Intelligenta GIS principiell förändring i förhållandet mellan kraft- och styrteknik i ställverk Inom området gasisolerade ställverk (GIS) införs ny teknik i syfte att minska anläggningarnas livscykelkostnader, uppfylla de ökande tillförlitlighetskraven och minimera miljöbelastningen. Den nya tekniken baseras på moderna integrerade styr- och skyddssystem, nya givare och nya rön på den krafttekniska sidan. I nom ställverkstekniken har högspänningsdelen och styr- och skyddsdelen av tradition behandlats som separata system. Gränssnitten mellan dessa båda världar har definierats som fast kopplade fysiska förbindelser mellan elektronik och driftspänningsutrustning. Tack vare den snabba utvecklingen på såväl kraft- som styrsidan är det i dag möjligt att sammanföra dessa båda områden och genom synergieffekter uppnå såväl bättre funktion som lägre totalkostnad. Utvecklingen i denna riktning förstärks ytterligare av dagens press på kraftbolagen att sänka sina kostnader och av miljöskäl begränsa utbyggnaden av sina transmissionsnät. Kraftfulla styr- och skyddssystem för ställverk står till förfogande redan i dag. Vi kan därför utgå från att konventionella och kostsamma ström- och spänningstransformatorer liksom elektromekaniska reläer och hjälpkontakter kommer att ersättas av billigare elektroniska givare och ställdon. A/D-omvandling och en del databearbetningsfunktioner som i dag hanteras i styrskåpen distribueras till processnivå, medan den fasta förbindelsen mellan process och styrsystem går via fiberoptiska bussar. Kraftbolagens utgångsläge Avregleringen och globaliseringen av elmarknaderna ökar konkurrensen mellan kraftleverantörerna. Kraven på konkurrens ökar för alla industrigrenar, något som sätter press också på elpriserna. Följden blir att kraftbolagen ser sig tvungna att släppa in nya aktörer på sina marknader, och att driva sin verksamhet Georg Schett Fred Engler Alfred Jaussi Kjell Pettersson Dr. Andrzej Kaczkowski ABB Hochspannungstechnik AG effektivare. Nya anläggningar värderas inte längre uteslutande utifrån sina investeringskostnader, utan hela livscykelkostnaden tas med i bedömningen. Som logisk följd av vad som beskrivits ovan har elektronikindustrin åtagit sig uppgiften att erbjuda innovativa lösningar som tillåter kraftbolagen att sänka sina kostnader. Förändringar kan förutses på de gasisolerade ställverkens (GIS) område. Artikeln beskriver den nya tekniken och de fördelar den medför för användarna. Tyngdpunkten har lagts på styr- och skyddstekniken. Styr- och skyddsteknikens olika integrationsnivåer i ett GIS Liksom inom många andra tekniska områden skiljer vi då det gäller GIS mellan krafttekniken å ena sidan och styr- och skyddstekniken å andra sidan. Krafttekniken omfattar de högspänningsapparater i ställverket som utför dess primära funktioner, som brytning av driftoch kortslutningsströmmar, mätning, frånskiljning etc. Styr- och skyddstekniken omfattar komponenter som styr högspänningsapparaterna, behandlar uppmätta värden och övervakar systemet. Under årens lopp har den tekniska mognaden och driftsäkerheten förbättrats, och synergieffekterna från en kombination av dessa båda tekniska områden ställer ytterligare funktionsförbättringar och kostnadsfördelar i utsikt. Utvecklingstendensen förstärks av det ökande trycket på kraftbolagen att sänka sina kostnader och att begränsa utbyggnaden av sina transmissionsnät av miljöskäl. Utvecklingen mot en sammansmältning kan delas in i tre stadier : Konventionell teknik Modern teknik Intelligenta GIS ABB Tidning 8/996
Exempel på ett modernt gasisolerat ställverk för 300 kv, med integrerat lokalkontrollskåp för styr- och skyddsutrustning Konventionell teknik Konventionellt har konstruktionen av ett ställverks styr- och skyddsteknik styrts av de elektromekaniska reläernas begränsningar. En stor mängd olika apparater, var och en framtagen för att utföra en bestämd funktion, måste kopplas samman med kopparledare, i syfte att skapa heltäckande styr-, skydds- och mätsystem. Dessa apparater byggdes normalt in i skåp placerade i separata rum, vid sidan om högspänningsutrustningen. I omedelbar anslutning till varje GIS-fack finns ytterligare ett styrskåp (lokalkontrollskåpet) med reläer för enkla förreglingsfunktioner och lokala styrfunktioner. Mellan GIS-facket och lokalkontrollskåpet, liksom mellan lokalkontrollskåpet och de överordnade styr- och skyddsapparatskåpen löpte tusentals signalledare. Ledarna från strömoch spänningstransformatorerna måste dessutom, av noggrannhetsskäl, vara avstämda med avseende på typ och längd. De elektromekaniska skyddssystemen utmärktes av god noggrannhet och hög säkerhet, förutsatt att de underhölls och justerades regelbundet. Med tiden kom vissa skyddsfunktioner att övertas av statiska reläer, apparater som inte kunde erbjuda samma mått av stabilitet och driftsäkerhet som ett elektromekaniskt, men som hade större funktionsbredd. I ett senare skede ersattes de statiska reläerna av digitala apparater. Tack vare den kontinuerliga utvecklingen på elektronikens område och användningen av självövervakningsrutiner har dagens ställverk högre driftsäkerhet än sådana som är baserade på elektromekaniska reläer. Funktionsbredden i de numeriska reläerna ökade och de kom att överta fler skydds- och styrfunktioner. Denna nya utvecklingstrend öppnade möjligheten till kraftigt förenklade styr- och skyddssystem i gasisolerade ställverk. Modern teknik De flesta styr- och skyddsfunktioner kan realiseras programvarumässigt och exekveras av generella maskinvarumoduler. Sådana digitala flerfunktionsapparater lämpar sig för såväl styrning och skydd som för de flesta övriga funktioner som kan bli aktuella i ett ställverk. Funktionerna kan kombineras programvarumässigt. Medan ett elektromekaniskt relä är konstruerat för ett enda fördefinierat ändamål kan moderna digitala apparater utföra flera funktioner parallellt. Detta öppnar möjligheten för kompakta styroch skyddslösningar i såväl gas- som luftisolerade ställverk. Denna fördel har tidigare utnyttjats för integrerad styrning av ett GIS-fack i lokalkontrollskåpet, som tidigare endast innehållit fackets fast kopplade förreglingssystem. Kom- ABB Tidning 8/996
munikationen mellan de enskilda facken och mellan fack och överordnad styrning går via en seriell fiberoptisk buss som ersätter de konventionella fasta ensignalledarna. Tekniken har redan vunnit framgång på marknaden. 3 visar ett modernt integrerat ställverksfack med sitt lokalkontrollskåp. Den moderna tekniken erbjuder följande fördelar: Betydligt färre komponenter behövs för samma funktioner. Utrustningen för fackrelaterade styr-, skydds- och mätfunktioner kan byggas in i varje lokalkontrollskåp. Något separat rum för styr- och skyddsutrustningen behövs inte. Den fiberoptiska bussen minskar eller eliminerar behovet av parallella signal- ledare mellan fack- och stationsnivå. Detta förenklar konstruktionen och reducerar EMC-problemen. Utrustningens tillgänglighet ökar tack vare självövervakning och självsdiagnostik av återstående fasta signalförbindelser mellan styrskåp och högspänningsapparater. Den kontinuerliga funktionskontrollen av utlösningskretsarna ökar tillgängligheten ytterligare. Även med modern integrerad styr- och skyddsteknik kvarstår nackdelen med den fasta ledningsdragningen mellan lokalkontrollskåpet och högspänningsapparaterna. ABB har därför utvecklat ett seriellt fiberoptiskt bussystem för att ersätta denna förbindelse. Intelligenta GIS Genom att använda en seriell fiberoptisk förbindelse (processbuss) mellan lokalkontrollskåpet och de gasisolerade högspänningskomponenterna förskjuts de traditionella gränserna mellan systemen i ett ställverk. A/D-omvandling och vissa databearbetningsfunktioner som hittills har hanterats i styrskåpen distribueras till processnivå och integreras fysiskt med högspänningskomponenterna, 3. Även bortsett från att den fasta kopplingen till kraftkomponenterna på ett enkelt sätt kan ersättas (vilket innebär sänkta kostnader) är detta viktiga innovationssteg nödvändigt för att uppfylla de allt hårdare kraven på övervaknings-, diagnos- och serviceplaneringsfunktio- Utvecklingsfaser för styr- och skyddstekniken i gasisolerade ställverk (GIS) a Konventionell teknik Människa-maskin-kommunikation 7 Gateway b Modern teknik och manöverpanel 8 Seriellt gränssnitt c Intelligenta GIS Fast kopplade förbindelser 9 Till andra ställverksfack 3 Händelseskrivare och skydd 0 Givare och ställdon I Kontrollrum SCADA: distribution och mätning II Relä- och hjälpsystemrum Lokalkontrollskåp III Ställverk 6 Människa-maskin-kommunikation I 7 6 7 6 3 II 8 8 9 9 III 0 GIS GIS 8 GIS a b c 6 ABB Tidning 8/996
ner. Tekniken öppnar samtidigt vägen för moderna metoder att samla in data från högspänningsapparater, såsom brytarnas och frånskiljarnas manöverdon, kopplarlägesindikatorer, strömtransformatorer och spänningstransformatorer. En del av dessa komponenter har tills nu befunnit sig på en föråldrad teknisk nivå, med allt högre tillverknings- och underhållskostnader som följd. Principen med seriell processbuss och i kraftsystemet integrerade gränssnitt med de distribuerade elektroniska funktionerna tillåter väl strukturerade modulära lösningar för att sammanföra högspänningsdelen med styr- och skyddssystemet i ett ställverk. Principen för och den apparattekniska realiseringen av datainsamlings-, övervaknings-, diagnos,- och gränssnittfunktioner beror i hög grad på vilken utrustning som valts på kraftsidan och hur den utrustningens processgränssnitt är utformade. Kommunikationen via seriebussen mellan de olika processgränssnitten och det överordnade styr- och skyddssystemet är däremot standardiserad. Detta förhållande gör det möjligt att knyta ihop apparater från olika tillverkare och tillåter därmed kraftbolagen att sänka sina kostnader. Modernt GIS-fack med integrerat lokalkontrollskåp 3 Ström- och spänningstransformatorer ersätts av givare En av de mest påtagliga fördelarna med intelligenta GIS är att de konventionella ström- och spänningstransformatorerna ersätts av givare. De numeriska styroch skyddssystemen kräver inte längre hög signaleffekt, varför de tunga och dyra mättransformatorerna kan ersättas av kompakta givare med låg signaleffekt. På så sätt bortfaller många av de inneboende problemen med konventionella mätsystem. Problem med konventionella mättransformatorer Konventionella ström- och spänningstransformatorer har följande nackdelar: De är konstruerade utifrån de krav som ställs av elektromekaniska reläer. Dessa apparaters höga krav på signaleffekt (upp till 60 VA och A) krävde tunga och dyra mättransformatorer. För att uppfylla noggrannhetsklassen och stabilitetskraven på mätsystemet måste särskild uppmärksamhet ägnas åt ledningarna mellan mättransformatorer och reläer. Mät- och skyddstillämpningar fordrar elektriska signaler inom ett stort dynamikområde. Dynamiken i en konventionell mättransformator begränsas genom mättning av transformatorkärnan. Därför fordras olika transformatorkärnor och lindningsuttag för olika tillämpningar på styroch skyddssidan. Av denna anledning har systemen för mätning, räkning och skydd traditionellt behandlats som separata system. Vid höga kortslutningsströmmar förvrängs den uppmätta strömsignalen på grund av mättnad i strömtransfor- ABB Tidning 8/996 7
mätning, men levererar betydligt lägre uteffekt än tidigare mättransformatorer. Den andra kategorin bygger på alternativa fysikaliska effekter, vanligen av optisk natur. Givare med halvkonventionell elektromagnetisk mätning Den förstnämnda kategorin, de halvkonventionella ström- och spänningsgivarna, tillämpar i huvudsak traditionell induktiv, kapacitiv eller resistiv mätteknik, men har låg uteffekt. Tekniken er- 3 Kombinerad UI-givare för GIS med elektroniskt gränssnitt () Seriell fiberoptisk länk Spänningsgivare 3 Rogowski-spole matorkärnan. Därför fordras komplicerade och dyrbara skyddsapparater för att återställa den förvrängda signalen till sin ursprungliga form och säkerställa skyddsfunktionerna. Stora överspänningar som följd av ferroresonansfenomen, i sin tur orsakade av bristande linjäritet i mättransformatorerna, har ofta medfört skador i kringliggande anläggningskomponenter. Fenomenet är visserligen väl känt, men kan endast med svårighet elimineras. En viktig uppgift på ställverksteknikens område är att ta hänsyn till detta fenomen och att definiera lämpliga åtgärder. Exempelvis måste styrkondensatorerna i effektbrytarna i intilliggande utrustning anpassas så att konsekvenserna av överspänningar begränsas. På grund av sin komplexa dielektriska uppbyggnad utgör spänningstransformatorn en svag punkt i transmissionssystemets isolation. Det är därför som en stor andel av de elektriska överslagen i elektriska nät inträffar just i spänningstransformatorerna. Tilläggas bör att situationen under senare år har förbättrats tack vare transformatortillverkarnas ansträngningar. Alternativa mätmetoder Alternativa givarbaserade mätmetoder har utvecklats och testats i praktiken under lång tid. De nya givarna tillämpar olika fysikaliska principer. Några finns redan ute på marknaden, men tillämpningsområdet begränsas av att det ännu inte finns någon enhetlig och konsekvent ansats till helhetslösning för ställverksstyrning. För ström- och spänningstransformatorer kan i princip två kategorier av fysikaliska funktionsprinciper komma i fråga. Den halvkonventionella kategorin utnyttjar konventionell elektromagnetisk Luftisolerad strömgivare vars elektronik på driftspänningsnivån matas via en laserstråle. Konventionell mättransformator eller Rogowski-spole Elektroniklåda för omvandling av till optiska signaler 3 Fiberoptisk ledare för signaler och optisk energiförsörjning Optisk överföring av energi till elektroniken på driftspänningsnivån Elektronik för signalbehandling 3 8 ABB Tidning 8/996
bjuder optimala lösningar i fall med små isolationsavstånd mellan driftspänningsnivå och jordpotential, t ex för GIS och mellanspänningsanläggningar. I luftisolerade högspänningstillämpningar är det emellertid svårare att överbrygga av- I ståndet mellan driftspänningsnivå och jordpotential med mätsignalen. Under senare år har det emellertid kommit fram lösningar med elektromagnetisk 3 3 teknik även för luftisolerade installationer. På grund av den låga uteffekten från Laser s s halvkonventionella givare är det elektroniska gränssnittet () mellan givare och databehandlingsenhet inbyggt i apparaten eller till och med fullständigt in- S s s s + s tegrerat. Kombinerad ström- och spänningsgivare För GIS-tillämpningar har en kombinerad ström- och spänningsgivare utvecklats som ersättning för de konventionella mättransformatorerna. Strömgivaren bygger på en Rogowski-spole som fungerar som en järnfri induktiv strömtransformator, medan en kapacitiv givare mäter spänningen. Eftersom Rogowski-spolen har linjär karakteristik, behöver mättnadseffekten inte beaktas vid definitionen av skyddsalgoritmerna. Även den kapacitiva ringen som fungerar som spänningsgivare uppvisar linjär karakteristik och är mycket enkelt utförd med avseende på isolationen. Lösningen, inkluderande det integrerade elektroniska gränssnittet (), presenteras senare. Digital optisk mättransformator för luftisolerade ställverk Givare med reducerad kärna och järnfria givare som fungerar som Rogowskispolar har utvecklats även för användning i luftisolerade högspänningsanläggningar. Givartypen har använts i flera år, men dess tillämpningsområde är begränsat. Funktionsprincip för den optiska strömsensorn Fiberoptisk sensor I Ström Polariseringsanordning S Ljusintensitet 3 Polarisationsvinkel Fotodioder Besparingspotentialen med givare för luftisolerade ställverk beror på det enklare isolationssystemet. visar en lösning där det elektroniska gränssnittet vid strömgivaren är placerad på driftspänningsnivån och mätsignalerna på optisk digital väg överförs till jordpotentialnivån. Energin som driver elektroniken på driftspänningsnivån kan levereras antingen via magnetiska eller kapacitiva ströfält eller fiberoptiskt i form av pulser från en laserdiod på jordpotential. Givare som utnyttjar andra fysikaliska principer Den andra kategorin ström- och spänningsgivare bygger på direkta optiska effekter i elektriska och magnetiska fält. Därmed uppstår inga isolationsproblem vid användning i luftisolerade högspänningsställverk. Denna teknik kommer med största sannolikhet att bli den dominerande för sådana ställverk. Faraday-effekten för strömmätning Magnetiska fält påverkar polarisationsvinkeln för polariserat ljus. Vinkelförändringen är direkt proportionell mot magnetfältet. Genom att mäta förändringen i polarisationsvinkeln på ljus som passerar genom en fiberoptisk ledare lindad kring en strömledare kan strömmen i den elektriska ledaren beräknas 6, 7. Noggrannheten är så hög att till och med mättekniska krav uppfylls. Optiska strömtransformatorer baserade på denna princip finns redan på marknaden. 6 ABB Tidning 8/996 9
Den piezo-optiska effekten för spänningsmätning Elektriska fält påverkar piezokristallers storlek och form. Denna påverkan kan avläsas t ex via en fiberoptisk ledare som är lindad kring kristallen 8. Eftersom den mekaniska förändringen är direkt proportionell mot det elektriska fältet, kan den spänning som påverkar kristallen beräknas. För att givare baserade på direkt optisk påverkan ska vinna genomslag är det absolut nödvändigt med optimal gränssnitteknik mellan givaren och ställverkets styr- och skyddssystem. På samma sätt som för Rogowski-spolar och kapacitiva givare i gasisolerade ställverk finns även för direkta optiska givare möjlighet att integrera dem fullständigt i andra komponenter i luftisole- Jämförelse mellan en konventionell strömtransformator på driftspänningsnivå och en optisk strömsensor rade ställverk, t ex i effektbrytare. Därmed uppnås betydande kostnadsmässiga fördelar gentemot konventionella ström- och spänningstransformatorer. Eftersom GIS spelar en föregångarroll inom integrering av kraftteknik med styroch skyddsteknik, kommer vi nedan att närmare behandla systemlösningar på GIS-området som befinner sig i utvecklingens slutfas. Sådana givare utgör viktiga komponenter i intelligenta GIS. Konceptet Intelligenta GIS 9 visar vad som menas med ett intelligent GIS-fack. Följande egenskaper är värda att notera: Samtliga högspänningskomponenter ansluts via en seriell fiberoptisk buss a Konventionell strömtransformator 3 Driftspänningsanslutning b Optisk strömsensor Isolator Isolation för sekundärlindning Sekundärlindning och transformatorkärna 6 Optiskt givarhuvud Oljeexpansionskärl 7 Fiberoptisk ledare a 3 3 6 b 7 7 till lokalkontrollskåpet. Därmed bortfaller de konventionella fasta signalledarna. Varje högspänningsapparat (givare och ställdon) är utrustad med ett elektroniskt gränssnitt som betecknas (Process Interface for Sensors and Actuators). Bland s huvuduppgifter kan nämnas A/D-omvandling, förbehandling av mätsignaler, distribution av konverterade seriella meddelanden via bussen samt exekvering av styr- och skyddskommandon som tagits emot via bussen. Vidare tar hand om lokal datalagring för felregistrering i ställverksstyrsystem, vissa apparatspecifika övervaknings- och diagnosfunktioner samt intelligenta kopplingsfunktioner som t ex point on wave switching (synkroniserat eller styrt till-/frånslag) i effektbrytare. På samma sätt som i moderna ställverkssystem är det intelligenta ställverksfackets styr- och skyddsutrustning placerad i lokalkontrollskåpet. Vissa apparatspecifika övervaknings- och diagnosfunktioner kan utföras decentralt på processnivå och i. Styr- och skyddsfunktionerna i det tillordnade styrskåpet får givarsignalerna via en fiberoptisk buss (processbussen) i stället för via fasta signalledare. Givar- och ställdonssignaler överförs endast en gång till bussen och står därefter till förfogande för alla apparater och funktioner som behöver informationen. Detta är en av de viktigaste skillnaderna gentemot konventionell teknik. I dag är de flesta styr-, skydds-, mätoch räknarapparater anslutna via separata mätledningar till speciella mättransformatorer eller lindningsanslutningar. Det beror på att de fordrar en funktionsspecifik matningseffekt och att de arbetar med olika signalnivåer. Genom att transfor- 0 ABB Tidning 8/996
3 Optisk spänningssensor Skärm för driftspänningspotential Kvarts 3 Fiberoptisk ledare, lindad kring kvartskristallen Skärm för jordpotential In- och utgång för fiberoptisk ledare 8 busskoncept är att nå enhetlig busskommunikation som gör det möjligt att via -gränssnittet ansluta apparater från olika tillverkare. Apparater som inte är kompatibla med den standardiserade processbussen kan anslutas till systemet via motsvarande gränssnitt. I gasisolerade ställverk matas via kopparledare i samma kabel som bussens fiberoptiska ledare. I syfte att nå äkta redundans kan och bussförbindelsen mellan och lokalkontrollskåpet dubbleras, med följden att varje viktig funktion får två identiska - och bussförbindelser, vilka ömsesidigt övervakar varandra. Skulle en störning uppstå i en apparat övertar motsvarande apparat samtliga funktioner. Samtidigt genereras ett störningsmeddelande, varefter störningsorsaken kan elimineras eller de aktuella kopplingskretsarna bytas ut utan att driften behöver avbrytas. Kommunikationen mellan ställverksfacken respektive mellan fack och stationsdator går via bussen. I idealfallet är det frågan om samma typ av buss som processbussen. På så sätt möjliggörs kommunikation i realtid mellan ställverksfacken t ex för ömsesidig förregling av fack även via den fiberoptiska bussen. Funktionsmässiga fördelar med intelligenta GIS Övervaknings- och diagnosfunktioner i Då all styr- och skyddsutrustning i det gasisolerade ställverket är utrustad med ett processgränssnitt () och datorkraften är avsedd att finnas tillgänglig i Det intelligenta GIS-facket 9 matorkärnan mättas begränsas dynamikområdet. Eftersom den nya givaren är järnfritt utförd, utvidgas mätdynamiken så mycket att det räcker med en enda givartyp för alla typer av mätning. Denna förenkling gör det möjligt att realisera äkta redundanskoncept. Processbussen mellan och fackapparaterna arbetar i realtid. Detta är av stor vikt eftersom de utlösnings-, ström- och spänningssignaler som överförs via bussen används för skydds- och förreglingsfunktioner. I sammanhanget är det viktigt att tidsupplösningen mellan apparaterna i styrskåpet och i är tillräckligt fin. En IEC-arbetsgrupp har tillsatts med uppgiften att göra kommunikationsprotokollet på processbussen enhetligt. Målet med ett sådant öppet UI-givare Reservskydd GIS-högspänningsdel 6 Huvudskydd 3 Redundant seriell fiberoptisk processbuss 7 Mätning Lokalkontrollskåp 8 Gränssnitt mot andra system 3 6 7 8 ABB Tidning 8/996
p.u. 0 dag en tendens mot synkroniserat frånslag, dvs mot frånslag med optimala ljusbågstider. I intelligent GIS-utrustning har programvarualgoritmerna för synkronisering, som i dag vanligtvis körs på skilda decentrala datorer, integrerats i systemet på -nivån i de aktuella effektbrytarna. - 0 0.0 omedelbar anslutning till processen, går det att realisera övervakningsfunktioner och apparatspecifika styrfunktioner, tidigare inte tänkbara eller alltför kostsamma. Systemkonceptet med intelligent GIS-utrustning är en viktig förutsättning för ekonomisk användning av givare och av övervaknings- och diagnosfunktioner i styrsystem för ställverk. t 0.0 0. 0.0 0. s 0.30 Intelligenta kopplingsmanövrer vid kompenserade ledningar Spänning över effektbrytare Optimala slutningstidpunkter 0 för manövrering av kopplare Konventionella manöverdon för effektbrytare, frånskiljare och jordare är fortfarande utrustade med elektromagnetiska lägesindikatorer, så kallade hjälpkontakter. Dessa ersätts i framtiden med digitala optiska givare som registrerar alla rörelser ett manöverdon utför. Samtidigt kan information om alla utförda manövrer lagras, en möjlighet som framför allt då det gäller effektbrytare öppnar möjligheter till trendanalys och jämförelser mellan aktuellt tillstånd och ursprungligt tillstånd i en apparat. En onormal manöver utlöser ett varningsmeddelande i ställverksstyrsystemet och en analyskurva visas i Station Engineering System. I de flesta fall ger detta tillräcklig information för att lämpliga motåtgärder ska kunna sättas in innan ett fel utvecklas till en driftstörning. är självkonfigurerbart Apparater utrustade med anropar självständigt ställverkets styrsystem och meddelar sin identitet och sin funktion, så att den tidsödande projekteringen och parametersättningen i fält, på process- eller facknivå bortfaller. Intelligent manövrering Kostsamma och otillförlitliga till- och frånslagsmotstånd ersätts i ökande utsträckning med elektroniskt styrd synkroniserad manövrering. Tack vare kopplarmanöverdonens noggrannhet är det i dag möjligt att låta mikroprocessorer exekvera snabba realtidsalgoritmer som resulterar i point on vave -manövrer även i komplicerade situationer, som t ex i kompenserade ledningar 0. I ett antal praktiska försök har redan kunnat påvisas hur synkroniserad manövrering bidrar till att minska överspänningarna i nätet. I kölvattnet efter tekniken med synkroniserat tillslag ser vi i Service och underhåll I princip gäller att drift- och underhållsarbetet i ett gasisolerat ställverk stöds av de tidigare nämnda övervakningsoch diagnosfunktionerna. Utvecklingen går mot att det regelbundna underhållsarbetet ersätts av automatiska tillståndskontroller och att utrustningens livslängd ökas ytterligare genom användning av apparatspecifika diagnosfunktioner, realiserade i form av programvarumoduler laddade i. De elektroniska apparaterna är självövervakande och genererar störningsmeddelanden i händelse av fel. Det beskrivna redundanskonceptet tillåter utbyte av en elektronisk modul utan att motsvarande kopplingsapparat därmed måste tas ur drift. Vad de elektroniska apparaternas självövervakning beträffar har den digitala teknik som redan utnyttjas i moderna ställverk gett goda erfarenheter och en betydande kunskapsbas. Samma principer utnyttjas i, men med bättre och mer enhetlig systemansats. För allmänna styr- och skyddsfunktioner används i ökande grad standardprocessorkort. Genom långsiktiga avtal, strikta normer och ett noggrant komponenturval säkerställs att alla nödvändiga reservdelar finns under ett gasisolerat ställverks hela livslängd. På grund av den snabba utvecklingen på elektroniksidan kommer utbyte av komponenter att göras på funktionsbasis. Livslängd för elektroniska system Livstiden för elektroniska system har med tiden blivit mycket hög. Inom generations- och transmissionstekniken finns ABB Tidning 8/996
UI UI Exempel på GIS-fack med UI-givare system installerade som har arbetat i över 0 år. Det har visat sig att MTBF (medeltiden mellan fel) för dessa system är mycket högre än vad som ursprungligen hade förväntats, och att det finns potential för ytterligare förbättring av tillförlitligheten. Det förefaller tryggt att utgå från att intelligenta styr- och skyddssystem blir mer tillförlitliga än konventionell utrustning. En annan viktig faktor i sammanhanget är att när en elektronisk apparat en gång går sönder kan den bytas snabbt och utan driftavbrott. UI-givare med B snart standard i GIS Den optimala lösningen för mätning av spänningar och strömmar i ett gasisolerat ställverk är den kombinerade strömoch spänningsgivaren. Som strömgivare används en Rogowski-spole, medan spänningen mäts med en kapacitiv ringsensor. Som redan nämnts är varje givare utrustad med - och kommunikationsbuss, vid förhöjda redundanskrav i dubblerat utförande. Konstruktionsdata för märklast Den kombinerade UI-givaren uppfyller specificerade krav på skydd och noggrannhet (klass 0,) inom temperaturområdet 0 C till +0 C, och kan därför ersätta konventionella ström- och spänningstransformatorer i alla tillämpningar. s uppgifter ansvarar för filtrering av analoga signaler, A/D-omvandling, filtrering av digitala signaler och förbearbetning av insamlade givarsignaler 3. Utsignalerna UI-givare med ABB Tidning 8/996 3
GIS bus Capacitive sensor Rogowski coil Skydd mot elektromagnetiska störningar (EMC) Elektronikkorten i är fullständigt avskärmade mot elektromagnetiska störningar. Eftersom de sitter i givarens omedelbara närhet, kan mycket korta och väl avskärmade kopparledningar användas mellan givare och elektronik. Givarnas små fysiska mått ger betydligt mindre angreppsyta för branta spänningstoppar än vad konventionella mättransformatorer ger. Signalförbindelserna mellan lokalkontrollskåpet och är utförda i fiberoptisk teknik och är alltså fullständigt okänsliga mot elektromagnetiska fält. Redundant electronic boards Copper wire for supply Power supply Analogue filter A/D converter Signal processing µp with software Interface to optical bus Power supply Analogue filter A/D converter Signal processing µp with software Interface to optical bus Connectors Optical fiber Process bus Schematisk bild av 3 från Rogowski-spolen och den kapacitiva spänningsgivaren är proportionella med den ström och spänning som ska mätas. Utsignalerna integreras digitalt i. sänder mätsignalerna seriellt via en fiberoptisk buss, den så kallade processbussen, till den anslutna styroch skyddsutrustningen. Kommunikation Kommunikationen mellan och all annan utrustning på facknivå sker i realtid via en fiberoptisk buss. För ändamålet utnyttjas en standard liknande den som används inom traktionsområdet. Tekniken är väl beprövad och kommunikationskraven är ungefär desamma inom båda tillämpningsområdena. Kalibrering av givare och Givarens primärdel kalibreras med ett förfarande som liknar det som används för dagens konventionella mättransformatorer, medan kalibreras med hjälp av en standardiserad referensapparat. kan bytas ut under drift av ställverksfacket utan att kalibreringsdata för givarens högspänningsdel går förlorade. Författarnas adress Georg Schett Fred Engler Alfred Jaussi Kjell Pettersson Dr. Andrzej Kaczkowski ABB Hochspannungstechnik AG Postfach 887 CH-800 Zürich Fax: + (0) 3 709 ABB Tidning 8/996