Beveiligingsmìddelen HS VP
nhoud& Inleiding Beveiligingsrelais 2.1 Mechanische beveiligingsrclais Z Z Elektronische beveiligingsrelais Maximum stroom-tijd beveiliging 3.1 Onafhankelijk 1'r1axìmum-stroorn-tijcl-relais (OMT) 3.2 Afhankelijk maximum stroom-tijd-relais (AMT) 3.3 Thermische beveiliging 3 4 Uitvoeringsvormen Beveiliging van parallelle objecten 4.1 Eriergie-richringsbeveiliging 4 Z Differentiaalbeveilìging 4.4 Transformatorclifferentiaal Aardfoutmeldìng en beveiliging 51 Open driehoek schakeling 5.2 Core balance schakeling Distantìebeveiliging Hulpvoeding Opgaven \Jl UIU'I \O\D OOOO\I\IO\ 10 ll 12 12 13 14 15 17
Inleiding Beveiligingsmìddelen beveiligen de installatie tegen de gevolgen van kortsluiting en overbelasting. In deze module worden de basisprincipes van de beveiligingsmiddelen besproken. Welke beveiligingsmiddelen moeten worden toegepast, hangt nauw samen met de technische eisen die in verband met de bedrijfsvoering aan de installatie worden gesteld. Beveiligingsrelais Een beveiligingsrelaìs wordt geactiveerd wanneer een elektrische grootheid een ingestelde drempelwaarde overschrijdt. Het relais komt weer in de ruststand als de elektrische grootheid daalt tot onder de terugvalwaarde. De verhouding tussen deze twee waarden noemt men de aanspreek/terugvalverhouding, ook wel hysterese genoemd. Meestal is ook een aanspreekindicatie aanwezig, die aangeeft dat het meetdeel aangesproken is. Ook als geen uitschakelcornrnando is gevolgd, omdat de kortsluiting verdween vóór het verstrijken van de ingestelde looptijd, kan men dan achteraf enige conclusies trekken uit de nog aanwezige indicaties De aanspreekindicatic moet daarna handmatig worden teruggesteld. 2.1 Mechanische beveiligingsrelaìs Nog steeds komen mechanische beveiligingsrelais voor in elektrische installaties. Onder een mechanisch relais worden alle relais verstaan die volgens een elektromechanisch principe werken. Het aanwezige tijdvertragende element wordt meestal aangedreven volgens het Ferraris-systeem (motorprincipe), dat mechanische vrijgegeven wordt, watmeer het meetdeel aanspreekt. 2.2 Elektronische beveiligingsrelaìs Moderne relais zijn tegenwoordig volledig digitaal uitgevoerd. Hierdoor is het eenvoudig geworden om meerdere functies in één behuizing te integreren. Ook de kosten van de hardware is drastisch gedaald.
3. Maximum stroom-tijd beveiliging De meest voorkomende beveiliging is de maximum stroom tijd beveiliging. Deze relais geven na het overschrijden van een in te stellen waarde van de stroom, direct of na een in te stellen tijd een uitschakelcornmando aan de vermogensschakelaar. Er komen twee varianten van de maximum stroom tijd beveiliging voor. De afhankelijke en de onafhankelijke variant. Bij de onafhankelijke maximum stroomtijd beveiliging (OMT) is de tijdvertraging NIET afhankelijk van de waarde van de ingestelde stroomwaarde. De Engelstalige benaming is Definite Time Lag relay afgekort tot DTL. Het is ook mogelijk dat de grootte van de tijdvertraging WEL afhankelijk is van de grootte van de te bewaken stroom. Een kleinere stroom heeft dan een grote tijdvertraging als gevolg, terwijl een grote stroom juist een korte tijdvertraging oplevert. Deze uitvoering noemt men een afhankelijk maximum stroomtijcl beveiliging (AMT). De Engelstalige benaming is Inverse Definite Minimum Time relay (IDMT). Een voorbeeld van beide grafieken is weergegeven in Figuur 3.1. i ll ; F, OMT % Of ; DTL 0,35 Ë ;. Figuur 3.1 1,2 X n!! Karakteristiek van een onafhankelijk (OMT) en een afhankelijk (AMT) maximum stroom-tijd relais. 6
3.1 Onafhankelijk maximum-stroom-tijd-relaìs (OMT) De onafhankelijke grafiek kan worden benoemd door het opgeven van slechts twee coördinaten; de stroomdrempel en de bijbehorende uitschakeltijd. ;ivoeding Sectie 1 Sectie 2 Sectie 3 Sectie4 25 0,95 0,65 0,35 Figuur 3.2 Typische distributie-situatie met in serie geplaatste OMT-relais Met name wanneer veel beveiligingen achter elkaar geplaatst moeten worden (zie Figuur 3.2 ), zoals in de distributie vaak het geval is, heeft het gebruik van onafhankelijke stroomtijd beveiliging de voorkeur. 3.2 Afhankelijk maximum-stroom-tijd-relais (AMT) De afhankelijke karakteristiek is niet op een eenvoudige manier vast te leggen. Toch is het belangrijk dat de karakteristiek exact is vastgelegd. Dat gebeurt met behulp van een formule met daarin een aantal variabelen. Internationaal zijn er afspraken gemaakt hoe de afhankelijke grafieken mogen lopen. Wanneer twee relais achter elkaar worden gezet met twee verschillende grafieken, kunnen de grafieken elkaar snijden waardoor niet meer correct wordt afgeschakeld. G1 G2 t T % 192 (31 G2 ÎG1 s '? G; G1 le i ; 1 2 _» % i Î Figuur 3.3 Twee snijdende grafieken (foutief) In Figuur 3.3 is een schema getekend met twee beveiligingsrelais met elkaar in serie. De karakteristieken snijden elkaar in punt S. In het gedeelte aan de linkerzijde van snijpunt 5 wordt bij een sluiting als eerste door Gl afgeschakeld (tgl is kleiner dan tgz) Hierdoor wordt een groter gedeelte van het net afgeschakeld als nodig is. In deze situatie had alleen G2 mogen afschakelen. In Figuur 3.4 is een correct werkende beveiliging weergegeven. Hierbij snijden de karakteristieken elkaar niet en schakelt in alle omstandigheden GZ eerder af als Gl. Quercus Technical Sewices B.V.
> Figuur 3.4 Niet snijdende grafieken (correct) Door de vorm van de karakteristiek is de afhankelijke beveiliging zeer geschikt voor het beveiligen van transformatoren en motoren. Immers hoe groter de foutstroom, hoe korter de uitschakeltijd. Dit is veel beter dan een onafhankelijke karakteristiek waarbij ongeacht de grootte van de foutstroom er altijd op een vaste tijd wordt afgeschakeld. Maar hierbij is het grote voordeel de eenvoud van de karakteristiek. Samenvattend kun je concluderen: Alleenstaande objecten (motor, trafo) dieje kunt beveiligen met één relais zulje graag beveiligen met een afhankelijke karakteristiek. Moeten meerdere beveiligingen selectief achter elkaar werken zulje dit vanwege de eenvoud doen met behulp van relais met onafhankelijke karakteristieken. 3.3 Thermische beveiliging Een thermische beveiliging heeft een afhankelijke karakteristiek. Het kenmerkende verschil ten opzichte van de AMT beveiliging is dat de uitschakelduur in de minuten ofsoms uren ligt, terwijl met een OMT in het seconden-bereik wordt afgeschakeld. Soms worden temperatuuropnemers in het te beveiligen object geplaatst waardoor het mogelijk wordt de transformator of de motor tot het maximum te belasten. 3.4 Uitvoeringsvormen De hardware voor de beveiligingen is door de moderne elektronica veel goedkoper geworden dan in de jaren '70. In die periode moest men een principiële keus maken voor het type beveiliging. Er was dan ook in een relais maar een functie beschikbaar. Men koos dus voor een relais met een afhankelijke karakteristiek of een onafhankelijke karakteristiek. Eenmaal gekozen kon men alleen een andere karakteristiek krijgen door het relais te vervangen. Tegenwoordig worden een groot aantal beveiligingsfuncties gecombineerd in één relais. De prijzen van de relais kunnen variëren van enige honderden euro's tot enige duizenden euro's afhankelijk van functionaliteit en fabricaat. 8
Beveiliging van parallelle objecten Belangrijke objecten worden soms dubbel uitgevoerd om de bedrijfszekerheid te verhogen. Hierdoor ontstaat de situatie dan in geval van een fout in een kabel of trafo wel die component moet afschakelen waarin de fout is opgetreden. 4.1 Energie-richtingsbeveiligìng Als voorbeeld de situatie van een voeding met twee parallelle kabels zoals die gebruikt worden bij belangrijke verbindingen. Beide kabels liggen elk in een ander tracé. Dus bijvoorbeeld de ene kabel aan de linkerzijde van de weg, de andere kabel aan de rechterzijde van de weg. In de situatie dat een graafmachine een kabel compleet doormidden snijdt, ontstaat er een driefasig kortsluiting. Door de parallelle verbinding kan de sluiting van twee kanten gevoed worden. *1,65 *1,65 ) ) ) 1,3s)(! 00,35 1,35)(I ;)(1,3s I I I > P _ > sluiting sluiting :' _ ' ' i F * ' 1s><i d><1s is)(+ff +ìr ><1s Figuur 4.1 Parallelle kabelverbinding De parallelle kabels moeten op dezelfde uitschakeltijden zijn ingesteld. In de praktijk zal er altijd één van de twee kabels als eerste afschakelen. In de situatie weergegeven in het meest linkse plaatje van Figuur 4.1 kan dat inhouden dat de linkerschakelaar, met instelling 1 seconde, als eerste uitschakelt. Vervolgens zal de rechterschakelaar, met instelling 1,3 seconde, uitschakelen. Hierdoor zijn zowel de linker als de rechterkabel afgeschakeld. Om zeker te stellen dat dejuiste schakelaar de stroom zal afschakelen moeten we naast de grootte van de stroom ook de richting van de stroom meten. Komt de stroomrichting overeen met de instelling op de beveiliging, dan kan de schakelaar worden vrijgegeven voor het uitschakelen van de stroom. Deze situatie is weergegeven in het meest rechtse plaatje van Figuur 4.1. Hierin geven de pijlen de stroomrichting weer waarbij mag worden uitgeschakeld. Het meten van de stroomrichting gebeurt door het meten van de hoek tussen spanning en stroom (cos (p). Is de hoek groter dan 90 graden dan is de stroomrichting negatief en zal de uitschakeling worden geblokkeerd. De meting van de stroomrichting wordt bemoeilijkt doordat de spanning dichtbij de sluiting nagenoeg tot nul is gedaald. Toch werkt dit type beveiliging redelijk nauwkeurig. Voor het meten van de stroomrichting is spanning nodig. Daarom is bij dit type beveiliging, spanningstransformatoren nodig. Spanningstransformatoren zijn kostbaar. Hierdoor wordt energierichtingsbeveiliging een relaticfdure beveiliging.
4.2 Differentiaalbeveiliging Een andere veel voorkomende manier om parallelle objecten te beveiligen is met behulp van een differentiaalbeveiliging. Bij dit beveiligingssysteem worden de meetwaarden aan beide zijden van het te beveiligen object met elkaar vergeleken. Voorwaarde is dat deze meetwaarden van de eindpunten van het te beveiligen traject beschikbaar zijn. Dit systeem wordt veel toegepast voor de beveiliging van transformatoren, generatoren en kabelverbindingen. Als alles in orde is reageert een differentiaalbeveiliging niet op fouten buiten het beveiligde traject en kan ook niet fungeren als reservebeveiliging voor andere beveiligingen. Men zegt dan ook wel: een differentiaalbeveiliging is een object-beveiliging en werkt autonoom (zelfstandig). Dat houdt in dat de differentiaalbeveiliging niet meedoet in een totaalschema van verschillende beveiligingen (selectiviteitsdiagram). Figuur 4.2 Differentiaalbeveiliging van een kabeltraject In de foutsituatie zoals weergegeven in Figuur 4.2 keert bij schakelaar 52 de stroomrichting om door de kabelfout. Hierdoor signaleert de differentiaalbeveiliging een verschil en geeft een uitschakelcomrnando aan schakelaar 52 en 54. Om de inkomende en uitgaande waarden te kunnen vergelijken moeten de gemeten waarden doorgegeven worden aan het relais. In de klassieke situatie wordt dat gedaan door gebruik te maken van een kabel met signaaldraden die mee wordt gelegd in het kabeltracé. Wordt deze signaalkabel ook doorgesneden door bijvoorbeeld een graafmachine, dan moeten beide schakelaars SZ en S4 toch afschakelen. Tegenwoordig wordt de communicatie tussen inkomende en uitgaande veld ook op andere manieren uitgevoerd. Soms via een netwerkverbinding, soms via een GSM-verbinding. De GSM verbindingen blijken in de praktijk nogal eens last te hebben van storingen waardoor de betrouwbaarheid minder is. 10'
4.4 Tra nsformator-differentiaal Om bij een transformator de primaire en de secundaire stroom met elkaar te kunnen vergelijken moet men rekening houden met de overzetverhouding en het klokgetal van de transformator. Als voorbeeld een YD5 trafo van 150 kv naar 10 kv: De overzetverhouding is 150/10215. Dat houdt in dat de secundaire stroom door een factor 15 moet worden gedeeld om vergelijkbaar te zijn met de primaire stroom. De trafo heeft een klokgetal van 5. Dat houdt in dat primaire en secundaire stroom ook nog eens 5X30 verschoven ZIJI L Dit werd in de klassieke situatie gecorrigeerd door gebruik te maken van een tussentrafo met klokgetal 7 (12527). Dit was uiteraard een zeer kleine trafo, vaak met een vermogen van 100 VA ofminder. Tegenwoordig is het een kwestie van instellen op het differentiaalrelais zowel wat betreft de overzetverhouding als het klokgetal en zijn geen externe tussentransformatoren meer nodig. éénlasige tussensiroomf transformatoren aanpaas;ng aan klokgalal en wanen na Yd5 Figuur 4.3 Voorbeeld van een differentiaalbeveiliging voor een transformator van het type Yd5 11
Aardfoutmelding en beveiliging 5.1 Open driehoek schakeling in een gecompenseerd net of een het waarbij het sterpunt niet met aarde is verbonden, zal een aardfout niet tot afschakeling leiden. Toch moet men deze aardfout opsporen en het defecte installatiedeel repareren. Een veel gebruikte methode is gebruik maken van de sterpuntsverschniving die optreedt bij een éénfasige aardfout. Hiertoe wordt een extra wikkeling aangebracht op de spanningstransfortnatoren. Deze wikkeling wordt in driehoek geschakeld en er wordt een spanningsrelais op aangesloten. îu) ogij Primaire & : _3 wi4kelmg ; lmv Seeiineaire ;.3 wlkkellril; i ;. «l_! «. MV : TEI JBWE» 3 wikkeling 5? spanningsrelaxs Dempingscircail _ Î lvmvuor<omerl FERRORESONANTIE ; Figuur 5.1 Figuur 5.2 Men kiest de spanning van de tertiaire wikkeling van de spanningtransformator 100/3 V. Bij een aardfout in één van de fasen ontstaat nu over de open zijde van de schakeling 100V. Het spanningrelais stelt men in op ongeveer 30 V. Een dergelijk systeem meldt elke aardfout in een netdeel dat galvanisch met de spanningtransformatoren is verbonden en is dus niet selectief. Om de foutplaats te lokaliseren moet men netdelen af- en bijschakelen. Bij een bepaalde verhouding tussen de zelfinductie en de capaciteit (I./C) van het net kan tijdens deze schakelhandelingen Ferro resonantie ontstaan. Door de resonantie (opslingering van de spanning) kunnen de spanningstrafo s exploderen. Door een dempingscircuit van een weerstand en een zelfinductie (spoel) aan te brengen op de tertiaire wikkeling wordt de kans op Ferro resonantie nagenoeg tot nul gereduceerd. 12
5.2 Core balance schakeling Men kan ook om de drieaderige kabel een ringstroomtransformator plaatsen. In het aangesloten stroomrelais vloeit de som van de capacitieve laadstromen van het betreffende netdeel. Bij bedrijf zonder aardfout is deze som nul. Bij een aardfout in het betreffende netdeel zal deze som ongelijk aan nul worden en op deze Wijze het aangesloten stroomrelais laten aanspreken. Dit kan leiden tot een melding of tot afschakeling van het foute netdeel leiden. AI ii-ai < 2 =0Ê ( > 21>m AI Figuur 5.3 Core balance schakeling: links foutieve aansluiting, rechts correcte aansluiting Het is essentieel dat het aardscherm van de kabel wordt aangesloten onder de ringkern. Lukt dat niet, moet de aardverbinding door de kern terug worden gevoerd om te zorgen dat er in geval van een aardfout een resulterende foutstroom ontstaat. In het linker deel van Figuur 5.3 is te zien dat in geval van een aardschermaansluiting boven de tingkern de aardfoutstroom door de ringkern wordt gevoerd. Hierdoor wordt de som van de stromen weer nul, ondanks dat er een aardfout is. Door het terugvoeren van de aardverbinding door de kern wordt de foutstroom geneutraliseerd en zal de aardfout wel gedetecteerd worden. 13
Dista ntiebeveiliging Een groot nadeel van de maximaal stroom-tijd beveiliging is dat de uitschakeltijden oplopen naarmate men dichter bij de voeding komt (zie Figuur 6.1). Dit heeft consequenties voor de doorsnedes van de voedingskabels. Doordat de uitschakeltijden langer worden moeten de doorsnedes van de kabels in verband met de kortsluitvastheid groter worden. Verder wordt de schade op de foutplaats groter naarmate het langer duurt voordat de fout wordt afgeschakeld. Hier tegenover staan de eenvoud en de lage kosten van de beveiliging. % Voed Sectle1 Sectie 2 ' ' ""s e/eiië'à/ ' isë'ct'iè'fiê g 1 o 1 o % 1 Q 1 o _ \/n / r\ \1f'\ \/ r'\ ; /\ /\ /\ /\ ; '. % 1,2 5 0,9 5 0,6 3 0,3 s Figuur 6.1 Selectiviteit met betrekking tot maximum stroom tijd relais Door de afstand tot de fout te meten kan de afschakeltijd worden bekort. lioe korter de afstand tot de fout, hoe korter de afschakeltijd. [ let meten van de afstand tot de fout kan door het meten van de weerstand (impedantie) tot de fout. De impedantie wordt bepaald door de spanning te delen op de stroom. Hoe groter de impedantie, hoe verder weg de fout is. In Figuur 6.2 is een traject weergegeven dat door dit type beveiliging is beveiligd. Deze vorm van beveiliging wordt distantie beveiliging of impedantie beveiliging genoemd. Alhoewel het principe redelijk eenvoudig is uit te leggen behoort deze beveiliging tot de meest complexe beveiligingen die er zijn en wordt alleen toegepast op zeer belangrijke trajecten.. suectie 3... "âèéiie 1 * Sectie 72 sèëìiëì &.. % & 1 i Voedmg Ê 1 Q 1 Q 1 Q 1 Q @ X A X >< % A A A A : % 'Ï 0-10 à 0,0 sec 0-10 à 0,0 sec, 0-10 à 0.0 sec: 0-10 à 0,0 sec Ë 1-20 à 0,3 sec 1-ZQ à 0,3 sec 1-20 à 0,3 sec Hier kan ook een 2-3Q à 0,6 sec 2-39 à 0,6 sec I t relais worden } 3-4Q à 0,9 sec toegepast ; Figuur 6.2 Selettivìteit met behqu van distantie beveiliging Verklaring werkingsprincipe distantiebeveiliging In Figuur 6.2 is een traject weergegeven wat door distantiebeveiligìng is beveiligd. Elke onderdeel van het traject(sectie) heeft in dit voorbeeld een impedantie van 1 ohm. In werkelijkheid is dit natuurlijk afhankelijk van lengte, doorsnede en materiaal van de kabel. Als in sectie 1 een sluiting optreedt, meet het distantierelais Zl een impedantie tussen 0 ohm (heel dichtbij) en 1 ohm (aan het einde van de sectie). Er wordt dan direct uitgeschakeld in 0 sec. Als er een fout optreedt in sectie 2 zal ZZ een impedantie meten tussen 0 en 1 ohm. Z1 meet dan een impedantie tussen 1 en 2 ohm. Als ZZ niet direct uitschakeld, zal 21 uitschakelen na 0,3 sec. 21 is dus de backup van 22. De impedantiemeting is door de aanwezigheid van de lichtboogweerstand niet exact. Bij een sluiting dicht bij een station zou dit tot foute uitschakelingen kunnen leiden. Om dit te 14
\_/ voorkomen legt men de overgang naar de volgende meettrap ongeveer 15% voor het: einde van het traject.
Hulpvoeding Bijna alle beveiligingsystemen hebben een hulpspanning nodig om ook in geval van het wegvallen van de netspanning te kunnen blijven functioneren. Het onder alle omstandigheden aanwezig zijn van deze hulpspanning is essentieel voor het functioneren van het systeem. Dit maakt de opstelling van een accubatterij met laadmogelijkheid noodzakelijk. Ook zal het wegvallen van een hulpvoeding door middel van een melding kenbaar gemaakt moeten worden. Accubatterijen hebben periodiek onderhoud nodig, al was het alleen maar het periodiek vaststellen van de laadcapaciteit van de accubatterij, wat dient te gebeuren door een langdurige ontlaadproef. Bij eenvoudige beveiligingen wordt de energie voor het relais en de uitschakeling van de schakelaar soms uit de stroomtransformatoren gehaald (stroomuitschakeling). Dit principe is al heel oud maar wordt nog steeds toegepast (WlCrelais). Elektronische beveiligingsmiddelen worden vaak gevoed met 24 V gelijkspanning als hulpspanning. Voor elektromechanische beveiligingsrelaìs kan men kiezen uit een gebied van 24 V tot 250 V. De lage spanning van 24 V geeft bij uitgestrekte installaties snel problemen met spanningsverlies, terwijl bij installaties in een chemisch agressieve omgeving contactproblemen kunnen optreden. Een veel toegepaste hulpspanning is 110 V. 16
8. Opgaven 1. Omschrijf twee methoden om parallel geschakelde kabels te beveiligen. Licht het antwoord toe met een tekening. 2. Noem twee methoden voor het detecteren van aardfouten in een zwevend net. 3. Wat is het nadeel van het toepassen van OMT relais bij het beveiligen van een aantal in serie geschakelde stations? 4. Een 10 MVA 50/10 kv transformator wordt met welke beveiliging tegen interne fouten beschermd? 5. Geef twee verschillende methoden om een transformator tegen overbelasten te beveiligen.