IAIS-konceptet för intelligenta transformatorstationer med kompakt luftisolerat ställverk Transformatorstationer enligt IAIS-konceptet kännetecknas av reducerat utrymmes- och servicebehov samt hög tillgänglighet och säkerhet. Tack vare modernaste projekterings- och testmetoder är dessutom genomloppstiderna korta. Konceptet karakteriseras tekniskt av att ställverk och kontrollsystem kommunicerar via en höghastighets-processbuss. IAIS-konceptet har utvecklats för att möta elbranschens ändrade krav på en alltmer avreglerad marknad. D et pågår en kraftig förändring av elbranschen med privatisering, avreglering, intensiv kostnadsjakt och nya inköpsmönster. Tidigare inköpsspecifikationer med detaljkrav på ingående komponenter ersätts av övergripande specifikationer med krav på funktion, miljö, tillgänglighet, underhåll etc. För att möta dessa nya krav lanserar nu ABB IAIS-konceptet (Intelligent Air Insulated Substation) för transformatorstationer med luftisolerade ställverk inom området 110 550 kv. IAIS är resultatet av ett utvecklingssamarbete mellan ABB Substations, ABB Switchgear, ABB Network Partner, ABB Power Systems och ABB Transformers. Konceptet karakteriseras tekniskt av att ställverk och kontrollsystem kommunicerar via en höghastighets-processbuss och av att ställverksapparaterna kombinerar flera funktioner och har digital signalöverföring samt att systemet har en mängd inbyggda övervakningsfunktioner. Konceptet har följande utmärkande egenskaper: 30 50 % reducerat utrymmesbehov, då flera funktioner har integrerats i samma högspänningsapparat 1 och strömtransformatorerna har blivit mindre. Behovet av frånskiljare har minskat. Detta medför mindre antal fundament, mindre antal kopplingspunkter och mindre inverkan på miljön. Givetvis bibehålls föreskrivna säkerhetsavstånd 2. Ola Kristofersson ABB Substations AB Lars Cederblad ABB Network Partner AB Morgan Adolfsson ABB Switchgear AB Minskade underhållsinsatser: Schemalagt underhåll minskar till att bli underhåll endast vid behov. Numerisk teknik ger stabila funktionsvärden och kontinuerlig självövervakning av hela systemet från ställverkskomponenterna via buss och kontrollenheter till stationskontrollen. Antalet kopplingspunkter minskar med ca 50 % på högspänningsnivån och med ca 85 % i kontrollsystemet, vilket också bidrar till att minska underhållsbehovet. Ökad tillgänglighet: Trendövervakning minskar risken för plötsliga driftstörningar. Enkelt utbyte mot reservenheter förkortar avbrottstiden. Frånskiljarunderhållet minskar drastiskt. Numerisk teknik med självövervakning eliminerar bl a reläskyddsprov. Beräkningar visar att otillgängligheten kan minska med en tiopotens även om man förenklar enlinjeschemat. Kortare projekttid: Tiden från beslut till driftklar anläggning kan reduceras. Större enheter är samprovade. Tiden minskar för byggnadsarbete, montagearbete och drifttagning. Framför allt minskas kopplingsarbetet och den påföljande kontrollen med ca 85 %. Ökad säkerhet: Trots att det totala utrymmet reducerats, så uppfylls minst samma säkerhetskrav som tidigare. Personalen behöver inte tillbringa så lång tid i ställverket. Övergången från kopparkablar till optik eliminerar risken för kortslutning. Konventionella strömtransformatorer och tillhörande strömkretsar försvinner. Allt detta ökar säkerheten. Transformatorstationen ett komplett, integrerat och samverkande system En mycket snabb processbuss överför all information Kommunikationen sker huvudsakligen digitalt och med hjälp av en redundant, 4 ABB Tidning 4/1997
a b Jämförelse mellan ett traditionellt 1 420 kv-ställverk med 1 1 2 -brytararrangemang (a) och en motsvarande anläggning med IAIS-teknik (b). Antalet komponenter minskar betydligt med IAIS. fiberoptisk processbuss 3. Mätsignaler Systemkraven styrande för anpassade för dessa äldre typer av omvandlas till digital form redan på högspänningsnivån komponenterna komponenter, där det fanns behov av att och görs tillgängliga på Traditionella transformatorstationer är kombinera hög driftflexibilitet med möj- processbussen. Skydd och övriga kontrollfunktioner arbetar via processbussen, som överför manöversignaler till PISA-enheter (Process Interface Sensors and Actuators). Statiska kopplare med fullständig övervakning utgör slutsteget mot huvudapparaten. I samband med drifttagningen provkörs hela kedjan med en speciell testrutin som kontrollerar data till och från hopbyggda av separata ställverks- och kontrollkomponenter som ofta inte är helt anpassade till varandra. För anpassningen kan tillsatskomponenter behövas, som erfordrar ytterligare fundament, högspänningsanslutningar, kontrollkablar, hjälpreläer och därmed extra utrymme. Traditionella enlinjescheman är lighet till regelbundet underhåll av utrustningen. Den nya systemlösningen däremot har utgått från stationens totala krav och med de nya möjligheter som modern teknologi erbjuder. Genom att låta systemkraven i stor utsträckning styra ingående delars konstruktion uppnår man en bussen. Därigenom kan samtliga funktioner verifieras, alla inställningsvärden kontrolleras och alla toleranser testas. Under drift övervakas hela systemet och störningar signaleras. Underhåll utförs endast vid behov, dvs vid larm om felaktig funktion, då en kopplingsapparat uppför sig onormalt eller då manöverhistorik eller trendkurvor indikerar underhållsbehov. I ställverk enligt IAIS-konceptet minskar antalet fundament och markytan jämfört med traditionella anläggningar. Exemplet gäller ett 145 kv-ställverk med tre fack. 38 % 2 825 m 2 510 m2 ABB Tidning 4/1997 5
Local MMI Remote communication Gateway Mobile access Station bus Control / protection terminal Control / protection terminal next bay Power process highway next bay ETCS OITP PISA ETCS OITP PISA Busbar Busbar Processbussen förmedlar all information mellan högspänningsutrustning och kontrollsystem. Redundanta system med dubbla bussar kan införas. 3 effektivare helhet som kan utnyttja enklare enlinjescheman och ändå bibehålla eller öka tillgängligheten. Lösningarna bygger på enkla skenkonfigurationer och utdragbara brytarfacksmoduler med frånskiljarfunktion. Moderna ström- och spänningsgivare har i lämplig omfattning integrerats i kopplingsapparaterna. Utrymmesbehovet minskas därmed betydligt. Frånskiljningsfunktionen har förbättrats väsentligt. Grundprincipen är att installera underhållssnåla frånskiljare som uppfyller högt ställda kommunteringskrav där fasta frånskiljare krävs. Övrig nödvändig frånskiljning integreras i brytarfacksmodulerna. Spännings- och strömgivarna bygger på väl beprövade mätprinciper i kombination med modern teknologi för signalbearbetning och mätdataöverföring. Strömgivarna monteras på en skena, ovanpå en frånskiljare eller integrerade i en brytare; vid behov på båda sidor om brytaren. Spänningsgivarna installeras ofta i kombination med en jordare. Ström- och spänningsgivarna kan också integreras så att de utgör givardelen i en energimätningsmodul. Brytarfacksmodul LTB-Compact med manöverdon och enhet för decentraliserad kontroll och kommunikation 4 Kompakta ställverksmoduler med övervakning och busskommunikation De nya högspänningsapparaterna är vidareutvecklade kombinationer av tidigare väl beprövade apparater. De är kombinerade så att de effektivt passar i optimala enlinjescheman. De har med en PISA-enhet anpassats till kommunikation via processbuss och har försetts med nya övervakningsfunktioner 4. De kan användas både för nya stationer och för modernisering. Brytarfacksmodulen LTB-Compact för 110 245 kv består av en utdragbar trepolig LTB-brytare 5. På varje fas finns två frånskiljarkontakter som ansluter mot 6 ABB Tidning 4/1997
130 kv-station med den utdragbara brytarfacksmodulen LTB-Compact i förgrunden 5 två fast installerade, underhållsfria kontakter i ställverket. Frånskiljningsrörelsen drivs av ett standard frånskiljarmanöverdon som drar ut enheten längs en räls så att normenlig frånskiljning uppnås. Hela enheten är typprovad med alla de normenliga mekaniska och elektriska prov som gäller för frånskiljare och brytare. LTB-Compact kan underhållas och repareras utan driftavbrott på samlingsskenan. De fasta kontakterna är underhållsfria. Reparationer på plats undviks genom att helt enkelt byta hela den felaktiga enheten mot en reservenhet. Tillgängligheten blir därmed högre än för motsvarande lösning baserad på individuella enheter. Brytarfacksmodulen HPL-Compact för 275 550 kv består av en HPL-brytare som kompletterats med pantograffrånskiljare och jordare på vardera sidan 6. Strömgivare är monterade direkt på brytarpolerna. Alla dessa enheter är väl beprövade. Brytarfacksmodulen kan tas ur drift för service utan andra kopplingsmanövrer än att brytaren och dess egna frånskiljare öppnas. Den kan därefter underhållas på plats eller i ett särskilt reparationsfack, alternativt ersättas med en reservenhet. Alla tre polerna i ett fack kan bytas på mindre än 8 timmar. Gasisolerade frånskiljaren LTDS- Compact för 110 245 kv 7 kan användas när frånskiljarfunktionen inte kan tillgodoses med en utdragbar effektbryta- Brytarfacksmodulen HPL-Compact för 420 kv 6 ABB Tidning 4/1997 7
PISA-enheter för kommunikation, manöver och övervakning. Här lagras information om apparaten och dess historik, t ex: Information om fjäderspänning och fjäderspänningstid Antal manövrar De 10 senaste rörelse/tid-kurvorna Nivåer och trender för SF 6 -densiteten Den gasisolerade frånskiljaren LTDS-Compact kan även tjänstgöra som stödisolator. 7 Digitala optiska ström- och spänningsgivare Ström- och spänningsmätning utförs med systemet DOIT (Digital Optical Instrument Transformers) 9. Mätningen sker med traditionell teknik medan signalöverföringen sker optiskt. Detta ger betydligt mindre mätdon och drastiskt förenklad högspänningsisolation. Gränssnittet mellan givarna och processbussen utgörs av en kommunikationsenhet som skickar mätdata i en riktning och förser omvandlaren med energi via laserljus i andra riktningen 10. re. Den har främst sitt värde i tillämp- Elektromekanisk diagnostik ningar med mycket höga krav på till- Ställverksapparaterna innehåller många gänglighet och livslängd och där utrymmet är starkt begränsat. Några egenska- avancerade elektromekaniska funktioner som är grunden för säker och effektiv Jordare monterad på en spänningstranformator för 145 kv 8 per hos LTDS: drift av anläggningen. Men hög tillförlit- 15 års inspektionsintervall Möjlighet att kommutera stora ström- lighet uppnås endast med högkvalitativ konstruktion och tillverkning samt med mar vid driftomläggningar övervakningsfunktioner som upptäcker Extremt litet utrymmesbehov Frånskiljaren kan ersätta stödisolato- latenta fel. De nya ställverksapparaterna har inbyggda självdiagnosfunktioner rer som meddelar såväl trender som abso- Vid arbete i ett ställverk garanteras per- lutvärden, och som indikerar då en un- sonsäkerheten av ett välorganiserat ar- derhållsinsats lämpligen skall ske. Fel- bete, korrekt konstruktion och hög kva- sökning och analys kan genomföras från litet, samt av jordarna. Jordaren förhind- ett centralt kontrollrum, via en dator och rar att misstag resulterar i elektriska en mobiltelefon eller från en underhålls- olycksfall. I produktprogrammet ingår en central. Detta tillåter drift- och under- modulär jordare för 110 550 kv 8 som hållspersonalen att fatta rätta beslut ti- kan monteras med stor valfrihet. Den digt. Därigenom minskar behovet av pe- kan därmed installeras där den behövs riodiska inspektioner och förebyggande utan behov av extra fundament eller sta- underhåll. tiv. Varje manöverdon har en eller två 8 ABB Tidning 4/1997
Genom den digitala signalöverföringen bestäms noggrannheten helt av givarna, som normalt är klass 0,2. Signalöverföring och efterföljande numeriska beräkningar försämrar inte systemets totala noggrannhet. Därigenom erhålls en betydligt högre total systemnoggrannhet än med konventionella lösningar. Strömmen mäts med hjälp av en magnetisk strömtransformator med kärna av antiremanenstyp. Efter sampling skickas strömvärdet i form av ljuspulser på en optisk fiber till kommunikationsenheten 11. Detta ger bättre egenskaper vad gäller dynamik, mättning och standardisering än för traditionella strömtransformatorer. Tekniken är väl beprövad och har använts av ABB i ett decennium. Mer än 700 enheter är i drift. Den låga vikten och de små dimensionerna gör det möjligt att integrera givaren med t ex effektbrytaren. Den optiska fibern kan läggas i polymerisolanter, antingen separat eller som integrerad del av brytaren. Spänningen mäts med en kapacitiv spänningsdelare. Efter sampling skickas ett digitalt spänningsvärde optiskt till kommunikationsenheten. Detta ger mycket bättre transient svar än konventionella spänningstransformatorer och orsakar ingen ferroresonans. Produktprogrammet innefattar också en energimätmodul som består av kombinerade ström- och spänningsgivare tillsammans med en signalbehandlingsenhet som sänder pulser för direkt användning i normala energimätare. Systemnoggrannheten blir därmed högre än med konventionella mätsystem. Strömgivare, typ DOIT, monterad på HPL-brytare för 420 kv 9 Detta medför t ex att man i vissa situationer kan låta överbelasta transfor- Buchholz-relä etc. Men dessutom ingår la data från temperaturgivare, tryckvakt, matorn med förutsägbara konsekvenser tre nya övervakningsfunktioner: för livslängden. Glimningen mäts kontinuerligt under Kontrollenheten behandlar traditionel- drift ner till en låg nivå. Trendkurva Interface-kort för 6 givare typ DOIT 10 Krafttransformator med fler övervakningsfunktioner Krafttransformatorerna i IAIS-konceptet förses med en elektronisk kontrollenhet som innehåller all information om transformatorns faktiska driftförhållanden 12. ABB Tidning 4/1997 9
lagras och larmnivåerna anpassas till varje tillämpning. Lindningskopplarens akustiska mönster jämförs med dess ursprungsvärde. Vid avvikelser erhålls larm och blockering. Systemet skiljer på akuta fel och slitage. Oljekvaliteten provas var 12:e timme och gaskoncentrationen av väte, koloxid och metan/etan mäts. Om förinställda nivåer överskrids ges alarm. Kontroll- och skyddssystemet utformas för högsta tillförlitlighet Styr- och skyddsutrustningen baseras på: Decentraliserad signalbehandling Numerisk teknik Fiberoptisk processbus för 100 MHz enligt IEEE 802.12 Modulariserad hård- och mjukvara Programvarubibliotek för kontroll- och skyddsfunktioner Fullständigt typtestade produkter Den höga tillförlitligheten har uppnåtts genom numerisk teknik och en total Principschema för mätning och signalbehandling med strömgivare DOIT R HV link Transducer Filter DOIT circuit översyn av konceptet, där alla faktorer som påverkar tillförlitligheten har beaktats. Hög driftsäkerhet innebär förmågan att känna av ett annalkande primärt fel. Det innebär också att kunna motstå störningar och att inte ge bortkoppling då fel inte föreligger eller då fel uppstår i en annan skyddszon. Den numeriska tekniken utnyttjas också för förbättrade funktioner som höjer tillförlitligheten: Inställningar i primära enheter som ampere, volt och ohm Lagring av tidsmärkta händelser och analoga signaler för senare analys Självövervakning för att kunna realisera principen underhåll vid behov PLD Interface unit WDM coupler Optical fiber λ 1 λ 2 Detector Decoder Laser 11 Minskad reservdelshållning genom användning av ett fåtal moduler Den totala tillförlitligheten förbättras också genom att det har blivit färre komponenter, färre kopplingspunkter och mindre kablage. De olika komponenterna har förenklats, kommunicerar via processbussen och har kompletterats med omfattande funktioner för självövervakning. Allt detta ökar tillförlitligheten för skyddsfunktionerna. Systemet erbjuder inställningsmöjligheter för olika nätverkskonfigurationer genom att reläskydden har förbättrad mätkarakteristik och kan anpassas till olika nätegenskaper, såväl automatiskt som lokalt eller fjärrstyrt. De kan också enkelt anpassas till olika last- och driftförhållanden samt vid framtida utbyggnad av nätet. Decentraliserad datorkraft Systemet är konstruerat för att nå högsta möjliga nivå av horisontell och vertikal integration, varvid datorkraften förs ut så nära högspänningssystemet som möjligt. Detta leder till ett integrerat system där lokala enheter övervakar den lokala utrustningen och kommunicerar med övrig utrustning via processbussen. Optisk processbuss Den fiberoptiska processbussen är en viktig del av systemet. Den störs inte av fel eller kopplingar i kraftnätet och är uppbyggd med standardiserade komponenter. Mängder med parallell kabeldragning ersätts med en fiberoptisk seriell länk. Bussen överför bl a följande information: Mätvärden från ström- och spänningsgivare Utlösningssignaler Signaler för apparatkontroll Information om förregling och apparatlägen Information för synkronisering Diverse mätvärden som beräknats från samplade värden Händelser och larm Inställningsinformation, inställning och programmering etc Den deterministiska egenskapen hos processbusen är en grundförutsättning. Datakodningen kan göras enkel och den maximala fördröjningen går att beräkna och verifiera även vid 100 % belastning på bussen. Analoga mätsignaler har en samplingsfrekvens på flera khz. De tid- 10 ABB Tidning 4/1997
Författarnas adresser Ola Kristofersson ABB Substations AB S-721 82 Västerås Fax: +46 (0) 21 32 80 19 E-mail: ola.kristofersson@sesub.mail.abb.com Lars Cederblad ABB Network Partner AB S-721 71 Västerås Fax: +46 (0) 21 32 46 00 E-mail: lars.cederblad@senet.mail.abb.com Kontrollenhet för övervakning av krafttransformatorer enligt IAIS-konceptet 12 Morgan Adolfsson ABB Switchgear AB S-771 80 Ludvika Fax: +46 (0) 240 78 23 82 E-mail: morgan.adolfsson@seswg.mail.abb.com märks med mikrosekunders noggrannhet för att tillåta summering och differentiella mätningar. Stationen kan, om så krävs, byggas med två fullständigt oberoende styr- och skyddssystem, och redundansen är därmed lika med lösningar i konventionella system. Felelimineringstiden är lika eller snabbare än i konventionella system. I konventionella system summeras funktionstiderna för alla reläer i utlösningskedjan, medan kommunikationstiderna är avgörande i system med processbuss. Den mycket snabba bussen och de statiska utgångarna garanterar de korta tiderna. Skydds- och kontrollprodukter Skydds- och kontrollprodukterna ingår i Panorama-serien från ABB Network Partner. De påverkas i princip inte av processbusskonceptet. Skillnaden mot konventionella produkter ligger i att A/Dingångarna har tagits bort och att mätsignalerna i stället överförs via processbussen. I/O-korten har bytts mot kommunikation via processbussen till och från de lokala PISA-enheterna i brytare, frånskiljare, jordare och krafttransformatorer. Modernisering av befintliga ställverk IAIS-konceptet är väl lämpat för moderniseringsprojekt. Alla nya apparatfunktioner kräver mindre utrymme. Den distribuerade datorkraften minskar kabelmängden till ett fåtal fiberoptiska kablar. Flexibiliteten tillåter apparatvis eller fackvis modernisering med ett minimum av driftsavbrott och andra störningar. Byte av samlingsskenans skyddssystem är vanligen problematiskt vid modernisering av ett ställverk. Detta underlättas med IAIS-konceptet. Man byter hela samlingsskeneskyddet mot ett nytt, som matas från såväl gamla som nya strömgivare. Signalerna från de gamla strömtransformatorerna konverteras till digital form. Därefter kan facken successivt moderniseras med modern teknik. ABB Tidning 4/1997 11