EXAMENSARBETE
Undersökning av reläskyddsinställningar på en installerad högspänningsmotor.
Markus Danielsson 2016
Högskoleingenjörsexamen Elkraftteknik
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
Undersökning av reläskyddsinställningar på en installerad högspänningsmotor.
Markus Danielsson, Luleå tekniska universitet 2 juni 2016
Arbetet utfördes på Rejlers AB i Skellefteå under våren 2016 Handledare på företaget: Nicklas Bergman och Jonny Danielsson
Examinator: Math Bollen
Förord
Examensarbetet har utförts för Luleå Tekniska Universitet i samarbete med Rejlers AB i Skellefteå. Det är de sista steget i högskoleingenjörsutbildningen i elkraftteknik.
Jag vill tacka min handledare på Rejlers AB Niklas Bergman som på ett
pedagogiskt sätt undervisat och svarat på alla frågetecken som dykt upp under examensarbetets gång. Vill även tacka Jonny Danielsson som stöttat och hjälpt till med praktiska kopplingar och mätningar.
Ett extra stort tack vill jag ge till min fru Madelene Danielsson som hjälpt till med att granska examensarbetet och alltid ställt upp om det har behövts.
Sammanfattning
Examensarbetet har utförts på Rejlers AB i Skellefteå. Syftet var att undersöka reläskyddsinställningar till en 6 kV asynkronmotor som finns installerad på SCA pappersbruk i Obbola.
Examensarbetet har utförts i tre steg. Det börjar med en litteraturstudie som beskriver reläskyddets historiska bakgrund, reläskydd i allmänhet samt filosofin bakom reläskydd. I litteraturstudien ingår även en grundlig beskrivning av reläskyddsparametrarna låst rotor, termiskt överlastöverlastskydd, långa starttider samt skydd mot upprepade motorstarter.
Andra steget var att samla in data genom att praktiskt mäta och simulera motorstarter. Simuleringarna kunde utföras med hjälp av en SVERKER
reläskyddstestutrustning efter att praktiska mätningar visat på hur en motor start beter sig.
Tredje steget var att undersöka reläskyddsparameterna och sammanställa resultatet. Resultatet visar på att avkylningskonstanten T2 för det termiska överlastskyddet är inställd högt. Detta medför en minskad tillgänglighet av motorn.
Abstract
This thesis has been performed at Rejlers AB in Skellefteå. The purpose of the thesis has been too investigate relay settings on an installed 6 kV induction motor at SCA paper mill in Obbola.
The thesis has been carried out in three steps. It begins with a literature study that highlights the historical background of relay protection, a general
description and its relay protection philosophy. The literature study also contains a detailed description of the relay protection parameters locked rotor, thermal overload protection, long starting times as well as protection against repeated engine starts.
The second step was to collect data through practical measurements and simulating engine starts. The simulations was performed by means of a protective relay test equipment SVERKER after practical measurements had shown how an engine start behaves.
Third Step was to investigate the relay protection parameters and compile the result.
The results show that the cooling time constant T2 of the thermal overload protection is set high. This results in a decreased availability of the engine.
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Problembeskrivning ... 1
1.3 Syfte ... 1
1.4 Avgränsningar ... 2
2 Teori ... 3
2.1 Historisk utveckling av reläskydd ... 3
2.2 Allmänt om reläskydd ... 4
2.3 Reläskyddsfilosofi ... 5
2.4 Allmänt om motorskydd ... 8
2.5 ANSI enhetsnummer ... 9
2.6 Reläskyddsparametrar ... 10
2.6.1 Låst Rotor (51LR) ... 10
2.6.2 Termiskt överlastskydd (49M) ... 11
2.6.3 Långa starttider (48) ... 12
2.6.4 Skydd mot upprepade motorstarter (66) ... 13
3 Metod och material ... 14
3.1 Metod ... 14
3.2 Material ... 15
4 Resultat ... 17
4.1 Mätning av startströmmar ... 17
4.2 Undersökning av inställda reläskyddsparametrar ... 22
4.3 Undersökning av långa starttider/låst rotor 48/51LR ... 23
4.4 Undersökning av det termiskt överlastskyddet (49M) ... 25
4.4.1 Simuleringar på olika värden på avkylningskonstanten T2 ... 27
4.5 Undersökning av skydd mot upprepade motorstarter (66) ... 28
5 Diskussion ... 29
6 Referenser ... 31
7 Bilagor ... 32
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Rejlers AB är en nordisk koncern som erbjuder tekniska konsulttjänster inom bygg, fastigheter, energi, infrastruktur samt industri. Kontoren i Skellefteå och Umeå har en gemensam benämning 2262 och de inriktar sig speciellt på
konsultverksamhet inom elkraft.
Examensarbetet är ett samarbete mellan Rejlers AB och Luleå Tekniska Universitet. Företaget vill att reläskyddsparametrar på en installerad
högspänningsmotor (6 kV) undersöks. De vill kunna optimera tillgängligheten utan att riskera en överhettning av motorn.
Parametrar som är intressanta att undersöka är termisköverlastskydd (49M), långa starttider (48), låst rotor (51LR) samt upprepade motorstarter (66). Dessa skyddsfunktioner kommer att behandlas mer ingående i examensarbetet men en generell bild av hur reläskydd fungerar kommer också att beskrivas.
Efter genomfört examensarbete är förhoppningen att de nya inställningarna på asynkronmotorn ska medföra att en högre tillgänglighet nås utan att överhettning riskeras.
1.2 Problembeskrivning
Rejlers AB har fått i uppdrag av SCA i Obbola att utreda hur de kan få en högre tillgänglighet på en av deras 6 kV asynkronmotorer som blivit sämre efter byte till ett nyare reläskydd (Schneider SEPAM M81).
1.3 Syfte
Syftet med examensarbetet är att komma fram till vilka reläskyddsinställningar som är optimala vid driften av den installerade 6 kV asynkronmotorn.
2 1.4 Avgränsningar
Examensarbetet kommer inte att innefatta någon teoretisk del om
asynkronmotorer. Endast startförloppet av en asynkronmotor undersöks eftersom det är relevant vid simuleringar och undersökningar av de valda reläskyddsparametrarna.
3
2 Teori
2.1 Historisk utveckling av reläskydd
Enligt Pathirana och Andersson är reläskyddets historia över hundra år gammal.
[1][10] Redan från uppkomsten av elektrisk energi har det behövts anordningar för att kunna förhindra eller begränsa inverkan av oönskade händelser.[11]
De första reläskydden var elektromekaniska och baserade på
överströmsprincipen där inverttid-karaktäristik används. De var dels tvungna att kunna detektera ett fel men också kunna genera ett tillräckligt stort moment för en brytare att lösa ut.[10]
Nästa steg i utvecklingen var differential reläskydd som kom efter 1905. Det jämförde strömmen på var sin ände av en transmissions ledning och använde sig sedan av en kommunikationslinje för att få information från båda ändar.[10]
År 1923 kom distansreläskydd som använde sig av impedansen i en ledning för att detektera fel. Alla reläskydd framtill år 1940 var elektromekaniska. Med tiden blev distansreläskydden väldigt exakta i och med en teknik som kunde mäta Mho (konduktans). Det innebär den inverterade resistansen och är en teknik som fortfarande används. Mho reläskydd ger en stängd karakteristerik av impedansfelstället vilket gör att de andra faserna inte påverkas vid fel.[10]
I början av 1940- talet utvecklades reläskydd i samverkan med elektronisk utrustning. Dessa reläskydd kallas statiska reläer eller reläer med fast tillstånd i och med att de inte innehöll några rörliga delar.[10]
Under slutet av 1960- talet började datorer användas för att styra funktioner hos reläskydden, detta genomfördes trots att det fanns ett stort motstånd från
reläskyddsingenjörer.[10]
Mikroprocessorer började ersätta datorerna under 1980- talet vilket innebar att den statiska teknologin kunde förfinas och fick som påföljd förbättrad prestanda till ett lägre pris. I dagsläget installeras nästan enbart mikroprocessorer men den största delen av reläskydd som är i drift är fortfarande elektromekaniska.[10]
4 2.2 Allmänt om reläskydd
Elkraftsystem består till stor del av fundamentala anläggningsdelar som till exempel transformatorer, generatorer och ställverksapparater som ofta är utspridda över en stor geografisk yta. Det behövs även underordnad utrustning för övervakning, styrning, reglering, hjälpspänningsförsörjning och skydd.
Reläskydd tillhör denna underordnade kategori som med en samverkan med de fundamentala delarna kan garantera en tillförlitlig energiförsörjning.[1]
Reläskyddets funktion är att snabbt koppla bort en del av ett kraftsystem om en kortslutning uppstår, eller när en del av systemet börjar bete sig på ett avvikande sätt som kan skada eller orsaka driftstörningar. En annan funktion hos
reläskyddet är att indikera på vilken plats och vilken typ av fel som uppstått.
Dessa uppgifter gör att reparationer kan påskyndas av den skadade delen.[2]
Vid varje anläggningsdel som skyddas mot fel används en brytare. När reläskyddet har detekterat ett fel kopplas den delen av systemet bort utan att påverka övriga anläggningsdelar. Brytarna är placerade vid exempelvis
transformatorn, generatorn eller motorn. De behöver ha tillräcklig kapacitet för den momentana kortslutningsströmmen men även klara av att bryta den.[2]
Reläskyddet mäter storheter såsom spänning, ström, effekt, impedans och frekvens för att se om ett fel inträffat. En eller flera storheter används för att upptäcka fel i systemet. Flera av dessa innehåller övertoner och transienter men det är reläskyddets uppgift att kunna filtrera ut information som är användbar.[1]
Reläskydd kan delas in i tre grupper:
Analoga reläskydd
Gör om uppmätta kvantiteter till en lägre spänning vilket sedan jämförs eller kombineras mot ett referensvärde i nivådetektorer för att få fram önskad output.[5]
Digitala reläskydd
Gör om växelspänningen till analog form som därefter omvandlas till en fyrkantsspännig (binär). Logiska kretsar eller mikroprocessorer jämför sedan fasförhållandet i fyrkantsvågen för att avgöra om den ska vara till eller från (0 eller 1).[5]
5 Numeriska reläskydd
Tar stickprov av den uppmätta växelspänningen i sekvenser och omvandlar mätningen till numerisk data. En mikroprocessor använder sig sedan av
matematiska och/eller logiska funktioner för att avgöra om den ska vara till eller från (0 eller 1).[5]
2.3 Reläskyddsfilosofi
Reläskydd förhindrar inte att fel uppstår. De agerar bara efter att felet uppstått för att minska skadan, avbrottet eller andra problem. Skyddssystem har som huvuduppgift att snabbt kunna avgränsa ett problem vilket innebär en minskad inverkan på resten av systemet. I ett skyddssystem finns det fem stycken
grundläggande kriterier när det kommer till reläskydd. Dessa är pålitlighet, selektivitet, snabbhet, enkelhet och ekonomi.[7]
Pålitlighet
Det finns två olika aspekter för att ett system ska vara pålitligt. Dessa är tillförlitlighet och säkerhet.
Tillförlitligheten visar vilken förmåga systemet har för att kunna fungera
korrekt. Enligt (IEEE C37.2, 2008) definieras tillförlitligheten som ”the degree of certainty that a relay or a relay system will operate correctly”. Det är inte svårt att fastställa ett systems tillförlitlighet eftersom tester genomförs för att kontrollera om skyddet löser ut vid de inställda gränsvärdena.[7]
Onödiga fel och problem som uppstår utanför den tilldelade driftzonen samt förmågan att undvika överflödig användning under den dagliga verksamheten visar på ett systems säkerhet. Enligt (IEEE C37.2, 2008) definieras säkerhet som
”relates to the degree of certanity that a relay or relay system will not operate incorrectly”. Det kan vara svårt att fastställa säkerheten i systemet eftersom det kan finnas en mängd olika händelser och tillstånd som påverkar. Att förutspå dessa brukar vara nästintill omöjligt.[7]
För att uppnå ett bra resultat när det kommer till pålitlighet i ett system bör det finnas erfarenhet hos tillverkaren samt hos personen som gjort installationen.[7]
6 Selektivitet
Selektivitet innebär att reläskydden tilldelas ett område att övervaka och det kallas för den primära skyddszonen. De har även som uppgift att bevaka vad som sker utanför den egna skyddszonen vilket gör att reläskyddet också är ett backup- eller omgivningsskydd. Det innebär att reläskydden tillåts att gå in i varandras skyddszoner och bryta spänningen om ett fel uppstått.[7]
Om ett fel uppstår ska reläskyddet som ligger närmast lösa ut, utan påverkan på de övriga. Detta kan uppnås genom att sätta in en viss tidsfördröjning på när reläskyddet ska lösas ut i backupzonen. Det innebär att reläskyddet som har felet i sin primärzon ska lösas ut först om det fungerar korrekt.[7]
Det finns fyra stycken principiella sätt att åstadkomma selektivitet:
Funktionsselektivitet- Bygger på inställningarna av reläskyddens funktionsvärde, exempelvis impedansräckvidd eller strömselektivitet.[1]
Tidsselektivitet- Bygger på reläskyddens funktionstider.[1]
Riktningsselektivitet- Bygger på att reläskyddet ska känna av riktningen till felet.[1]
Absolut selektivitet- Bygger på att reläskyddens förmåga enbart ska fungera för fel på det egna skyddsobjektet. Det kan exempelvis uppnås med en
differentialkoppling.[1]
Snabbhet
För att förhindra eller förminska skador på personer, anläggningsdelar samt egendom ska reläskyddet lösa ut på kort tid.[1] Men att reläskyddet löser ut snabbt är inte alltid en fördel. Desto snabbare det löser ut, ju större chans till felutlösning.[7]
När höga felströmmar uppstår till följd av en kortslutning kommer
anläggningsdelar att utsättas för termiska och mekaniska påfrestningar. Vid kvarstående fel kan det också uppstå pendlingar och slutligen ett
nätsammanbrott. Stötström kallas det högsta momentana värdet på kortslutningsströmmen och den orsakar de mekaniska skadorna på en anläggning.[1]
För att minska skadeinverkan ger reläskydden normalt en momentan funktion vid en kortslutning och bortkoppling av felet kan normalt göras under 0.1 sekunder.[1]
7 Enkelhet
Innebär att ett reläskyddssystem ska vara enkelt och förståbart men innefatta allt som behövs för att uppnå målet med skyddet. Varje extra komponent som sätts in i reläskyddet kan leda till problem och mer underhåll kan behövas jämfört om endast relevanta komponenter använts.[7]
Ekonomi
En stor faktor för reläskyddssystem är självklart kostnaden. Målet är maximalt skydd till det billigaste priset men den lägsta inköpskostnaden på ett
reläskyddssystem innebär inte alltid det lägsta slutpriset. Ett lågt inköpspris kan istället medföra högre installationskostnader, driftkostnader samt högre
underhållskostnad.[7]
Kostnaden för ett reläskyddssystem kan vara stor. Men i jämförelse med att produktionen ligger nere eller att det som ska skyddas går sönder så anses det vara billigt.[7]
Summering
Att alla fem kriterier skulle uppnå sin maximala nivå är inte rimligt utan i det verkliga livet får sunt förnuft och kompromisser användas för att uppnå det bästa möjliga resultat. Det är ingenjörens arbete att se till att kriterierna maximeras i den mån det går för att det bästa systemet ska kunna skapas. Det är ett svårt men spännande arbete som kan leda till många olika lösningar och svar.[7]
8 2.4 Allmänt om motorskydd
Huvudsyftet med ett motorskydd är att tillåta motorn att komma upp till sin termiska och mekaniska gräns utan att låta den passeras. Motorskyddet ska även vara känsligt inställt så att fel lätt kan detekteras.[7]
Motorskydd till motorer varierar och är i regel mindre standardiserade än andra delar i ett elsystem. Det beror mycket på att storlek, typ och användningsområde på motorer skiljer sig kraftigt åt. När motorskydd bestäms tas storleken och hur viktig motorn är i beaktning.[7]
Potentiella faror för asynkronmotorer som bör ses upp med är:
Fel- Jord eller fas fel.
Termisk åverkan- Låst rotor, överlast
Avvikande förhållande- Det kan vara obalanserad drift, över/under spänning, fasvridning, återinkoppling, yttreförhållanden (fuktigt, kallt mm.) samt långa starttider.[7]
Huvudegenskaper som används för att skydda motorn är: kurvor av
startströmmar, kurvor av den termiska förmågan, låst rotor samt konstanten K(
𝑅𝑟2
𝑅𝑟1). Dessa egenskaper fås normalt av tillverkaren av motorn och är basen för tillämpningen av motorskyddet.[7]
9 2.5 ANSI enhetsnummer
Ett ANSI enhetsnummer identifierar och beskriver en viss funktion eller enhet, exempelvis ett relä eller brytare.[9]
En av de äldsta standarderna kom ut år 1928 eftersom det behövdes ett språk för att kunna beskriva och identifiera olika styrsystem på kopplingsscheman. Den standarden som fortfarande regelbundet används är IEEE C37.2.[9]
Några av enhetsnumren som delades ut år 1928 används fortfarande, till
exempel 49 som betecknar det termiska överlastskyddet. Standarden har genom åren genomgått förändringar men inte i så stor utsträckning i förhållande till att den funnits i över 80 år. I standarden finns det 99 st enhetsnummer samt ett tillägg med ändelsebokstäver för att kunna beskriva funktionen eller enheten mer ingående. Den senaste versionen kom ut år 2008.[9]
10 2.6 Reläskyddsparametrar
2.6.1 Låst Rotor (51LR)
När en motor har problem att starta trots att statorn är magnetiserad kan det bero på flera olika saker, till exempel mekaniskt fel på motorn eller belastningslager, låg matningsspänning eller en öppen krets i en av faserna på en trefasmatning.
När en spänningssatt stator blir magnetiserad med en stillastående rotor så fungerar motorn som en transformator där sekundärsidan är
motståndsbelastning. Typisk statorström varierar mellan tre till sju gånger märklasten beroende på motorkonstruktion och impedansen hos det matande systemet.[3]
Användning av en motor med fastlåst rotor medför en extrem temperaturökning.
Detta kan beräknas fram genom att använda sig av 𝐼2× 𝑅. För att ge ett
exempel: om strömmen är sex gånger så stor som märkströmmen och ett typiskt värde på resistansen som är tre gånger så stor när rotorn är fastlåst fås 62× 3 = 108 gånger så stor temperaturökning som under normal drift. 𝐼2× 𝑅 definerar värmeeffekten och 𝐼2× 𝑡 den termiska förmågan. Det innebär att motorn
kommer att behöva tolerera en hög temperatur under en begränsad tid vid starten av motorn.[3]
Höga temperaturer kan förhindras genom att bevaka fasströmmarnas storlek samt genom att bryta strömmen när det blir för lång starttid. Eftersom motorer kräver och kan tåla en väldigt hög ström under en kort period vid uppstarten bör en lämplig tidsfördröjning användas i reläskyddet.[3]
En typisk asynkronmotor tål att belastas med strömmen som uppstår vid låst rotor i 20 sekunder utan att det ska vara någon säkerhets risk.[6]
För att förebygga låst rotor ska reläskyddet vara inställt på att bryta motorn innan statorns isolering tar termisk skada och innan rotorns ledare smälter eller tar skada av påfrestningarna.[3]
11
Figur 1- Visar startförloppet av en motor med låst rotor. Den vänstra bilden visar hur startförloppet beter sig normalt framtill att rotorn låser sig. Den högra bilden visar hur det ser
ut när motorn startar upp med låst rotor[4]
2.6.2 Termiskt överlastskydd (49M)
Det finns två huvudtyper av överlastskydd. Den ena bryter fasen vilket innebär att belastningsströmmen bryts direkt. Den andra typen är ett styrkretssystem som använder sig av detektorer för att bryta strömmen till motorn genom dess
styrenhet. Termiska överlastskydd är avsedda att begränsa
motorlindningstemperaturen och motorströmmen genom förutbestämda värden vid avvikande drift. Detta medför att motorisoleringen förhindras från att ta skada som skulle kunna leda till motorfel.[3]
Förhållanden som kan leda till överhettning kan vara överbelastning, motorstopp, misslyckad start, hög omgivningstemperatur, dålig
motorventilation, minskad hastighet vid drift, många och täta starter, hög eller låg spänning/frekvens, mekaniskt fel på lasten som motorn driver, fel på installationen eller fel på någon av matningsfaserna.[3]
Att enbart känna av strömmen räcker inte för att upptäcka alla potentiella fel som till exempel dålig motorventilation. Om det termiska överlastskyddet enbart känner av temperaturen kan fel missas som till exempel många och täta starter. I vissa fall kan det behövas att båda samarbetar för att få en säker övervakning.[3]
Känsligheten på det termiska överlastskyddet beror på placeringen av
detektorerna i förhållande till motorlindningarna. Detektorerna ska installeras på eller inuti motorn på ett sätt som gör att temperaturförändringar i lindningarna på motorn också ska påverka dem i samma utsträckning. Det är viktigt att samma isolationsklass används både till motor och detektorerna.[3]
12 2.6.3 Långa starttider (48)
Reläskyddsparametern 48 eller långa starttider är en funktion som ska återställa motorn till ett stillastående läge och förhindra att den används. Det ska göras när den förutbestämda start eller stopptiden överskrids.[3]
Om endast reläskyddsparameter 48 används för att larma vid långa starttider ska den ställas in så den täcker den normala starttiden plus en säkerhetsmarginal.
Detta så att oönskade stopp som beror på mekaniska eller elektriska variabler förhindras.[3]
Figur 2- Den vänstra bilden visar hur ett normalt startförlopp beter sig. Den högra bilden visar hur det kan se ut när starttiden är för lång[4]
13 2.6.4 Skydd mot upprepade motorstarter (66)
Reläskyddsparametern 66 används för att larma eller stanna av motorn när antalet startförsök under en viss tid överskrider ett visst nummer. Skydd mot upprepade motorstarter ställs vanligtvis in som antalet starter per timme.[3]
Om motorn startar varm istället för kall blir förhållandena annorlunda eftersom motorns initiala temperatur inte står på noll som den gör vid en kall start.
Reläskyddet måste därför använda sig av separata räkningar. En för varmstart och en för kallstart. Genom att använda sig av data för det termiska innehållet kan reläskyddet hålla koll på om det var en kallstart eller varmstart.[8]
För att låta motorn svalna kan en viss fördröjning uppstå mellan på varandra följande starter. Efter en viss tid släpps startblockeringen som bestäms av motorspecifikationerna.[8]
Vid upprepade starter med kort avsvalningstid mellan starterna samlas
värmeenergi. Detta medför att rotor och statortemperaturen höjs successivt vid varje start.[12]
Figur 3- Temperaturökning vid upprepade starter[12]
Temperaturökningen på rotorns olika delar påverkas av flertalet olika faktorer.
Dessa är bland annat rotorstavarnas utformning, rotorns varvtal och i och med det eftersläpningsfrekvensen under startförloppet, antalet frekventa starter samt avsvalningstiden mellan starterna.[12]
14
3 Metod och material
3.1 Metod
Tillvägagångssättet för att komma fram till resultatet har varit enligt följande:
Litteraturstudie om reläskydd
Insamling av data genom simulering och mätning
Sammanställning av resultatet
Fakta till teoridelen har hämtats från böcker och relevanta artiklar. Manualer om olika reläskydd har lästs. De har inte bara innehållit en beskrivning av
funktioner utan visade sig innehålla mycket god information om reläskyddens olika parametrar.
Det har krävts mycket läsning i manualen om reläskyddet SEPAM M81 för att förstå hur det fungerade. Datainsamlingen har främst skett genom simuleringar på reläskyddet med hjälp av en SVERKER 760 relätestutrustning. Detta för att kunna generera ström och spänning. När utlösningstider har undersökts
användes SVERKER 760 för att få fram tiden.
För att kunna undersöka startförloppet av en motor utfördes praktiska mätningar på SCA i Piteå med hjälp av ett Dranetz mätinstrument. Detta för att kunna undersöka de olika reläskyddsparametrarna på SEPAM M81 genom
simuleringar.
För att de optimala reläskyddsinställningarna skulle erhållas kontaktades en motortillverkare. Detta så att en jämförelse av reläskyddets inställda värden skulle kunna utföras.
Fakta från böcker, artiklar och manualer lästes noggrant igenom för att få en helhetsbild av hur reläskydd fungerar. Mycket tid har lagts ner på att bearbeta texten till ett lätt mer lättförståeligt material.
15 3.2 Material
Reläskyddet som sitter monterat till motorn i SCA Obbola är ett SEPAM M81.
På Rejlers AB har det funnits tillgång till samma typ av reläskydd. För att lättare kunna göra ändringar i reläskyddet installerades SFT2841 V15,0 som är
datorprogramvaran för reläskyddet. I programvaran finns det två olika mode:
offline och online.
Om reläskyddet är offline kan parametrar ändras utan att ladda in dem. Om reläskyddet däremot är online genomförs ändringar direkt de sparas, till exempel som att ställa av eller ändra på parametrar för att undersöka det som önskas.
En annan funktion som underlättar med datoranvändning är att reläskyddet och det termiska innehållet lätt kan återställas vid eventuella larm.
Figur 4- Reläskyddet
16
Figur 5- SVERKER 760
17
4 Resultat
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 2016-04-01
Fredag
17:14:35 17:14:40
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Amp
A Irms B Irms C Irms
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 2016-04-01
Fredag
17:30:47 17:30:48 17:30:49
0 100 200 300 400 500 600 700
Amp
A Irms B Irms 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 procent
Startblockering i minuter
55 % 220 min
65 % 240 min
75 % 260 min
85 % 280 min
Termisktinnehåll i procent
Startblockering i minuter
55 % 20 min
65 % 53 min
75 % 122 min
85 % 129 min
Termisktinnehåll i procent
Startblockering i minuter
55 % 13 min
65 % 35 min
75 % 62 min
85 % 66 min
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.
