt kabelavslut, resultatet av 90 sekunders intermittent jordfel. Nollpunktsspänningsskyddet (NUS) för transformatorn T2-20 kv löser slutligen. NUS-utlösningen sker precis efter att Fack 13 har återinkopplat, vilket leder till misstanke att transienten vid tillkopplingen på något sätt bidragit till att NUS:et äntligen reagerar och bortkopplar det intermittenta jordfelet. Tyvärr är det bara att konstatera att varken ordinarie jordfelskydd, eller reservskyddet har fungerat inom föreskrivna tider. Nedan visas in-zoomning av förloppet då Fack 13 åter-inkopplas, och efterföljande NUS-utlösning för 20 kv transformatorn T2. 91

92 Figur Några signaler från registrering nr 96, in-zoomning av förloppet då Fack 13 återinkopplas och NUS:et för T2 slutligen bortkopplar jordfelet. 92

93 20.5 Provtillkoppling Fack 18, permanent jordfel, NUS löser, (nr 101) Registrering nr 101 visar provtillkoppling av Fack 18 där jordfelet nu blivit permanent. Figur Några signaler från registrering nr 101, när Fack 19 prov-tillkopplas. Tyvärr visar det sig att det riktade jordfelsskyddet för Fack 18 inte ens klarar av att detektera ett permanent jordfel. Efter provning har det visat sig att skyddets funktionsområde varit betydligt snävare än 45 grader, vilket betyder att skyddet endast fungerar om den resistiva komponenten har ett belopp som är större än den kapacitiva komponenten. Leverantörens dokumentation anger följande funktionsområde. 93

94 Figur Funktionsområde för skyddet SPA 1F1 J3. Ur störningsregistreringarna går det att beräkna den resistiva och kapacitiva komponenten av nollföljdsströmmen. Nästa figur visar att den resistiva komponenten (3I0r) är ungefär 12 A och att den kapacitiva (3I0c) är ca 100 A. Detta motsvarar vinkeln 83 grader. Nollpunktsmotståndet är på 10 A vid nominell nollpunktsspänning och resterande resistiva förluster torde komma från de friska facken. Startvärdet (3I0r) för skyddet är ställt på 1.6 A. Strömmen kan ligga i gränsområdet till skyddets funktionsområde, och detta kan vara en möjlig orsak till utebliven funktion. Figur Registrering nr 101, provtillkoppling av Fack 18, beräknad resistiv och kapacitiv komponent för fack 18 (felbehäftad) och för några friska fack. Skyddet är av statisk typ, vilket betyder användning av analog elektronik. Kanske kan funktionsområdet förändras då komponenter, ex vis kapacitanser, åldras. 94

95 20.6 Sektionering, permanent jordfel Fack 17, löser Jsr Fack 17. (nr 112) För att lokalisera felläget gjordes nätomkopplingar varvid den felbehäftade nätdelen överkopplades till Fack 17. Registrering nr 122 visar när det permanenta jordfelet har överförts till Fack 17, och facket prov-tillkopplas. Figurerna nedan visar förloppet vid provtillkoppling och när det riktade jordfelskyddet (Jsr) löser Fack 17. Figur Registrering nr 112, provtillkoppling av Fack 17 och Jsr-utlösning. Några av de registrerade signalerna. 95

96 Varför fungerar det riktade jordfelsskyddet för Fack 17 vid detta permanenta jordfel, när samma typ av skydd inte fungerade tidigare (registrering nr 101, jordfel Fack 18)? Reläinställningsbladen visar att Fack 17 och fack 18 har samma inställningar och typ av skydd (Strömberg SPAS1F1J3). Störningsregistreringen nr 112 används för att beräkna den resistiva och kapacitiva komponenten av nollföljströmmen, vilket visas i nästa figur. Figur Registrering nr 112, provtillkoppling av Fack 17 och Jsr-utlösning, beräknad resistiv och kapacitiv komponent för fack 17 (felbehäftad) och för några friska fack. Även om skalan är dåligt vald, så fås ungefärliga värde på resistiva komponenten 3I0r= 15 A och den kapacitiva 3I0c= 18 A. Detta betyder att vinkeln mellan nollföljdsström och -spänning, nu är ungefär 50 grader, vilket är väsentligen annorlunda än vid registrering nr 101 då vinkeln var 83 grader. Skillnaden i vinkel beror på att den kapacitiva komponenten är mycket lägre vid den senare registrering nr 112 (provtillkoppling Fack 17) än vid den tidigare registrering nr 101 (provtillkoppling Fack 18). Troligen beror förändringen i kapacitiv ström på att nätet var snedavstämd vid den tidigare registreringen nr 101 (provtillkoppling Fack 18). Vid den senare registrering nr 112 (provtillkoppling Fack 17) så har avstämningen blivit bättre, eftersom spolströmmen nu bättre motsvarar den kapacitiva strömmen från de friska facken. Detta ger en väsentligen lägre kapacitiv ström till det felbehäftade Fack 17. Den lägre vinkeln mellan nollföljdström och -spänning gör att skyddet hamnar inom sitt fungerade funktionsområde (efterföljande provning visade på funktions område runt +-45 grader). Det kan förklara att det riktade jordfelsskyddet SPA1F1J3 fungerade vid registrering nr 112 (provtillkoppling Fack 17) men inte för registrering nr 101 (provtillkoppling Fack 18). 96

97 21 Station C, , jordfel i säkringslastfrånskiljare i nätstation Detta är ett klockrent exempel på pro-aktiv felavhjälpning. Via dlab:s hemsida, så uppmärksammade ansvarig underhållsingenjör onormalt många starter för det riktade jordfelsskyddet på Fack 23 i station C. Därför gjordes en extrabesiktning av nätstationerna som matas från Fack 23. Då hittades överslag i en säkringslastfrånskiljare där fukt varit en bidragande orsak. En värmefläkt sattes upp tillfälligt i stationen och en ny komponent beställdes omgående. Efter detta har de kortvariga jordfelen upphört. Nedan visas informationen från dlab:s hemsida, som påkallade uppmärksamheten. Figur 21.1 Utdrag från dlab:s hemsida med analyserade störningar. Grön markering innebär att dlab:s automatanalys anser att minst ett reläskydd borde startat. 97

98 Under fliken Mätregistreringar finns ett alternativ Statistik som också kan användas för att hitta mönster bland störningarna, se nedan. Figur 21.2 Stapeldiagram med reläskyddsstatistik baserat på resultat från automatanalys. I detta fall kan Fack 23 detaljstuderas genom att sätta Diagramtyp till Linjediagram och göra ett nytt diagram. Figur 21.3 Linjediagram med reläskyddsstatistik för Fack

99 Störningarna var i det närmaste identiska och bestod av ett kortvarigt tillfälligt jordfel på Fack 23. dlab:s automatanalys beräknar att den kortvariga transienten borde orsaka start av det riktade jordfelsskyddet för Fack 23 och även start för nollpunktsspänningsskyddet för den matande transformatorn T3. Nedan visas en typisk registrering. Figur 21.4 Jordfel i säkringslastfrånskiljare, typiska registrering av fasspänning, nollföljdsspänning, och nollföljdsström (primärvärden). Åtgärder och rapportering skedde föredömligt, se nästa figur. Figur 21.5 Jordfel i säkringslastfrånskiljare, återrapportering från underhållsansvarig. 99