Prosjektrapport
Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Bacheloroppgave Oppgavens tittel: Vern- og releplan for generator og linjer. Gitt dato: 01.01.10 Innleveringsdato:12.05.10 Project title: Antall sider/bilag: Protection of generators and lines. 35/10 Gruppedeltakere: Veileder Pål Glimen Tlf. 924 86 311 E-post: [email protected] Carl Eirik Auke Borgen Torkel Fjærvik Lian Studieretning: Program for elektro- og datateknikk, studieretning for elkraft. Prosjektnummer: Oppdragsgiver: Salvesen & Thams Kontaktperson hos oppdragsgiver Johan Skjølberg Mob: 93806828 E1015 Per Kirkaune Mob: 90822875 Fritt tilgjengelig X Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter _________________________________________________________________________________________________ 1 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Forord Våren 2010 skulle alle studenter som går sisteåret ved Høgskolen i Sør-Trøndelag skrive en bacheloroppgave med omfang ca 450 timer per person. Prosjektet utgjør 18 studiepoeng, og skal ta utgangspunkt i de kunnskaper studentene har tilegnet seg gjennom studiene. Målet med dette prosjektet er at man skal tilegne seg bedre kunnskap i tilknytning til studieretningen og få øving i å gjennomføre et større prosjekt ved samarbeid i gruppe. Prosjektet ble gitt av firmaet Salvesen & Thams som er et selskap med over 100 års historie med vannkraftverk og lignende. De har engasjert konsulentfirmaet Rovas som er en totalleverandør av komplette løsninger for småkraftverk. Oppgaven vi fikk var og se på og eventuelt forbedre verninnstillingene til Føssa kraftverk som skal settes i drift høsten 2010. Utover dette vil hensikten også være å skaffe seg nyttig og relevant arbeidserfaring, noe som kommer godt med på framtidig jobbsøking. Samtidig som vi får relevant arbeidserfaring, tilegner vi oss kunnskaper om moderne styresystemer og ikke minst prosjektarbeid som arbeidsform. Rapporten er rettet mot utbyggere, studenter og lærere ved institutt for elkraft ved Høyskolen i SørTrøndelag samt andre interesserte. Vi ønsker og rette en takk til følgende personer: Johan Skjølberg – Salvesen & Thams Per Kirkaune – Salvesen & Thams Pål Glimen – Voith Hydro Lars Hofstad – Trønder Energi Rune Skorstad – Rovas Trondheim 12.4.2010 _________________________________________________________________________________________________ 2 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Innholdsfortegnelse Sammendrag.......................................................................................... 5 1 Innledning........................................................................................... 6 1.1 Bakgrunn for oppgaven ...................................................................................................... 6 1.2 Prosjektmål......................................................................................................................... 7 1.2.1 Effektmål ..................................................................................................................... 7 1.2.2 Resultatmål.................................................................................................................. 7 1.2.3 Prosessmål................................................................................................................... 7 1.3 Rapportens oppbygging...................................................................................................... 8 1.4 Begrepsliste ........................................................................................................................ 9 2 Kilder og metoder ............................................................................ 11 3 Generelt om vern ............................................................................. 12 3.1 Generatorvern................................................................................................................... 13 3.1.1 Under/Over spenningsvern........................................................................................ 13 3.1.2 Under/Over frekvensvern .......................................................................................... 13 3.1.3 Under/Over magnetiseringsvern ............................................................................... 13 3.1.4 Overstrømsvern ......................................................................................................... 13 3.1.5 Retureffektvern.......................................................................................................... 14 3.1.6 Ubalansevern ............................................................................................................. 14 3.1.7 Jordfeilvern på generator........................................................................................... 14 3.1.8 Differnensialvern....................................................................................................... 15 3.1.9 Vectorjump................................................................................................................ 16 3.1.10 Df/dt vern ................................................................................................................ 17 3.1.11 Vibrasjonsvern ........................................................................................................ 18 3.1.12 Temperaturvern ....................................................................................................... 18 3.1.13 Rusevern.................................................................................................................. 18 3.2 Linjevern .......................................................................................................................... 18 3.2.1 Linje- og kabelvern ................................................................................................... 18 3.2.2 Overstrømsvern ......................................................................................................... 19 3.2.3 Konstanttid overstrømsrelé ....................................................................................... 19 3.2.4 Inverstid overstrømsrelé............................................................................................ 20 3.2.5 Ikke-retningsbestemt jordfeilvern ............................................................................. 20 _________________________________________________________________________________________________ 3 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 3.2.6 Retningsbestemt jordfeilvern .................................................................................... 20 4 Riggen ............................................................................................... 21 4.1 Generatorvern................................................................................................................... 22 4.2 Vernene i Spenningsregulatoren ...................................................................................... 23 5 Testing av vern................................................................................. 24 6 Salvesen & Thams............................................................................ 26 7 Føssa småkraftverk ......................................................................... 27 7.1 VAMP 210 ....................................................................................................................... 28 7.2 Beregning av kabel, eget nett ........................................................................................... 29 7.3 Linjer og situasjonen rundt kraftverket ............................................................................ 30 7.3.1 TrønderEnergi ........................................................................................................... 30 7.3.2 TrønderEnergi sine vern til Føssa ............................................................................. 30 8 Konklusjon ....................................................................................... 32 9 Kilder ................................................................................................ 34 10 Vedlegg............................................................................................ 36 _________________________________________________________________________________________________ 4 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Sammendrag Denne prosjektoppgaven ble gitt av Salvesen & Thams v/ Per Kirkaune og Johan Skjølberg. Oppgaven gikk ut på å se over, og eventuelt prøve å optimalisere verninnstillingene til Føssa Kraftverk som er prosjektert av konsulentfirmaet Rovas. Måter vi har kunne optimalisere vern på er litt begrenset da innstillinger av vern er ofte basert på erfaringer fra tidligere anlegg. Vi har derfor måtte sette oss inn i de forskjellige vern sine funksjoner og forsøke å anta gode innstillinger basert på det. Den andre måten vi har bruket er å teste vern direkte på ”Riggen” her på skolen. Vi har også hatt kontakt med TrønderEnergi v/ Lars Hofstad som har hjulpet oss med linjeverndelen. Alle disse metodene har gitt oss nyttig informasjon om innstillingene er gode nok, eller om det rom for forbedringer. Videre har vi tatt for oss litt om Føssa Kraftverk og prosjekteringen rundt det. Vi har sett på hvordan man skal gjøre det med eget nett i kraftstasjonen og opp til demningen. Vi brukte disse lærdommene når vi tok for oss delen av oppgaven som omhandlet Føssa kraftverk, og hva vi konkluderte med i forhold til det. _________________________________________________________________________________________________ 5 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 1 Innledning 1.1 Bakgrunn for oppgaven I de senere årene har det blitt flere og flere mikro, mini og småkraftverk i Norge. Disse kraftverkene er ofte produsert ut av et standard oppsett som er raskt og lett å prosjektere i forhold til større kraftverk, som blir mer skreddersydd til sitt formål enn de små. Større kraftverk er ofte også under mer oppsyn enn de små, slik at det muligens er større grunn til å fokusere på gode stabile vern for de små kraftverkene enn man skulle tro. Dette betyr ikke at det er mindre fokus på vern i de store kraftverkene, men mer at et standard lite kraftverk, ofte blir utsatt for økonomisk konkurranse mellom leverandører slik at vern funksjoner ofte kan bli skviset ut for og få anlegget billigere. Dette blir å ha feil fokus på innsparinger da vernene ofte er den minste kostnaden i et slik kraftverk, men kanskje den viktigste komponenten. _________________________________________________________________________________________________ 6 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 1.2 Prosjektmål 1.2.1 Effektmål - Optimalisere innstillinger av vern til Føssa kraftverk. - Få en bred kompetanse på vern. 1.2.2 Resultatmål - Sette oss godt inn i forskjellige vern og hvordan de fungerer sammen. - Lære forskjellige måter å regne ut nødvendige vern, manuelt og med dataverktøy. - Komme med et bra resultat som er mulig å bruke. - Prosjektet skal leveres seinest 20. mai. 1.2.3 Prosessmål - Jobbe jevnt og følge Gantt diagrammet best mulig. - Fordele arbeidet jevnt slik at det blir like stor arbeidsmengde på hver. - Øke ferdighetene i samarbeidsjobbing. - Tilegne oss mer kompetanse på de fagområdene vi gjennomgår. - Oppnå god karakter på prosjektet. _________________________________________________________________________________________________ 7 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 1.3 Rapportens oppbygging I en prosjektrapport er det noen standarder prosjektgruppen må ta hensyn til. Vi hat tatt utgangspunkt i standarder hentet fra Prosjektarbeid, en veiledning for studenter (Andersen og Schvencke 2001). Dette er et skriv som er utdelt i forbindelse med hovedprosjektet. Her er det retningslinjer angående hva som skal være med og hvor i rapporten det skal stå. Det er også en del som er åpent, og opp til hver enkelt gruppe å avgjøre hvordan det skal gjøres. Vi har bygd opp rapporten vår som beskrevet under. Kapittel en heter innledning. Her tar vi med problemstilling, oppbygging av rapporten og begrepsliste. Kapittel to omhandler metoder og vurderinger i forhold til å finne informasjon vi har hatt bruk for underveis. Kapittel tre sier noe om hvilke vern som finnes, og litt om hvordan de fungerer. Kapittel fire forklarer om hva Riggen er. Kapittel fem omhandler vår testing av vernfunksjonene på Riggen. Kapittel seks er litt om historien til Salvesen & Thams. Kapittel sju omhandler Føssa kraftverk og litt om det overliggende nettet til det. Kapittel åtte er en konklusjon der vi samler trådene fra rapporten. Kapittel ni forklarer hvor vi har hentet kildene våre. Kapittel ti er en oppsamling av vedlegg vi har. _________________________________________________________________________________________________ 8 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 1.4 Begrepsliste I prosjektrapporten bruker vi en del uttrykk, forkortelser og liknende som ikke inngår i vanlig norsk dagligtale. I dette kapittelet har vi definert, og sagt litt generelt om de som er mest aktuelle. DECS (Digital Exitation Control System) Er en digital spenningsregulator som leverer magnetiseringsstrøm til synkrongeneratorens rotor. DEIF GPU(Generator Protection Unit) Generatorvernet til elektrokomponentprodusenten DEIF. Dette vernet skal beskytte generatoren for mulig feil. GIK (automatiske gjeninnkobling) Rask ut og innkobling av en linje, brukes av netteier for å fjerne forbigående feil. En slik utkobling er på vanligvis 300 ms. Kortslutningsstrøm Høy strøm som oppstår ved kortslutning da motstanden er veldig lav der man har en feil. Magnetiseringsstrøm Det er en likestrøm som man forsyner rotoren med for og sette opp et magnetisk felt som kan produsere vekselstrøm. Måletrafo Transformator som omsetter strøm eller spenning til ønskede verdier for bruk i andre enheter. Det skilles mellom trafo som brukes til vern og trafoer som brukes til måling. Disse har henholdsvis vernkjerne og målekjerne. Multifunksjonsvern Er en komponent som inneholder flere typer vern i samme enhet. NEK 400 Er en norm utarbeidet av Norsk elektroteknisk komité, og omhandler krav til elektriske lavspenningsinstallasjoner. _________________________________________________________________________________________________ 9 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Relé En bryter som ved et gitt signal kobler ut en last Riggen En modell av et vannkraftverk plassert på elkraftlaben ved Høyskolen i Sør-Trøndelag. Modellen har synkron generator med tilhørende magnetiseringsutstyr, og turbinen simuleres av en frekvensomformerstyrt asynkron sleperingsmotor med kortsluttede sleperinger. Innfasingsutstyr er også montert, slik at det er mulig å fase inn og levere effekt på nettet. Rotor Den roterende delen i en generator Rusing Når en generator overstiger 1,5-2 ganger høyere enn sitt merketurtall. Rørgate Tilløpsrør med fundamenter og forankringer alternativt nedgravd tilløpsrør. SF6-isolert kompaktanlegg Strømbryter som er isolert ved hjelp av gassen SF6, som gjør at anlegget kan bygges med mindre dimensjoner. Småkraftverk Kraftverk med effekt mellom 1-10MVA Stator Den stillestående delen av en generator Stivt nett Brukes som definisjon på et nett hvor spenning og frekvens er konstant. Synkronmaskin Maskin som må gå med synkront turtall _________________________________________________________________________________________________ 10 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Transformator Apparat som omgjør elektriske vekselstrøm av en spenning til vekselstrøm av en annen spenning Turbin Maskin der vannet i et vannkraftverk føres inn på en eller flere skovler festet til en aksel slik at en får rotasjon som omsetter vannets energi til mekanisk energi. Øydrift Brukes som definisjon på driftsituasjon hvor et vannkraftverk driver et nett alene. Det vil si at det ikke er flere generatorer som leverer som leverer effekt til samme nett. Også kalt eget nett. 2 Kilder og metoder Vi har under hele prosjektet hatt behov for å tilegne oss kunnskap. Det har variert etter hva slags kilder etter hva vi jobbet med. Vi har benytter flere typer kilder. Internettkilder: Når det gjelder internettkilder har vi systematisk brukt sider som tilhører anerkjente firma og organisasjoner. Vi har stort sett benyttet oss av nettbaserte manualer og veiledninger fra de aktuelle produsenter/leverandører. På den måten har vi forsøkt å få tak i så pålitelige kilder som mulig. Fordelene med internettbaserte manualer er at de som regel alltid er oppdatert og inneholder få feil, hvis de hentes på leverandørsiden. Bøker: Vi har kun benyttet lærebøker, de fleste av bøkene er lærebøker fra HiST. Lærebøker er en pålitelig kilde som tidligere og fremtidige elever vil ha tilgang til. Tidligere hovedoppgaver: Vi har også benyttet flere tidligere hovedoppgaver fra HiST som har vært innom noen av våre problemstillinger. _________________________________________________________________________________________________ 11 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Erfaringsoverføring/fagpersonell: Prosjektgruppa har vært påpasselige med å spørre personer som har stor erfaring innen området vi har jobbet med, slik at vi har kunne ha fått mest mulig pålitelige råd. Brukermanualer: Brukermanualene til de forskjellige vernene vi har satt oss inn i har blitt flittig brukt. Og de er en pålitelig kilde som man kan stole på. 3 Generelt om vern Det er mange forskjellige feilsituasjoner som kan forekomme i et kraftverk. For å forhindre at disse skal gjøre noe skade er det viktig å ha gode vern. Noen av disse feilene er kortsluttning og overbelastning, det er veldig viktig å beskytte seg for disse fordi de kan være utgjøre en fare for mennesker og dyr, og feilene kan skade generatoren alvorlig. En annen alvorlig feil kan oppstå hvis turbinen ikke blir stoppet når nettet forsvinner, dette fører til rusing. Hvis kraftverket er lite og overliggende nett forsvinner kan det føre til lav eller høy frekvens for de som er tilkoblet i nærheten, dette kan føre til øderlagte elektriske komponenter hos husstandene. Det kan også oppstå feil på generatoren når overliggende nettet kommer tilbake, det kan bli koblet tilbake i motfase med generatoren fordi en linjefasebryter ikke har innfasingsutstyr. GIK er også et problem, en liten generatoren kan bli koblet inn i motfase, Det er derfor viktig med vern som kobler ut generatoren raskest mulig ved GIK. Figur 1. Vern. _________________________________________________________________________________________________ 12 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 3.1 Generatorvern 3.1.1 Under/Over spenningsvern Beskytter mot for lave eller for høye spenninger. Man setter forhåndssatte verdier, hvis vernet måler for lav eller for høy spenning i forhold til det, så gir vernet utslag og stopper eventuelt generatoren. Grunner til at spenningen på en generator kan stige kommer av interne eller eksterne forhold. En defekt spenningsregulator eller feilregulering av magnetiseringsutstyret ved manuell styring kan føre til for høy spenning. Spesielt når generatoren er frakoblet nettet, ved oppstartet, synkronisering eller ved utkobling av effektbryter ved feil i nettet. 3.1.2 Under/Over frekvensvern Måler at frekvensen ikke er for høy eller for lav. Det er kun store kraftverk som klarer å påvirke frekvensen i noe spesiell grad her i Norge, slik at et småkraftverk vil ikke evne og påvirke det stive nettet vi har. Hvis kraftverket kun produserer strøm til et mindre nettverk så kan dette bli et problem da lasten kan forandre seg raskt. 3.1.3 Under/Over magnetiseringsvern Dette vernet måler magnetiseringsstrømmen og registrerer om strømmen blir for høy eller lav. Vernet kan også stilles inn etter hvor mye reaktiv effekt man ønsker å produsere. Det registrerer også hvis det er bortfall av magnetiseringen, dette kan føre til høy økning av turtallet. 3.1.4 Overstrømsvern Beskytter generatoren mot kortslutning og overbelastning. Stilles inn for å løse ut effektbryteren når strømmen overskrider en forhåndsinnstilt verdi, denne verdien er satt til hvor mye strøm kablene og komponentene i kraftverket tåler. Stiller også inn med ønsket tidsforsinkelse da kraftverk kan kjøre med overlast i en begrenset periode uten og ta særlig skade av det. Man kan for eksempel kjøre 110 % overlast i 5 sekunder, mens man kan kjøre 125 % overlast i 2 sekunder. Dette er fordi hvis man plutselig legger inn noe som trekker veldig mye effekt, og nettet trenger noe tid til å oppjustere seg etter det. _________________________________________________________________________________________________ 13 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 3.1.5 Retureffektvern Dette vernet skal beskytte generatoren mot motordrift, dette kan forekomme hvis det blir lite vann på turbinen, da trekker generatoren nødvendig strøm fra nettet for å drive turbinen rundt. Dette er en uønsket situasjon og man ønsker da å stoppe turbinen til vannstrømningen er ok igjen. 3.1.6 Ubalansevern Måler om det er forskjeller mellom de forskjellige fasene. Det forhindrer overbelastning på enkeltfaser. 3.1.7 Jordfeilvern på generator Det er viktig å ha jordfeilvern både i rotor og stator så man oppdager eventuelle kortslutninger mot jord, slik at det ikke ødelegger komponenter i kraftverket. Jordfeil kan også føre til varmeutvikling over tid, noe som kan føre til brann/skade på komponentene. Det kan også føre til at det blir spenning på komponenter som normalt ikke skal ha det, dette kan føre til skade på mennesker eller dyr. Det er derfor viktig at jordfeil blir oppdaget så raskt som mulig og reparert. Jordfeilvern hindrer ikke skader, men skadeomfanget. Stator Statorjordfeilvernet er det viktigste vernet for statorviklingene i generatoren. Vernet reagerer på jordfeil i hele det galvaniske sammenkoblete nettet. Det vil si at vernet også verner viklingene til blokktransformatoren og magnetiseringstransformatoren som er dirkete koblet til generatoren. Statorjordfeilvern med 95 % dekning - blokkobling Det finnes jordfeilvern med 95 % dekning av statorviklingen når vi måler spenningen som kommer i nøytralpunktet ved en enkel jordfeil. Hvis det forekommer en jordfeil på en av generatorklemmene blir U0 =E. Det vil si at spenningen mellom nullpunktet til generatoren og jord blir lik spenninga over hele generatorviklinga. Hvis det for eksempel er en jordfeil en trededel ut på viklinga, regnet fra nullpunktet ville dette gitt spenningen U0 = E/3. Hvis jordfeilen kommer helt i starten av viklingene, regnet fra nullpunkt, blir spenningen U0 så liten at vi ikke kan skille den fra små spenninger som er vanlig drift uten jordfeil. Et jordfeilvern som skal aktiviseres av spenningen U0 blir derfor innstilt ikke å reagere på jordfeil som kommer på de 5 % første viklingene. Derfor navnet 95 % dekningspunkt. _________________________________________________________________________________________________ 14 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Statorjordfeilvern med 100 % dekning – kobling Det er lite sannsynlig med jord feil fra området 0-5 % av viklingene, sett fra nullpunkt. Det kan normalt bare forekomme hvis det blir gjenglemt verktøy, bolter eller liknende. Det er aktuelt å vurdere dette vernet for generatorer over 100MVA. Det må i tilegg også være et statorjordfeilvern med 95 % dekning. Rotor Rotor kretsen er normalt isolert fra jord, og overgangsmotstanden til jord er normalt i megaohm klassen. En enkel jordfeil i seg selv gjør ikke situasjonen kritisk med ved en dobbeljordfeil vil det blitt veldig store feilstrømmer flyttet i det punktet det er feil. Dette kan føre til et usymmetrisk rotorfelt, som kan føre til risting i generatoren noe som kan føre til ødelagte lagre. Det er derfor ønskelig å få en melding så fort jordfeil har oppstått. Dersom feilen er lav ohms ønsker man en frakobling fra nettet. Disse kravene gjør at mange i dag opererer med tostegsvern, et steg for signal og et steg for utkobling. 3.1.8 Differnensialvern Differensialvern kan brukes på kabler, transformatorer og på generatorer (se fig.2) over 15MVA, men kan og bør også vurderes på mindre generatorer. Prinsippet fungerer slik at man måler differansen mellom strømmen på primær og sekundær siden, og summen av strømmen i alle tre fasene. Dersom summen av de tre fasene ikke er null og/eller strømmen i en fase ikke er lik på hver side kan vernet ha oppdaget jordfeil eller kortslutning. Det er benyttet på generatorer ved at man plasserer målere på hver side av generatoren. Differensialvernet kan også brukes for å verne viktige kabler mot skader i sammenheng med kortslutning. Vernet har seks strømtrafoer som er montert på kablene inn til generatoren, et differensialrelé og en effektbryter. Dette vernet er en billig investering for en utbygger, og det er et godt vern for og avsløre feil i generatoren. _________________________________________________________________________________________________ 15 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Figur 2. Differensialvern på generator. 3.1.9 Vectorjump Et vektorhopp er en forskyvning i periodetiden til en generator (se fig.3). Hvis under drift det skulle skje at nettet falt bort, vil generatoren prøve å levere effekt til gjenværende last. Slike plutselige endringer i last vil føre til at periodetiden minker eller øker avhengig av om lasten er større eller mindre enn ved vanlig drift. Figur 3. Forskyving av periodetiden. _________________________________________________________________________________________________ 16 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Forandringen i tid finner man ved å kontinuerlig måle tiden mellom nullgjennomgangene til sinusspenningen. Slike vern er raske nok til og koble ut en generator hvis man opplever en GIK (typisk 300ms). Vernet løser ut når et hopp i tid blir representert i en vinkel overskrides. Utløsetiden vil være avhengig av når neste nullgjennomgang kommer, som igjen bestemmes av vinkelforskyvningen. 3.1.10 Df/dt vern Dette er et frekvensvern som skal beskytte generatoren mot forandringer i frekvens. Frekvensendringer kan komme når netteier kobler fra nettet og man får en GIK til nett igjen. Kobler man en generator fra et stivt nett så vil man i forhold til lasten få en endring i frekvens. Er det for høy last i forhold til hva generatoren leverer så vil frekvensen synke, er det mindre last enn hva generatoren leverer så vil man få en rusing av turbinen og frekvensen øke. Ved disse situasjonene vil man koble ut generatoren raskest mulig for beskytte den mot overbelastinger, df/dt vern er mye raskere enn ordinære frekvensvern så disse er et godt valg. De fungerer på den måten at de løser ut hvis de overskrider grensen frekvensen er satt til, eller hvis frekvensen ikke jevner seg ut igjen ved et gitt antall nullgjennomganger. Det er også en tidsforsinkelse i disse vernene, den starter ved første nullgjennomgang etter feil som resulterer i frekvensendring over stil nivå. Så utløsetiden til vernet blir tidsforsinkelsen pluss reaksjonstiden til vernutrustningen. Vernet vil kun koble ut hvis forandringen er vedvarende. Dvs. hvis nettet ramler ut og man får en frekvensendring i generatoren, da vil vernet koble ut hvis frekvensen ikke stabiliserer seg før tidsforsinkelsen har gått ut. Hvis frekvensen blir stabil før tidsforsinkelsen går ut så vil vernet fortsatt holde ting i drift. _________________________________________________________________________________________________ 17 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 3.1.11 Vibrasjonsvern Vibrasjonsvernet registrerer vibrasjoner i maskinen. Vibrasjoner kan forekomme når det er feil ved lager, polslipp eller liknende. Mekanisk feil vil bli oppdaget raskt, og det kan også oppdage mange elektriske feil før de elektriske vernene gjør det selv. Dette fører til raskere utkobling og reduserer ødeleggelsene. 3.1.12 Temperaturvern Det er viktig å ha temperaturvern på forskjellige komponenter, høy temperatur over lang tid fører til kortere levetid på den aktuelle komponenten. Det er spesielt viktig i lager, hvis temperaturen blir høy her er det et tegn på at det er lite olje igjen i lagrene, og det kan føre til store ødeleggelser. For høy temperatur på en komponent bare en gang kan redusere levetiden på den med flere år. 3.1.13 Rusevern Har som oppgave å hindre rusing av turbin og generator. Det er montert en turtallsmåler og satt en maksimalverdi for turtallet før vernet skal bryte inn. Men det er normalt å dimensjonere maskinene for litt høyere turtall en det nominelle, så de tåler litt rusing. 3.2 Linjevern 3.2.1 Linje- og kabelvern I nett med spenning under 22 kV har man vanligvis mating kun fra en side. I slike nett så er det mest vanlig og bruke overstrømsvern mot skader fra kortsluttinger. Det er to typer av slike vern. - Konstanttid overstrømsvern (uavhengig overstrømsvern) - Inverstid overstrømsvern (avhengig overstrømsvern) Det er vanligst med konstanttid overstrømsvern i Norge, da de er lettere å stille inn. I nett med høyere spenning så har man ofte også differensialvern og distansevern. _________________________________________________________________________________________________ 18 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Jordfeilvern er også et viktig vern i linjer. Der har man også to typer. - Ikke-retningsavhengig vern - Retningsavhengig vern 3.2.2 Overstrømsvern Hvis man ser på figur 4, ser man tre overstrømsrelé med strømtransformatorer og effektbryter. Disse komponentene utgjør et overstrømsvern. Får man en kortslutning på linja som illustrert i figuren, så vil strømmen i strømtransformatorene bli så stor at releene lukker og effektbryteren legger ut linja. Når kortslutningen er borte går det ikke strøm gjennom releene lenger og relékontakten åpnes igjen. Figur 4. Kopling av et overstrømsvern av konvensjonell type. 3.2.3 Konstanttid overstrømsrelé For at et overstrømsrelé skal fungere som forventet må det være korrekt innstilt. Som et eksempel kan man si at startstrømmen, I s ( I >) er satt til 100 A. Da må strømmen i linja være over 100 A for at releet skal løse ut, og da med en tenkt satt tid på ett sekund. Man kan også velge hurtigutløsning (momentan utløsning) I m ( I >>) i tillegg til den ordinære utløsningen. Om strømmen kommer for eksempel over 1000 A så vil relékontakten lukke øyeblikkelig uten tidsforsinkelse og bryte strømmen. _________________________________________________________________________________________________ 19 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 3.2.4 Inverstid overstrømsrelé Inverstid overstrømsrelé kobles likt som konstanttid overstrømsrelé, men karakteristikken er andelenes. Ved startstrømmen, I s ( I >) 100 A så vil utløsningstiden være legere enn ved en høyere kortslutningsstrøm. Så ved 100 A kortsluttningsstrøm så vil kanskje utløsetiden være 4 sekunder, mens ved 800 A så vil utløsetiden være 0,5 sekunder. 3.2.5 Ikke-retningsbestemt jordfeilvern I høyspenningsnett er det ofte brukt en kobling av enpolte spenningstransformatorer med en målevikling og en relévikling. Måleviklingen måler spenningen i nettet og reléviklingen gir ut spenning når det oppstår jordfeil. Som man ser på figur 5 ser man at jordfeilviklingene er seriekoblet. Spenningen over releet blir derfor summen av spenningene over de seriekoblede releene. Når nettet er feilfritt så er summen av disse spenningene lik null, men med en gang man får målt en spenning her vet man at man har en jordfeil. Disse vernene kan ikke si hvor jordfeilen er så man må koble ut hver linje for seg for å finne feilen. Figur 5. Ikke-retningsbestemt jordfeilvern 3.2.6 Retningsbestemt jordfeilvern Disse vernene er ofte foretrukket fremfor vanlige jordfeilvern. Vernet har da i tillegg en egen strøminngang for jordstrøm, målt vha en kabelstrømtransformator (summasjonstransformator), samt en spenningsinngang for jordfeildeteksjon ved hjelp av "åpen trekant"-spenningen (3Uo) på samleskinnen. Vernet kan dermed avgjøre retningen til en eventuelt jordfeil og løse selektivt ut, selv i et spolejordet nett med små jordfeilstrømmer. _________________________________________________________________________________________________ 20 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 4 Riggen Riggen er en simulator av et vannkraftverk med generator og turbin (se bilde i vedlegg 2). Den ble startet som et hovedprosjekt på HiST våren 2008 og videre jobbet med som høstprosjekt samme året. Den ble igjen en hovedoppgave i 2009, og det er også er en gruppe som jobber med denne som hovedprosjekt nå i 2010. Riggen fungerer som et vannkraftverk der en synkrongenerator leverer effekt ut på kraftnettet. Den har også mulighet for å levere effekt på eget nett, bestående av en variabel resistor og induktor. Riggen kan også fjernstyres via en ekstern datamaskin ved og logge seg inn på stasjonsdatamaskinen. Turbinen er representert av en asynkronmotor som er koblet til en frekvensomformer. Akslingen på motoren er koblet sammen med synkrongeneratorens aksling. Generatorspenning Generatorstrøm Generatoreffekt Turtall Magnetiseringsspenning Magnetiseringsstrøm 220V 7,9A 3 kVA 1500 rpm. 110 V DC 2,3A DC Tabell 1. Nominelle verdier på Riggen. Oppgaven vi hadde på Riggen var å se på hvordan vernene fungerte og eksperimentere med forskjellige innstilinger. Vi så også på hva som skjedde med forskjellige feil og hvordan vernene reagerte og hvordan maskinen stoppet. _________________________________________________________________________________________________ 21 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 4.1 Generatorvern På Riggen er det montert et generatorvern fra DEIF (Danish Electro Instrument Factory) som er et multifunksjonsvern. Vernet heter DEIF GPU og har blitt valgt fordi det var rimelig i forhold til konkurrenter, selv om det er viktig å ikke spare for mye penger på valg av vern. Generatorvernet er programmert med prosentvis nominelle generatorverdier og med forskjellige tidsforsinkelser på trippreleet. I tabellen under kan man se hva slags vern som er benyttet fra DEIF en, og hvordan de forskjellige verdiene er innstilt. Prosent Parameter Adresse nom.verdi Revers effekt 1010 -5 % Overstrøm 1 1020 101,8 % Overstrøm 2 1030 104 % Overstrøm invers 1 1041 110 % Overstrøm invers 2 1042 120 % Overstrøm invers 3 1043 140 % Overstrøm invers 4 1051 160 % Overstrøm invers 5 1052 180 % Overstrøm invers 6 1053 200 % Overstrøm invers 1060 N/A Høy generatorspenning 1 1100 103 % Høy generatorspenning 2 1110 105 % Lav generatorspenning 1 1020 95 % Lav generatorspenning 2 1030 90 % Høy generatorfrekvens 1 1140 103 % Høy generatorfrekvens 2 1150 105 % Ubalanse strøm 1280 25 % Ubalanse spenning 1290 10 % Var import 1300 20 % Var eksport 1310 74 % df/dt 1350 5Hz/s Feil fra DECS 3350 3350 N/A Virkelig verdi Forsinkelse Utgangsrelè 16,5kW 10s 2 og 4 814,4A 5s 2 og 4 832A 2s 2 og 4 880A 5s N/A 960A 3,8s N/A 1120A 2,5s N/A 1280A 1,5s N/A 1440A 1s N/A 1600A 0,5s N/A N/A 2 og 4 247,2V 10s 2 og 4 252V 5s 2 og 4 228V 10s 2 og 4 216V 5s 2 og 4 51,2 Hz 10s 2 og 4 52,5Hz 5s 2 og 4 10s 2 og 4 10s 2 og 4 66kW 10s 2 og 4 244,2kW 10s 2 og 4 N/A 2 og 4 2,3A 0,2s 2 og 4 Tabell 2. Verdier og adresser i DEIF'en. _________________________________________________________________________________________________ 22 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 4.2 Vernene i Spenningsregulatoren Regulatoren på Riggen er en Basler DECS 100. Det har 5 vernfunksjoner innebygd i regulatoren, som kan brukes slik man ønsker. Disse blir forhåndsprogrammert slik at regulatoren vet hvordan den skal reagere hvis en av vernfunksjonene blir aktivert. Vernfunksjonen i regulatoren er: • Overspenning generator: Man stiller inn en øvre tillatt grense for generatorspenningen. Dersom denne grensen overstiges aktiveres regulatorens alarm utgang. Det kan også stilles inn en tidsforsinkelse så den tilatter overspenning en hvis tid. Man kan også få den til å skru av generatoren ved denne feilen. • Tap av målespenning: Denne vernfunksjonen slår inn dersom regulatoren mister sine målespenninger i anlegget. Her kan man velge om regulatoren skal slå seg av eller som den skal gå over til modus manuell kjøring. • For høy feltspenning: Hvis spenningen over magnetiseringsviklingene blir for høy kan det velges om regulatoren skal gi alarm eller om den skal slå seg av. • Overmagnetiseringsbegrenser: Det er mulig å stille inn regulatoren slik at ikke overstiger den øvre grense slik at den ikke overstiger det generatoren/magnetiserinegn er dimensjonert for. • Undermagnetiseringsbegrenser: Hvis forbruket av reaktiv effekt kommer under innstilt verdi kan det velges om regulatoren skal gi alarm eller den skal skru seg av. Det er her også mulig med en tidsforsinkelse. _________________________________________________________________________________________________ 23 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 5 Testing av vern Vi gjennomførte en del tester av de forskjellige vernene, de fleste av vernene gikk det greit å teste, mens noen av vernene var det umulig å få testet. Alle testene våre gikk ut på at vi justerte ned settpunktene slik at vi ikke kunne overbelaste noe i anlegget. Dermed økte vi belastningen opp til det som var satt i utgangspunktet. Revers effekt: Vi skrudde fort ned pådraget, da måtte generatoren drive turbinen som en motor og da trekker man effekt fra nettet. Det tilsvarer en simulering av at det brått mangler vann på turbinen. Overstrøm 1 og 2: Testet hva som skjedde når vi simulerte for mye aktiv effekt på ”eget nett”. Vi la på trinnvis mer effekt og tilførte mer ”vann” til turbinen, for å kompensere for lav frekvens på nett. Vi gjorde dette helt til vernet trippet på for mye strøm. Vi har ført inn resultatene i tabellen under. Overstrøm 1 var satt til og trippe etter 5 sekunder mens overstrøm 2 var satt til 2 sekunder. 80 % Overstrøm 1 652A (640A) Overstrøm 2 - 90 % 725A (720A) 743A (720A) 100 % 817A (800A) 817A (800A) Orginalt 820A (814,4A) 850A (832A) Tabell 3. Strømmer vi testet. (Verdiene i parentes er utregnet verdier i forhold til prosent av nominell verdi.) Overstrøm invers 1-6: Fikk vi ikke testet. Høy generator spenning 1 og 2: Kjørte opp sett-punkt spenningen på ”eget nett” slik at spenningen ble for høy. Et praktisk eksempel på høy generator spenning er hvis det blir produsert mer en kraftverket klarer å levere, da vil spenningen og frekvensen stige. Høy frekvens 1 og 2: Dette testet vi på ”eget nett” ved at vi kjørte med last og så fjernet lasten. Når man fjerner lasten øker man frekvensen på nettet hvis man ikke reduserer vannmengden. _________________________________________________________________________________________________ 24 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Ubalanse strøm eller spenning: For å få testet dette måtte vi koblet ut en belastningsfase. Vi testet ikke dette fordi vi ikke ville koble om Riggen. Var-import: Importerer reaktiv effekt når man kjører for kapasitivt. Vi fikk ikke testet dette med verdien som innstilte fordi denne verdien var satt slik at det var ”umulig” å få trippet vernet fordi det ville vært en unødvendig stopp i skole simulator. På et større anlegg hadde det vært mer bruk for dette. Men vi fikk vernet til å trippe når vi stilte ned verdien og importere mer reaktiv effekt enn hva vernet var innstilt for. Var eksport: Kjører for mye reaktiv effekt ut i forhold til satt grense. Man får ingen penger for og produsere reaktiv effekt, slik at man gjerne setter en øvre grense for denne produksjonen. Småkraftverk kjører gjerne cosinus phi lik en, som vil si at de ikke produserer reaktiv effekt i det hele tatt. df/dt: Ikke fått testet. Feil fra DECS: Spenningsregulatoren er juster i forhold til merkespenningen til generatoren. Denne kobler ut anlegget i det den møter denne grensen. Dette skjedde relativt ofte når vi testet i stivt nett. _________________________________________________________________________________________________ 25 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 6 Salvesen & Thams Salvesen & Thams ble stiftet 18.juli 1889 av Christian Salvesen og Christian Thams med det opprinelige navnet Chr. Salvesen Chr. Thams’s Communications Aktieselskab. Formålet med selskapet var å planlegge, bygge, samt drifte en jernbane i Orkdalen mellom Aalivold og et passende sted ved Orkdalsfjorden. Grunnen til å etablere denne jernbanen var å forbedre transporten fra gruvedrift som var i Løkken Verk. Salvesen & Thams skulle også skaffe elektrisk kraft til jernbanen og til gruvedrift. I 1904 blir Salvesen & Thams et datterselskap av Orkla. I 1963 ble Kissmelteverket de hadde på Thamshavn lagt ned, også persontrafikken på jernbanen ble lagt ned. De ansatte ble flyttet til moderselskapet og firmaet forsetter bare å eksistere på papiret. 1986 gjenoppstår Salvesen & Tams og for egen administrasjon på Løkken Verk. De får ansvar for næringsutvikling i samarbeid med Meldal kommune, samt for Orklas aktiviteter i dalføret. Salvesen & Thams har også drevet et snekkerverksted og verksteddrift. Verksteddriften var hovedsakelig å driftet jernbanen. De har også hatt en egen kai avdeling som betjente selskapets egne dampskip i rute på Trondheimsfjorden, og lastebåter som fraktet mineraler fra gruvedriften. I dag driver firmaet egen virksomhet innenfor kraftproduksjon, eiendom og reiseliv. Figur 6. Chr. Salvesen Figur 7. Chr. Thams _________________________________________________________________________________________________ 26 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 7 Føssa småkraftverk Føssa småkraftverk (se vedlegg 5 og 6 for bilder) ligger i Meldal kommune i Sør-Trøndelag. Elva Føssa ligger ca 5 km sør for Meldal sentrum, og det lokale stedsnavnet for området der kraftverket ligger er Å. Meldal er en innenlands kommune som ligger 80km sørvest for Trondheim. Føssa er en del av Orklavassdraget som er et godt utbygd vassdrag med en årlig produksjon på 1250 GWh. Nedbørsområdet til Føssa ligger fra ca 500 moh. til 737 moh. Kraftstasjonen skal stå på 170moh. Selskapet Føssa kraftverk AS ble stiftet 16.5.2006 og eierforholdet er slik: Ola Grut, 45 % Chr. Salvesen & Thams Communications Aktieselskab, 34 % Jon Erik Grut, 7 % Kjell Eithun, 7 % Gunnar Sundseth, 7 % Styreleder i selskapet er Johan Skjølberg. Fallhøyden fra inntaket i Føssa til kraftstasjonen vil være 320 meter, det planlegges nedgravd PE-rør med overgang til duktilt stålrør i de nederste fallmeterne i forhold rørenes trykklasser. Turbinledningens totallenge blir ca 2100meter. Røret vil ha en diameter på 630mm. Kraftstasjonen vil romme en vertikal peltonturbin med en synkrongenerator som yter 2169kVA og en merkespenning på 690V. Det vil også være et eget rom for en høyspenttrafo som yter 2000kVA 0,69kv/22kv. Høyspent forsyningsnett går like forbi eiendommen hvor kraftverket skal stå. Fra kraftstasjonen til høyspentlinje blir kabel gravd ned i forbindelse med forlengelse av vei. Strekningen fra kraftstasjonen til forsyningsnettet er det ca 300. Innmatingen vill ha en maks effekt på ca 1740kW. Byggingen av kraftverket startet mars 2010 og forventes ferdig i løpet av 2010. Den tiltenkte årsproduksjon er beregnet til å være på 5,3 GWh Det er firmaet Rovas AS som har blitt hyret som konsulent til dette kraftverket. Rovas AS er en totalleverandør av komplette løsninger for småkraftverk. _________________________________________________________________________________________________ 27 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 7.1 VAMP 210 VAMP er et firma som har hovedkvarter i Finland, de har spesialisert seg på beskyttelsesutstyr for generatorer og distribusjon. De produserer vern og releer i alle segmenter i mellomspenningsområdet VAMP 210 (se fig.6) feltenhet for generatorer brukes som hovedvern for generatorer med varierende ytelse, fra små dieseldrevne generatorer til store vannkraftgeneratorer i område 1 til 100MW. Det er dette vernet som er blitt valgt som generatorvern i kraftverket i Føssa. Vi i prosjektgruppa har ikke fått mulighet til og teste dette vernet da riggen her på skolen bruker et DEIF GPU vern. Funksjonene i disse vernene er da my det samme, så vi går ut i fra at innstillingene vi fant fram til på DEIF’en, også fungerer fint på VAMP’en. En fordel vi ser med VAMP’en er at den har mulighet for måling av jordfeil og retningsbestemt jordfeil. Retningsbestemte jordfeilvern kan avsløre kortslutninger i stator på generator, slik at man kan få stoppet anlegget før en større feil oppstår, og sparer anlegget for større stopp i produksjon. Se vedlegg 1 for vernfunksjoner og vedlegg 3 for forslag til verninnstillinger fra Rovas. Figur 8. VAMP 210 _________________________________________________________________________________________________ 28 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 7.2 Beregning av kabel, eget nett Det skal legges forsyningskabel opp til dammen fra kraftverket. Denne kabelen skal forsyne en del lys, stikkontakter, varmeovn og en elektrisk motor som styrer luka til inntaksrørene. Vi antar at forbruket ikke vil overstige 5 kW, og kabelen skal graves ned langs rørgaten som er 2100 meter lang. Denne kabelen kobles på stasjonssiden av trafoen slik at man kan ta strøm fra det overliggende nettet hvis strømbrudd. kWh måleren til TrønderEnergi vil være en måler som kan måle strøm begge veier. Det bør også brukes en kortslutningssikker kabel fram til eventuelle sikringer og vern som skal beskytte kabelen. På demningen skal det installeres en trafo som transformerer spenningen ned fra 690V til 230V. Det var i utgangspunktet også vurdert og opprette et eget nett til forbrukerne rundt kraftverket, men de planene ble forkastet da det ble for komplisert og dyrt. Spenningsfallet i kabelen finner vi ut fra formelen: ∆U = 1, 2 ⋅ ρ ⋅ 3 ⋅ l ⋅ Ib A Der 1,2 er et forholdstall basert på varme i kabelen, ρ er spesifikk resistans for leder (0,0172 Ωmm2/m for kobber, 0,0283 Ωmm2/m for aluminium), 3 fordi det er trefase, l for lengden på kabel, A for tverrsnittet av kabelen og I b som er belastningsstrømmen i lederen. Spenningsfallet ∆U må ikke overstige 4 % fra tilførsel og fram til siste koblingspunkt i følge NEK400. Så hvis man gjør noen beregninger på dette med forskjellige ledningstverrsnitt og type kabel så får man som følger: Tverrsnitt Med Cu ∆U = 1, 2 ⋅ ρ ⋅ 3 ⋅ l ⋅ Ib A ∆U = spenningsfall 690V spenningsfall ⋅100 = ∆U i % 25 21,8V 0,032V 3,2 % 50 10,9V 0,016V 1,6 % 90 6,0V 0,009V 0,9 % Tabell 4. Spenningsfall med kobberkabel. I b er beregnet til 5kW = 7, 25 A 690V Alle disse tverrsnittene er under grensa på 4 %. _________________________________________________________________________________________________ 29 Vern- og releplan for generator og linjer Tverrsnitt Med Al ∆U = 1, 2 ⋅ ρ ⋅ 3 ⋅ l ⋅ Ib A HiST 2010 ∆U = spenningsfall 690V spenningsfall ⋅100 = ∆U i % 25 35,8V 0,052V 5,2 % 50 17,9V 0,026V 2,6 % 90 9,95V 0,014V 1,4 % Tabell 5. Spenningsfall med aluminiumskabel. Med aluminiumskabel så kan man ikke bruke tverrsnitt så mye mindre enn 50 kvadrat da spenningsfallet blir for stort, men det er billigere for aluminiumskabel enn det er for kobber, og det er mer vanlig til slik forlegning. 7.3 Linjer og situasjonen rundt kraftverket Kraftlinjen som kraftverket skal kobles til eies av Trønderenergi. Avstanden fra kraftverket til kraftlinjen den skal kobles inn på er ca 300m. Forsyningsnettet som det skal kobles på er 22KV. Se vedlegg 4 for detaljert oversikt over nettet rundt Føssa kraftverk. Føssa skal kobles inn på Syrstad gren (se vedlegg 4). 7.3.1 TrønderEnergi TrønderEnergi er organisert som et konsern som ved årsskiftet hadde 12 datterselskap. Selskapet ble stiftet i 1950 med navnet Sør-Trøndelag Elektrisitetsverk. Selskapet har byttet navn flere ganger første gang i 1970 til Sør-Trøndelag Kraftselskap. Andre gang selskapet skiftet navn var i 1997, da til dagens navn TrønderEnergi. Selskapet ble omdannet til et konsern i 1998, med to datterselskaper: TrønderEnergi Kraft og TrønderEnergi Nett. I 1999 ble konsernet et aksjeselskap, med 20 kommuner som aksjeeiere. Konsernet har nå ca. 330 ansatte og hovedkontoret ligger i Trondheim. 7.3.2 TrønderEnergi sine vern til Føssa Trønderenergi skal benytte et koblingsanlegg fra ABB som heter SafePlus med en effektbryter med måling og vern. Linjevernet er et ABB Rex521 med overstrøm, jordfeilvern 3U0, over/underspenning og over/underfrekvens. _________________________________________________________________________________________________ 30 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 SafePlus er et SF6-isolert kompaktanlegg for sekundærdistribusjon. Anlegget kan leveres med mange forskjellige felttyper og kundetilpassede konfigurasjoner. Målefelt og effektbryterfelt med et stort utvalg av vern inngår i konseptet. SafePlus kan leveres med en ekstern pluggbar samleskinne, slik at man oppnår fullmodulært anlegg. Det kan også leveres forberedt for senere utvidelse. SafePlus er det mest brukte anlegget ved bygging av minikraft/småkraftanlegg i Norge. Anlegget kan også leveres med integrert RTU (fjernstyring), batteri, lader og modem. Beskyttelses relèet REX 521 er designet for beskyttelse, kontroll, måling og tilsyn i middels spennings nettverk, og for vern av store eller mellomstore trefase ac motorer i effektbryter kontrollerte motordrifter. Typiske bruksområder er innkommende, utgående matere og motor matere samt transformatorstasjon beskyttelse. Videre kan for eksempel relèet brukes som back-up beskyttelse av krafttransformatorer og for høyspent linje-beskyttelsesreléer. Beskyttelses releet er utstyrt med energigivende innganger for konvensjonell strøm og spennings transformatorer. Også en hardware versjon med innganger for strøm og spennings sensorer er tilgjengelig. REX 521 brukes hovedsakelig i enkle Busbar løsninger, som bruker en effektbryter for ulike beskyttelser. Med standard konfigurasjon, kan enheten brukes i ulike typer nettverk, og de typiske bruksområder er innkommende og utgående matere i radial isolert nøytral nettverk og resistans jordet nettverk. Figur 9. SafePluss Figur 10. REX 521 _________________________________________________________________________________________________ 31 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 8 Konklusjon Dette prosjektet har gitt oss i prosjektgruppa en god innføring i vern og hvordan man verner en generator og linjer mot eventuelle feil som kan oppstå. Vi i gruppa har jobbet tett sammen under hele prosjektet, og har jobbet fram prosjektrapporten som vi definerte i forprosjektet. Rovas som leverer prosjekteringen av anlegget til Føssa kraftverk, har levert over 40 kraftverk i lik størrelsesorden som dette kraftverket. De innstillingene de har levert som et førsteutkast til anlegget, er basert på tidligere erfaringer de har skaffet seg. Jobben vår har vært å forsøke og finne bedre innstillinger, eller se om det er tilleggsfunksjoner som kunne ha vært vurdert. Vi har i samarbeid med Pål Glimen sett på funksjoner som er viktige for sikkerheten rundt et kraftverk. Disse funksjonene og vernene har vi forsøkt å sette oss bedre inn i, og også fått testet en del på via Riggen her på skolen. Vår erfaring i forhold til testingen vi har utført på Riggen er noe mindre erfaring enn hva ingeniører som jobber med dette hver dag er, men ut i fra hva vi kan se, så er det ingen ting og utsette på innstillingene som er blitt foreslått. Innstillingene er mye mer konservative enn de vi har jobbet med på Riggen her på skolen, så skulle det skje noe så vil vernene koble ut anlegget veldig raskt og beskytte det for skade. Vi kan altså si at vi går gode for hva Rovas har levert av forslag. Var det slik at det var vi som hadde vært konsulenter for dette anlegget så hadde vi nok valgt et DEIF vern i stedet for en VAMP. Dette er nok fordi vi kun har jobbet med DEIF sitt vern og kan det ganske godt nå. Likevel ser vi at VAMP vernet har noen flere funksjoner som kan komme godt med, slik som differensialvern. TrønderEnergi vil stå for linjeverndelen i dette anlegget. De vil levere en komplett pakke som skal beskytte nettet og som også vil beskytte generatoren for feil på linja. Det interne nettet på kraftstasjonen og opp til demningen har vi også sett på. Dette viste seg å løse seg nesten selv da TrønderEnergi leverer en kWh måler som måler begge veier. Så ved driftsstans i Føssa kraftverk vil man fortsatt ha strøm til lys, varme, datamaskiner og lignende. Dimensjonering av kabel opp til demningen har vi også så vidt sett på. Og ut i fra hva vi har funnet ut så kan man velge mellom kablene TFXP 1 kV fireleder og TFSP 1 kV som vi har funnet i Nexans sin katalog. _________________________________________________________________________________________________ 32 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Det er flere typer kabler det kan velges mellom, men i Nexans sin katalog var det disse to som så best egnet ut. Utover dette så har vi sett på ulike andre vern som kunne ha vært vurdert i kraftverket. Det vi ser på som viktigst er bruken av differensialvern. Dette vernet er innebygd i VAMP-210, så det eneste som trengs er måletransformatorer mellom nullpunktet og de tre fasene på generatoren. Disse måletransformatorene er en billig investering for generatorens velvære. Vern er en relativt liten del av et kraftverk økonomisk sett, men kanskje den viktigste komponenten sett i sin helhet i forhold til sikkerhet for miljø og mennesker. Det vi er redde for er at dette blir glemt i en anbudskonkurranse, og at prisen man sparer på vernfunksjoner fort havner i havari og ødeleggelser av et anlegg. _________________________________________________________________________________________________ 33 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 9 Kilder Bøker: • Sebergsen, Jan H., Svarte, Steinar, Energiproduksjon og energidistribusjon, 1.utgave, AIT Trykk Otta AS, 2002 • Sebergsen, Jan H., Releteknikk, 1 utgave, PowerPrint AS, 2006 • Norsk Elektronisk Komité, Elektriske Lavspenningsinstallasjoner NEK 400, 3. Utgave, Oslo, 2006 • SolHeim, Rolf, Selektivitet i Elektriske Anlegg, Tapir forlag, Sandnes, 1986 • Wildi, Theodore, ”Electrical Machines, Drives and power systems”, 6.utgave, Phoenix Color Corp, Phoenix USA, 2006 Produktkataloger/manualer: • DEIF AS, ” Operator’s Manual, Multi-line 2/version 2-GS”, http://www.deif.com/files/filer/documentation/files/4189340253-uk.pdf • Basler, ”Instruction manual for digital Exitation control system DECS-100” • Konsesjonssøknad Føssa kraftverk Prosjektrapporter: • Aakervik, Jørund, Skjelsvold, Geir Morten, Kristiansen, Rune M, Hovedprosjekt 2004, Frilsjøen mikrokraftverk, Trondheim 2004 • Fossum, Jostein, Solheim, Sindre a., Stadheim, Anders, Ulvund, Tor R., Hovedprosjekt 2006, Småkraftverk – drift og tilknyting til nett, Trondheim 2006 • Augdal, John Fredrik, By, Erik, Dalen, Ingar, Nesset, Roger, Storeide, Øyvind Andreas, Ødegaard, Ulf U., Øverleier, Karl-Ivar, Hovedprosjekt 2007, Småkraftverk, Trondheim 2007 • Asklund, Runa, Bakkejord, Sigurd, Hammer, Anders, Olsen, Marius André, Sliper, Trond, Hovedprosjekt 2009, Utvikling av apparat- og kontrollanlegg for vannkraftverk, Trondheim 2009 _________________________________________________________________________________________________ 34 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Internett: • TrønderEnergi - http://www.tronderenergi.no/ http://no.wikipedia.org/wiki/TrønderEnergi • Rovas - http://www.rovas.no/ • Salvesen & Thams - http://www.salvesen-thams.no/ • Vamp - http://www.vamp.fi/ • DEIF - http://www.deif.no/ • Basler - http://www.basler.com/ • ABB Feeder Protection Relay REX 521: http://www.abb.com/product/db0003db004281/c12573e700330419c2256aa800386186.aspx? productLanguage=no&country=00 • ABB IEC Gas-Insulated RMU SafePlus: http://www.abb.com/product/db0003db004279/c125739900636470c125683f0036fd39.aspx _________________________________________________________________________________________________ 35 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 10 Vedlegg Vedlegg 1. Vernfunksjoner i VAMP-210. s.37 Vedlegg 2. Bilde av ”Riggen”. s.38 Vedlegg 3. Verninnstillinger for Føssa fra Rovas. s.39-40 Vedlegg 4. Overliggende nett til Føssa. s.41 Vedlegg 5. Kart over området. s.42 Vedlegg 6. Tomta og en skisse over hvordan kraftverket vil se ut. s.43 Vedlegg 7. Fagartikkel s.44-45 _________________________________________________________________________________________________ 36 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 1. Vern funksjoner i VAMP 210: - Overstrømsvern (50/51) I>, I>>, I>>> - Retningsbestemt overstrømsvern (67) Idir>, Idir>>, Idir>>>, Idir>>>> - Spenningsavhengig overstrømsvern (51V) Iv> - Ubalansevern (46) I2> - Termisk overstrømsvern (49) T> - Understrømsvern (37) I< - Jordfeilvern (50N/51N) Io> , Io>> , Io>>> , Io>>>> - Retningsbestemt jordfeilvern (67N) Iodir> , Iodir>> - Overspenningsvern (59) U> , U>> , U>>> - Overmagnetiseringvern (24) U/f> - Positive sequence underspenningsvern (27P) U1< , U1<< - Rotor jordfeilvern - Generelt underspenningsvern (27) - Nullspenningsvern (59N) Uo>, Uo>> - 100 % Stator jordfeilvern (64F3) Uof3< - Over-og underfrekvensvern (81H/81L) f><, f>><< - Underfrekvensvern (81L) f<, f<< - Rate of change of frequency (ROCOF) (81R) df/dt - Underimpedansvern (21) Z<, Z<< - Undermagnetiseringsvern (40) Q< - Undermagnetiseringsvern (21/40) X<, X<< - Retureffekt- og undereffektvern (32) P<, P<< - Bryterfeilvern (50BF) CBFP - Utløsekretsovervåking - 8 stk programmerbare funksjoner/nivåer - Integrert lysbuevern (Option) _________________________________________________________________________________________________ 37 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 2. Bilde av ”Riggen”. _________________________________________________________________________________________________ 38 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 3. Verninnstillinger for Føssa fra Rovas _________________________________________________________________________________________________ 39 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 3. _________________________________________________________________________________________________ 40 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 4. Overliggende nett til Føssa. Meldal transformatorstasjon med underliggende vern Meldal Transformatorstasjon 66 kV SSK 16 MVA 22000/110 1 U> 400/5 Midtskogen Tjønnbakken 3 2 400/5 I> I> = 205 A t> = 0,2 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 2,5 s Ikortsl.min = 834 A Ikapasitet linje = 171 A I> 400/5 I> = 434 A t> = 0,2 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 2,5 s Ikortsl.min = 594 A Ikapasitet linje = 362 A I> U> = 115 % Un U< = 86 % Un tU = 120 s I> = 480 A t> = 0,8 s U0> = 22 V t0> = 5 s 22 kV SSK Voll Ringen 4 5 I> 400/5 Syrstad 6 I> 400/5 400/5 I> = 240 A t> = 0,2 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 2,5 s I> = 282 A t> = 0,5 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 3,0 s I> = 434 A t> = 0,2 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 2,5 s I> Ikortsl.min = 627 A Ikapasitet linje = 295 A Ikortsl.min = 645 A Ikapasitet linje = 362 A Storås 7 I> ?/5 I> = ?A t> = 0,2 s U0> = 16,5V Iϕ> = 2,8 A tϕ> = 2,5 s Ikortsl.min = 520 A Ikapasitet linje = 235 A _________________________________________________________________________________________________ 41 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 5. Kart over området. _________________________________________________________________________________________________ 42 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Vedlegg 6. Tomta og en skisse over hvordan kraftverket vil se ut. _________________________________________________________________________________________________ 43 Vern- og releplan for generator og linjer HiST 2010 Våren 2010 utførte to studenter fra Høyskolen i Sør-Trøndelag en bacheloroppgave med tittelen ”Vern- og reléplan for generator og linjer”. Vi har satt hos inn i forskjellige typer vern, både på generator og linjer. Vi har også testet flere vernfunksjoner på en simulator av et vannkraftverk som står her på skolen, denne har blitt laget av studenter ved tidligere hovedprosjekt Vi har også tatt for oss et småkraftverk som heter Føssa som er under bygging nå. Der har vi prøvd å optimalisere de verninnstilinger som har blitt foreslått av konsulent. fordi prosjektet har gått på anbud og der blir oftest den med det laveste Det er mange feilsituasjoner som kan forekomme i et kraftverk. For å budet vinner og da har man ofte valgt en billig vern løsning for å få forhindre at disse skal gjøre noe skade er det viktig å ha gode vern. kostnadene så lave som mulig Eksempler på feil som kan oppstå er kortsluttning og overbelastning, Multifunksjonelt vern disse feilene er det veldig viktig å I kraftverk blir det ofte benyttet et beskytte seg for, fordi de kan være såkalt multifunksjonelt vern, det er utgjøre en fare for mennesker og en komponent som har flere verndyr, de kan også skade generatoren funksjoner innebygd i samme enalvorlig. En annen alvorlig feil kan heten. Det finnes flere varianter fra oppstå i et kraftverk er hvis flere fabrikater av denne typen turbinen ikke blir stoppet når nettet vern, og de kommer med forskjelforsvinner, dette fører til rusing. lige funksjoner, etter hva man ønsHvis kraftverket er lite og ker. overliggende nett forsvinner kan det føre til lav eller høy frekvens for de som er tilkoblet i nærheten, dette kan føre til øderlagte elektriske komponenter hos husstandene. Viktigheten med vern Vern er en såpass liten del av innvesteringen til et kraftverk at det er dumt å spare penger på vern. Det er mange småkraftverk som ikke har tilstrekkelig med vern De fleste av disse vernene inneholder nesten alle de elektriske vernene man trenger for å beskytte en generator. Differensialvern Differensialvern er et vern som ikke blir brukt så mye som det burde ha blitt, det er standard å bruke i store kraftverk men ikke i mindre der man er oftest opptatt av å spare mest mulig penger. Dette vernet er en billig investering for en utbygger, og det er et godt vern for å avsløre feil i generatoren. Differensialvern kan brukes på kabler, transformatorer og på generatorer. Prinsippet er at man måler differansen mellom strømmen på primær og sekundær siden, og summen av strømmen i alle tre fasene. Dersom summen av de tre fasene ikke er null og/eller strømmen i en fase ikke er lik på hver side kan vernet ha oppdaget jordfeil eller kortslutning. Et multifunksjonelt vern _________________________________________________________________________________________________ 44 Vern- og releplan for generator og linjer Det er benyttet på generatorer ved at man plasserer målere på hver side av generatoren. Nederst på siden er det en figur av hvordan et differensialvern er koblet til en generator. Differensialvernet kan også brukes for å verne viktige kabler mot skader i sammenheng med kortslutning. Vernet har seks strømtrafoer som er montert på kablene inn til generatoren, et differensialrelé og en effektbryter. på utstyret i kraftverket. Skulle linjebryteren i en slik situasjon legge inn mens kraftverket fremdeles går, vil man få en svært tøff innfasing av generator, med fare for skade. Imidlertid kan man håpe at linjebryteren er sikret mot å kunne legge inn en spenningssatt nettdel, som i tillegg ikke er i synkronisme. HiST 2010 millisekunder. Overvåkning Vern på kraftverk er en veldig viktig komponent for å verne oss mennesker og omgivelsene våre. På mindre kraftverk er viktigheten av gode vern og innstillinger kanskje enda mer et sentralt tema da de ofte er etterlatt til seg selv, og har lite oppsyn. Skulle det skje noe Det finnes vern som hindrer skade i feil på et slikt lite kraftverk, er det kraftverket ved en GIK, et av disse derfor veldig viktig at vernene gjør er df/dt vern. Det er et frejobben sin, slik at man ikke kvensvern som beskytter generaødelegger kraftstasjonen eller at Vern problemer med GIK toren mot forandringer i frekvens. menneskeliv går tapt. Større GIK står for automatisk gjenninndf/dt vern er mye raskere enn orkraftverk er ofte koblet opp mot en kobling, det blir ofte brukt av dinære frekvensvern, og kobler ut sentral som konstant er overvåket netteierne for å fjerne en forbigående linjefeil. Etter at vern og lin- dersom endringsgradienten over24 timer i døgnet. Skulle det skje stiger innstilt verdi. jebryterne har gjort feilstedet noe i et slikt kraftverk vil det alltid spenningsløst, gjenninnkobles være noen som kan koble ut hvis spenningen kort tid etter, med håp Et annet vern som beskytter for ikke vernene gjør det. om at feilen eller lysbuen er borte. GIK er vectorjump vern, det er et Ligger det derimot et kraftverk i vern som måler tiden mellom det utkoblede nettet, vil dette kunne nullgjennomgangene til spenningopprettholde spenning under en. Ved et nettutfall vil generatoutkoblingstiden, og man risikerer at rens spenningsvektorer gjøre et feilen ikke fjernes som ønskelig. ”hopp” grunnet lastendring, og Dette er uheldig for nettselskapet, tiden mellom nullgjennomgangene men også for kraftverkseieren, til spenningen endres. Dette vil ettersom slike ut og innkoblinger vernet detektere som et vektorskift. Artikkelen er skrevet av: kan medføre store påkjenninger og det vil dermed koble ut Carl Erik Borgen og Torkel stasjonen etter få titalls Lian _________________________________________________________________________________________________ 45
© Copyright 2024