3 Metod och material
4.1 Mätning av startströmmar
För att få en bild av hur startförloppet av en motor ser ut utfördes mätningar på två olika typer av motorer på SCA pappersbruk i Munksund. Motorerna används som raffinörer på pappersbruket och har effekterna 1500 kW samt 1800 kW.
Under mätningarna så styrdes produktionen om till andra motorer i fabriken.
Detta medförde lägre starttider på motorerna än vad som skulle varit ifall de skulle tagits i drift med last.
Mätningarna utfördes på två av faserna R och T (L1 och L3) då systemet var byggt för att mäta på dessa. Se bilaga A för kopplingsschemat för motorerna.
Två olika typer av mätprober användes. En för att mäta strömmar upp till 500 A och den andra som klarar av att mäta strömmar upp till 10 A, vilket gör den känsligare när det kommer till lägre strömmar. Eftersom författaren endast hade tillgång till en mätprob på 500 A kunde ett mätfel ses mellan proberna. För att klara startströmmen på en av motorerna krävdes det dock att proben på 500 A användes.
Omsättningen på mättransformatorn som användes för 1500 kW motorn var 200/5 A alltså 40 gånger lägre sekundärt än primärt men genom att ställa in omsättningen på mätinstrumentet kunde det verkliga värdet lätt tas fram.
1800 kW motorn hade en omsättning som var 400/5 A eller 80 gånger lägre på sekundär sidan. Men efter att mätningarna var gjorda på denna motor insågs det att det glömts bort att ändra omsättningen i mätinstrumentet och det var för sent att göra om mätningarna. Detta medför att resultatet som ses i graferna ska vara dubbelt så stora som de visar på den motorn (se figur 9-11).
18
Figur 6- Visar startförloppet av 1500 kW motorn
Det som kan avläsas ur grafen (se figur 6) är att 1500 kW motorn har en
ungefärlig starttid på 3 s samt en startsström som är 11 gånger så stor som under drift. Den röda kurvan som visar fas R och mäts med 500 A proben visar på en betydligt högre startsström än den blå fas T 10 A proben. Det beror med all sannolikhet på att det vart något fel med inställningen i mätinstrumentet då kurvorna ska vara mer jämnstora. Eller på att den mindre proben blir mättad och inte klarar av att mäta in den initiala strömmen.
Händelse #2 vid 2016-04-01 17:12:05,739 Kurvformer
Öv e rsikt sdiagr am
17:14:30
Dran-V iew 6.0.34 HAS P Key: 1540932044
19
Figur 7- Uppdelning av faserna R och T
I programvaran till mätinstrumentet kan faserna delas upp i egna diagram (se figur 7) vilket kan ge en tydligare bild av startförloppet.
Figur 8- Mätvärden tagna från (figur 6)
Kanal A är värdena för fas R och kanal C är värdena för fas T (se figur 8).
20
Figur 9- Visar startförloppet för 1800 kW motorn
Det som kan avläsas ur grafen (se figur 9) är att 1800 kW motorn har en ungefärlig starttid på 2,5 s samt en startsström som är 14 gånger så stor som under drift. Ur grafen kan det utläsas att den gröna kurvan som tillhör fas T 10 A proben visar på ett högre värde än den röda R 500 A proben. Detta kan bero på att den mäter mer noggrant än den större proben eller att det finns en viss obalans i faserna.
OBS! för att strömmarna ska få rätt värde ska de dubbleras eftersom det vart en miss med omsättningen i mätinstrumentet.
Händelse #1 vid 2016-04-01 17:22:37,339 Kurvformer
Öv e rsikt sdiagr am
17:30:46 Dran-V iew 6.0.34 HAS P Key: 1540932044
21
Figur 10- Uppdelning av faserna
Uppdelning av faserna med programvaran (se figur 10).
Figur 11- Mätvärden tagna från (figur 9)
OBS! för att strömmen ska erhålla de rätta värdena måste de dubbleras.
Exempelvis kanal A som tillhör fas R har max 562.95A men för rätt värde ska fås måste det dubblas till 1126A (se figur 11).
22
4.2 Undersökning av inställda reläskyddsparametrar
För att få en insikt i vilken av reläskyddsparametrarna som behöver justeras så började författaren först att undersöka hur funktionerna fungerade. Det första steget blev att ställa av alla andra funktioner i reläskyddet utom de som författaren var intresserad av. Det underlättar vid tester av individuella
funktioner då det inte blir några fellarm på grund av att andra funktioner löser ut.
Figur 12- På ställda reläskyddsparametrar
23
4.3 Undersökning av långa starttider/låst rotor 48/51LR
Figur 13- Inställda värden på reläskyddsparametrarna 48/51LR
För att se om funktionen långstarttid fungerade korrekt så belastades skyddet med drygt 240 % av Ib (139 A) som kan ses i Bilaga B. Det blir alltså totalt drygt 333,6 A.
Efter 11,01 sekunder löste skyddet ut för långstarttid vilket visar på att
funktionen fungerar korrekt då den enligt inställningarna ovan ska lösa ut på 11 s.
Figur 14- Larmtripp för långstarttid
För kunna undersöka om funktionen låst rotor fungerar måste ett startförlopp simuleras (se figur 6). Funktionen fungerade korrekt då den efter ett normalt startförlopp löste ut på 3,0 sekunder efter att strömmen ökats igen.
24
Figur 15- Larmtripp av fastlåst rotor
Funktionen för fastlåst rotor vid start ska enligt Bilaga B inte vara i drift. Detta undersöktes också och det stämde. Figur 13 visar också på att den funktionen inte är ikryssad i logiken.
För att inte reläskyddet ska lösa ut vid en start så används en viss fördröjning för funktionen 51LR. Författaren har sett på mätningar att startströmmen kan vara över 10 gånger så stor som under drift (se figur 6) vilket skulle kunna medföra att en tripp fås vid start om inte en fördröjning skulle finnas.
För att anpassas till processen på motorn har tider för att skydda mot för lång starttid 11 sekunder samt låstrotor 3 sekunder utformats. Vid tyngre processer kan motorn behöva en längre starttid vilket lätt kan anpassas i skyddet.
Om en start inte lyckas av någon anledning så kommer reläskyddet att dra av den tiden som motorn försökt starta från det inställda värdet. Det innebär att istället för 11 sekunder kan det till exempel vara åtta sekunder kvar innan den löser ut för lång starttid. Det värdet räknas ner över en viss tid eller på hur stort det termiska innehållet är innan reläskyddet börjar om från noll igen.
25
4.4 Undersökning av det termiskt överlastskyddet (49M)
Figur 16- Inställda värden för det termiska överlastskyddet
Vid normal drift ska det termiska innehållet i reläskyddet öka till emellan 60-90
% beroende på belastning och motorn ska kunna användas som vanligt om det inte uppstår någon överlast. Vid en överlast räknar reläskyddet först upp till 90
% och då larmar reläskyddet och när det nått till 105 % bryter den strömmen till motorn för att undvika överhettning. Detta kunde också testas och konstateras.
Test av olika överlaster för att se hur länge det tar för reläskyddet att bryta strömmen gjordes med hjälp av SVERKER 760.
Tabell 1- Uppmätta tripptider vid överlast
Överlast (Normal 139 Ampere)
Tripptid i sekunder
200 A 1000 s
320 A 321 s
400 A 204 s
500 A 127 s
640 A 76 s
26 Tidskonstanten T1 anger hur lång tid det ska ta för motorn att komma upp till 63
% av det termiska innehållet och avkylningskonstanten T2 hur lång tid det tar för motorn att sjunka till 36 %.
Efter ett stopp på motorn inleds en nedräkning av det termiska innehållet som är baserad på den inställda avkylningskonstanten T2. Om det termiska innehållet är större än 50 % vid ett stopp så blockeras motorn från att kunna starta fram till att en inbyggd funktion ”Wait time after tripping” släpper på blockeringen.
Figur 17- Termiska innehållet och antal tillåtna starter
Med det angivna värdet på 128 minuter på avkylningskonstanten T2 och ett termiskt innehåll på 90 % vid stopp kan det genomföras en omstart av motorn efter fem timmar eftersom startblockeringen då har släppts. Motorn är
startblockerad eftersom det termiska innehållet är högre än 50 %.
Det går också att välja en faktor för obalans/osymmetri som tar hänsyn till den extra uppvärmning som en eventuell obalans orsakar. Det är en funktion som oftast inte är i drift men här är den inställd på att räkna med en liten obalans (se figur 16).
Figur 18- Larmsignal och tripp av överlastfunktionen
En undersökning av det termiska överlastöverlastskyddet visar på att
avkylningskonstanten T2 har stor påverkan när det kommer till tillgängligheten på motorn.
27 4.4.1 Simuleringar på olika värden på avkylningskonstanten T2
För att visa hur en förändring på avkylningskonstanten T2 påverkar tillgängligheten på motorn utfördes simuleringar.
Med nuvarande inställning på avkylningskonstanten T2 128 minuter fås:
Tabell 2- avkylningskonstanten T2 128 minuter
Ändring av avkylningskonstanten T2 till 60 minuter ger:
Tabell 3- avkylningskonstanten T2 60 minuter
Ändring av avkylningskonstanten T2 till 30 minuter ger:
Tabell 4- avkylningskonstanten T2 30 minuter
Termisktinnehåll i
28
4.5 Undersökning av skydd mot upprepade motorstarter (66)
Figur 19- Inställda värden för skydd mot upprepade motorstarter
Efter motorn har stannat inleds en nedräkning som är två minuter lång. Inom den tiden hindrar funktionen skydd mot upprepade motorstarter motorn från att
kunna startas igen. Efter det har genomförts två varma starter eller tre kalla starter blir det en nedräkning på 15 minuter som blockerar motorn från att kunna användas under den tiden.
Det finns även ett maximalt antal starter per timme som är ställt till fyra stycken.
Dessa inställningar kunde verifieras genom att simulera varma starter samt kalla starter.
29
5 Diskussion
Motorn som är installerad på SCA i Obbola visade sig vara en mycket gammal motor med en begränsad dokumentation. Detta försvårade undersökningen av reläskyddsparametrarna. Det som har konstaterats är att avkylningskonstanten T2 är ställd för högt. Det innebär att om motorn stannar med ett termiskt innehåll på 90 % kan en omstart först göras efter fem timmar, vilket känns lite väl länge.
Motortillverkare och reläskyddstillverkare har kontaktas i förhoppningen om att få ett lämpligare värde på avkylningskonstanten T2, dock utan framgång. Att anta hur lång tid motorn behöver innan den har kylts ner tillräckligt för en säker omstart anser författaren inte vara en bra lösning. Men på grund av tidsbrist så kan författaren bara komma med information om hur en ändring av
avkylningskonstanten T2 påverkar tillgängligheten av motorn. För att vara helt säker på att motorn inte överhettas vid användning efter ändring på
avkylningskonstanten T2 behövs manuella mätningar eller kommunikation med motortillverkaren.
Författaren kunde också konstatera att det ligger en startblockering på motorn när det termiska innehållet överstiger 50 %. Detta blir ett problem när motorn ska startas upp efter ett stopp då det kan ta upptill fem timmar innan reläskyddet anser att en säker start kan göras. Om motorn måste startas upp innan
startblockeringen är hävd kan det termiska innehållet nollställas manuellt. På äldre reläskydd som till exempel RAMDE är inte det ett problem eftersom det istället blir en startblockering när det termiska innehållet är över 80 % och den hävs när den gränsen har passerats.
Yttre faktorer som till exempel tryckavkänning kan minska tillgängligheten på motorn och sätta stopp vid en uppstart. Detta på grund av att höga strömspikar fås vid upprepade starter. Om avkylningskonstanten T2 ställs in lågt blir det ett problem med tidskonstanten T1 eftersom den som regel ställs in fyra gånger så lågt. Det innebär i praktiken att det termiska innehållet räknas upp fortare och motorn riskerar att bli startblockerad vid upprepade starter.
Efter att ha genomfört simuleringar på avkylningskonstanten T2 kom författaren fram till vilken reläskyddsparameter som minskade tillgängligheten på den installerade 6 kV asynkronmotorn.
Efter vad resultatet i examensarbetet visar blir min rekommendation till Rejlers AB att undersöka närmare vilket värde som avkylningskonstanten T2 kan ställas till utan att motorn riskerar att överhettas.
30 Ett annat alternativ kan vara att undersöka om den inbyggda gränsen i
reläskyddet för det termiska innehållet på 50 % kan programmeras om.
31
6 Referenser
[1] Andersson, L. & Blomqvist, H. (2003). Elkrafthandboken. Elkraftsystem, 1.
(2., [omarb.] uppl.) Stockholm: Liber.
[2] Mason, C.R. (1956). The art and science of protective relaying. New York:
Wiley.
[3] C37.96-2000 IEEE Guide for AC Motor Protection [Elektronisk resurs].
(2000). IEEE / Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated.
[4] Manual (2013) Sepam series 80 Protection, metering and control functions Schneider Electric.
[5] Elmore, W.A. (2004). Protective relaying theory and applications
[Elektronisk resurs]. (2nd ed., rev. and expanded). New York: Marcel Dekker.
[6] Anderson, P.M. (1999). Power system protection. New York: McGraw-Hill.
[7] Blackburn, J.L. & Domin, T.J. (2014). Protective relaying: principles and applications. (4.ed.) Boca Raton, Fla.: CRC Press
[8] Manual (2011) Alstom Grid NETWORK PROTECTION &
AUTOMATION GUIDE, EDITION MAY 2011
[9] C37.2-2008 IEEE Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations [Elektronisk resurs]. (2008).
IEEE / Institute of Electrical and Electronics Engineers Incorporated.
[10] Pathirana, V. (2004). A power system protection scheme combining impedance measurement and travelling waves: software and hardware implementation. PhD Thesis. University of Monitoba, Canada.
[11] Abdelmoumene, & A. Bentarzi, H. (2014) A review on protective relays’
developments and trends, Journal of Energy in Southern Africa Vol 25 No 2 May 2014
[12] Manual (1990) ABB Relays, RAMDE Motorskydd.
32
7 Bilagor
A.
Kopplingsschemat för motorerna i SCA Piteå.
.
33 B.
Befintliga reläskyddsinställningar.