Prosjektrapport

Transcription

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:
paal.glimen@voith.com
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
HiST 2010
Vedlegg 2.
Bilde av ”Riggen”.
_________________________________________________________________________________________________
38
HiST 2010
Vedlegg 3.
Verninnstillinger for Føssa fra Rovas
_________________________________________________________________________________________________
39
HiST 2010
Vedlegg 3.
_________________________________________________________________________________________________
40
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
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
Ikortsl.min
= 645 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
_________________________________________________________________________________________________
41
HiST 2010
Vedlegg 5.
Kart over området.
_________________________________________________________________________________________________
42
HiST 2010
Vedlegg 6.
Tomta og en skisse over hvordan kraftverket vil se ut.
_________________________________________________________________________________________________
43
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
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

Prosjektrapport

Transcription

Similar documents

fagartikkel (1

Brukerveiledning

Vekselstrømsgenerator

Ampair - getek as

De gamle er fortsatt eldst

Last ned

Styringsgruppens rapport - Høgskolen i Sør

Volt2010-4 - Voltmag.no

Stor revisjon av Kvittingen kraftverk - Til Daim