Ontwerp en beheer S-net met Vision Beveiligingen 09-013 pmo Arnhem, 21 januari 2009 Auteurs: P.. van Oirsouw, A.D. Proem
2 09-013 pmo Phase to Phase BV, Arnhem, Nederland. Alle rechten voorbehouden. Dit document bevat vertrouwelijke informatie. Overdracht van de informatie aan derden zonder schriftelijke toestemming van of namens Phase to Phase BV is verboden. Hetzelfde geldt voor het kopiëren van het document of een gedeelte daarvan. Phase to Phase BV is niet aansprakelijk voor enige directe, indirecte, bijkomstige of gevolgschade ontstaan door of bij het gebruik van de informatie of gegevens uit dit document, of door de onmogelijkheid die informatie of gegevens te gebruiken.
3 09-013 pmo INHOUD 1 Beveiligingstoestellen... 5 1.1 Het doel van beveiligen... 5 1.2 Beveiligingsrelais... 6 1.2.1 Algemeen... 6 1.2.2 Elektromechanische relais... 6 1.2.3 Statische relais... 7 1.2.4 Stroomtransformatoren voor beveiliging... 7 1.3 Beveiligingsprincipes... 8 1.3.1 aximum stroom-tijd beveiliging... 8 1.3.2 Onafhankelijk maximum stroom-tijd beveiliging... 8 1.3.3 Afhankelijk maximum stroom-tijdbeveiliging...10 1.3.4 aximum stroom-tijd richtingrelais... 11 1.4 Smeltveiligheden voor middenspanning... 12 1.4.1 Functies en soorten smeltveiligheid... 12 1.4.2 Toepassingen van smeltveiligheden in de middenspanning... 12 1.5 Selectiviteit... 14 1.5.1 De begrippen stroomselectief en tijdselectief... 14 1.5.2 Selectiviteit bij S-smeltveiligheden... 15 1.6 Onderhoud en beproeving van beveiligingstoestellen... 16 1.6.1 Controleren van smeltveiligheden... 16 1.7 Het uitlezen van een storing... 17 1.7.1 Niet-zelfherstellende agnefix storingsverklikker... 17 2 Beveiligingen met Vision... 18 2.1 Typen relais... 20 2.1.1 aximaal stroom/tijd... 20 2.1.2 Kortsluitrichting... 23 2.1.3 Aardfout... 26 2.1.4 Over-/onderspanning... 26 2.1.5 Distantie: impedantierelais...27 2.1.6 Distantierelais: diagrammen... 28 2.1.7 Distantierelais: aardfouten... 29 2.1.8 ho-relais... 30 2.1.9 Polygoon-relais... 31 2.1.10 Differentiaalbeveiliging... 31 2.1.11 eeneemschakeling... 32 2.2 Berekeningen... 32 2.2.1 Overzicht... 33 2.2.2 Simulatie... 34 2.2.3 Simulatie - Resultaten... 35 2.2.4 Selectiviteit... 35 2.2.5 Selectiviteit - Resultaten... 36 3 Voorbeeld selectiviteit in een distributienet... 37
4 09-013 pmo 4 Voorbeeld selectiviteit in een industrienet... 41 4.1 Loadflow... 43 4.2 Toevoegen schakelaars... 46 4.3 Testen selectiviteit... 51 4.4 Analyse met behulp van simulatie... 53 5 Samenvatting... 57
5 09-013 pmo 1 BEVEILIGINGSTOESTELLEN 1.1 Het doel van beveiligen Een beveiligingstoestel is in staat is om een abnormale bedrijfssituatie te onderscheiden van een normale bedrijfssituatie en deze zonodig opheft. Relais bepalen aan de hand van de signalen die zij ontvangen van de stroom- en spannings-transformatoren of er sprake is van een abnormale bedrijfsituatie. Is dat het geval dan geven zij een uitschakelcommando aan de schakelaar, waarna deze voor de onderbreking van de stroom zorgt. Een abnormale bedrijfssituatie is niet alleen een toestand waarbij sprake is van een kortsluiting maar ook één met overbelasting (van een kabel, transformator, motor enz.), verkeerde energierichting (sluiting in een parallelkabel), te lage netspanning (motoren stoppen dan of willen niet aanlopen), te hoge netspanning (aangesloten apparatuur kan daardoor isolatiedefecten gaan vertónen), te lage of te hoge frequentie (transformatoren geven dan aan secundaire zijde niet meer de juiste spanning). Overbelastingsbeveiliging, energierichtingbeveiliging, minimum spanningsbeveiliging e.d. zijn in principe bedoeld om het aangesloten elektrisch materieel te beschermen. Het elektriciteitsnet dat deze apparatuur voedt, zal er in het algemeen geen probleem mee hebben om een overbelaste transformator of motor al dan niet bij een te lage spanning te voeden. Laat men deze abnormale bedrijfssituaties voortbestaan, dan zullen deze uiteindelijk ontaarden in een kortsluiting. Het aangesloten apparaat is dan defect; er gaan grote stromen lopen in het elektriciteitsnet die uiteindelijk tot oververhitting van kabels, transformator en schakelaars kunnen leiden, waardoor ook deze defect raken. Er wordt dus beveiligd om schade aan elektrisch materieel te voorkomen en om de schade op de foutplaats zelf te beperken en schade aan andere netdelen te voorkomen. Beveiligingssystemen worden ook toegepast in verband met de veiligheid van personen. Ze dienen gevaarlijke situaties zoals hoge aanraakspanningen en lichtbogen zoveel mogelijk te voorkomen danwel de tijdsduur ervan te beperken. In een elektriciteitsdistributienet kan niet worden volstaan met één beveiligingstoestel. In de praktijk komen er in de keten van centrale naar gebruiker tientallen beveiligingstoestellen voor. Door het toepassen van meerdere beveiligingstoestellen in serie is wordt het aantal verbruikers dat door een storing spanningsloos beperkt. Sommige redenen om te beveiligen zijn strijdig: persoonlijke veiligheid vraagt om snelle afschakeling van de fout, het voorkomen van onderbreking in de elektriciteitslevering vraagt om selectieve afschakeling. Selectiviteit wordt veelal bereikt door tijdvertraging bij afschakelen. Kortsluiting kan ontstaan ten gevolge van overbelasting. Andere oorzaken zijn elektrische doorslag of overslag, veroudering of vervuiling van isolatie, mechanische beschadiging, werking van de bodem en atmosferische omstandigheden. De instelling van de beveiliging wordt bepaald door de eigenschappen van de netcomponenten met betrekking tot overbelasting en kortsluiting. Voor GPLK- en XLPE-kabels zijn in hoofdstuk 1 van de cursus tabellen opgenomen met de in te stellen waarden voor overbelasting.
6 09-013 pmo 1.2 Beveiligingsrelais 1.2.1 ALGEEEN Beveiligingssystemen kunnen verschillende elektrische grootheden bewaken. Dit kan een enkele grootheid zijn, zoals spanning, stroom en frequentie.. Combinaties komen echter ook veelvuldig voor, zoals: De som of het verschil (asymmetriebeveiliging of differentiaalbeveiliging) Het product (vermogensbeveiliging of energierichtingsbeveiliging). Het quotiënt (impedantiemeting bij distantiebeveiliging). Afhankelijk van de grootheid die gemeten moet worden zijn verschillende soorten beveiligingsrelais nodig. Zo'n beveiligingsrelais is opgebouwd uit drie basiselementen. Een element om te meten Een element om te vergelijken Een element om een uitschakelcommando te verzorgen. Het meetelement zorgt voor een omzetting van de primair gemeten grootheid in een signaalsoort en een signaalwaarde, die in het vergelijkingselement van het beveiligingscircuit vergeleken worden. In het vergelijkingselement worden de gemeten waarden vergeleken met de ingestelde waarde(-n). Bij overschrijding van één waarde, of een combinatie van ingestelde waarden, wordt door het uitschakelelement een uitschakelcommando gegeven. Beveiligingsrelais worden - los van hun meetfunctie - in twee hoofdsoorten ingedeeld. Elektromechanische relais (primaire en secundaire relais) ; Statische relais (analoge relais en microprocessor-gestuurde relais). 1.2.2 ELEKTROECHANISCHE RELAIS Elektromechanische relais zijn meestal robuust uitgevoerd. Ze bevatten een aantal onderdelen - zoals ankers, ferrarisschijven, kleine synchroonmotoren of draaispoelrelais - die bewegen door de invloed van magnetische velden. Elektromechanische relais worden gebruikt in het primaire en secundaire circuit. Primair beveiligingsrelais Het primair beveiligingsrelais is een relais dat eenvoudige beveiligingstaken verricht, zoals bijvoorbeeld het bewaken van de maximumstroomtijd, al dan niet gecombineerd met een thermische functie. Het relais is opgenomen primaire circuit bij de hoogspanningsschakelaar. De energie voor het functioneren van het relais wordt rechtstreeks betrokken uit de hoogspanning. Secundair beveiligingsrelais Een veelvuldig toegepast relais is het secundair beveiligingsrelais. Dit relais wordt in de meeste gevallen aangesloten op meettransformatoren (stroom en/of spanningstransformatoren). Deze meettransformatoren zorgen voor een reductie van hoge spanningen en grote stromen naar standaardwaarden, die gebruikt kunnen worden als ingangsignaal voor de verschillende beveiligingssystemen. De meettransformatoren zorgen tevens voor een scheiding tussen de primaire installatie met hoge spanning en de op laagspanningsniveau werkende, secundaire beveiligingscircuits.
7 09-013 pmo eettransformatoren moeten voldoen aan specifieke eisen, bijvoorbeeld ten aanzien van isolatieniveau en verzadiging. De nauwkeurigheidseisen zijn daarbij relatief hoog. Het secundaire relais heeft voor zijn functioneren hulpenergie nodig. 1.2.3 STATISCHE RELAIS Statische relais zijn elektronische beveiligingsrelais; de meetgrootheden worden omgezet in een signaal van een zodanige soort en grootte, dat het verwerkbaar is door het elektronische deel van het relais. Statisch analoog relais In dit relais worden de grootheden stroom en/of spanning omgezet in een analoog mv-signaal en daarna (meestal) gelijkgericht. Het zo verkregen signaal wordt door een elektronische schakeling verwerkt en vervolgens aan het vergelijkingsorgaan of de detectieschakeling toegevoerd, waarna het zo nodig een uitschakelcommando verzorgt. Dit type relais heeft eveneens hulpenergie nodig. icroprocessorrelais Het microprocessorrelais verschilt met de andere relais doordat de ingangsgegevens, zoals stroom en spanning, worden omgezet in digitale grootheden. De processor berekent vervolgens of er een overschrijding plaatsvindt van de maximale of minimale grenswaarde, waarna eventueel een uitschakelcommando volgt. 1.2.4 STROOTRANSFORATOREN VOOR BEVEILIGING Stroomtransformatoren voor de beveiliging kan men herkennen aan de aanduiding P (protection), bijvoorbeeld 5P20. Dit betekent een de totale nauwkeurigheid van 5% is en een overstroomfactor 20. De overstroomfactor is de verhouding van de primaire kortsluitstroom en de primaire nominale stroom van de stroomtransformator. De overstroomfactor geldt bij nominale vermogen van de stroomtransformator. De belasting (Diuts: Bürde) van een stroomtransformator wordt gevormd door het beveiligingstoestel en het verlies in de meetleidingen (2 x I2 RL). Doorgaans bedraagt het nominale vermogen van een stroomtransformator 15 à 20 VA. Is de belasting lager dan nominaal dan neemt de overstroomfactor toe. Dit is meestal hetgeval bij statische relais. Deze hebben een relatief laag eigen verbruik. Zoals algemeen bekend bij stroomtransformatoren moet men niet aangesloten secundaire klemmen kortsluiten. Dit ter voorkoming van verbranding.
8 09-013 pmo 1.3 Beveiligingsprincipes Hierna komen de meest voorkomende beveiligingspricipes aan de orde met hun specifieke eigenschappen, namelijk de maximum stroom-tijd beveiliging (onafhankelijk en afhankelijk), maximum stroom-tijd richting beveiliging en smeltveiligheden. 1.3.1 AXIU STROO-TIJD BEVEILIGING De maximum stroom-tijd beveiliging, waarvan we in deze paragraaf alleen de functies bespreken, behoort tot de meest gebruikte principes in de beveiligingstechniek. Het bewaakt de maximaal toelaatbare stroom in delen van elektrische energienetten. Bij een overstroom, die de maximaal toelaatbare stroom van het te beveiligen net overschrijdt, zal de beveiliging uitschakelen. Een overstroom kan onder andere veroorzaakt worden door: Overbelasting Kortsluiting Inschakelverschijnsel (een grote overbelasting van zeer korte duur). Het net, kabels, lijnen, transformatoren, enz. kunnen tegen deze verschijnselen beschermd worden door twee soorten maximumstroomtijdbeveiliging: Beveiliging met onafhankelijke maximum stroom-tijd relais, kortweg OTrelais Beveiliging met afhankelijk maximum stroom-tijd relais, oftewel AT-relais. 1.3.2 ONAFHANKELIJK AXIU STROO-TIJD BEVEILIGING De onafhankelijk maximum stroom-tijd beveiliging geeft een uitschakelcommando aan een vermogenschakelaar van het te beveiligen net wanneer het ingangssignaal van het relais de ingestelde grenswaarde overschrijdt (de gemeten waarde is dus groter dan de ingestelde waarde) én de tijdsduur van de overschrijding groter is dan de op het beveiligingsrelais ingestelde tijd. Zie ook figuur 18. Daalt het ingangssignaal onder de ingestelde grenswaarde voordat de ingestelde tijd is verlopen, dan valt het relais terug in zijn normaalpositie en volgt er geen uitschakelcommando. Het relais geeft wel een indicatie dat het is aangesproken.
9 09-013 pmo Figuur 18 Uitschakelkarakteristiek van het onafhankelijk maximumstroom-tijdrelais De uitschakeltijd is onafhankelijk van de grootte van de stroom. De meeste onafhankelijke maximum stroomtijdrelais hebben de mogelijkheid tot instelling van één of meer stroomgrenzen met bijbehorende kortere uitschakeltijden.veelal hebben de relais ook een instelmogelijkheid voor een stroomgrenswaarde, die tot directe uitschakeling leidt. De uitschakeltijd is dan gelijk aan de traagheid van het relais en vermogenschakelaar. Doel hiervan is het beperken van de schade bij grote kortsluitstromen. Figuur 18 geeft de karakteristiek van het onafhankelijk maximum stroomtijdrelais, waarin de ingestelde stroomwaarde is aangegeven met I S (de letter s komt van setpointwaarde van de stroom) en de uitschakeltijd met t o. Waar verder bij dit type relais nog op gewezen moet worden is de afval/opkomverhouding. Deze verhouding wordt ook wel terugvalverhouding genoemd. Voor elektronische en microprocessor gestuurde relais ligt deze verhouding op een waarde van < 0,95 * I NO. Bij elektromechanische relais vaak pas op een waarde van 0,8 of 0,85 * I NO.
10 09-013 pmo 1.3.3 AFHANKELIJK AXIU STROO-TIJDBEVEILIGING Bij dit type beveiliging is de uitschakeltijd afhankelijk van de stroomsterkte: hoe groter de stroom, hoe sneller afschakeling volgt. Zie figuur 19. Ook de smeltveiligheid heeft deze eigenschap. Het bij deze beveiliging gebruikte AT-relais heeft ook een afval-opkomverhouding. Het grote voordeel van beveiliging met afhankelijke maximumstroom-tijdrelais is, dat door het snelle afschakelen bij grote stromen de installatie beter beveiligd wordt tegen grote kortsluitstromen. Een nadeel is echter, dat het relais meestal temperatuur afhankelijk is. Bovendien kan de belastingstroom bij lage kortsluitstromen de werking beïnvloeden (voorbelasting). Ook de selectiviteit tussen voor of nageschakelde beveiligingstoestellen is problematischer. Figuur 19 Uitschakelkarakteristiek van een begrensd-afhankelijk relais De instelling van een AT- relais wordt vaak als het volgt opgegeven: 0, 3 s bij 10 * I NO. Het uitschakelkarakter van dit relais maakt het zeer geschikt voor het beschermen van motoren, transformatoren en kabels tegen de schadelijke gevolgen van een te hoge temperatuur.
11 09-013 pmo 1.3.4 AXIU STROO-TIJD RICHTINGRELAIS In principe bestaat deze beveiliging uit een combinatie van een maximum stroomtijdrelais en een richtingrelais. Het maximum stroomtijdrelais kan onafhankelijk of afhankelijk zijn. Het maximum stroomtijdrelais bepaalt of de stroom boven de ingestelde waarde ligt en bepaalt het moment waarop een eventuele uitschakeling plaatsvindt. Het richtingsrelais bepaalt aan de hand van de stroom en de spanning wat de richting van de stroom is. Als de stroomvector zich in de verboden zone bevindt ( > +120 of >-60, bij U-vector 90), geeft het richtingsrelais het uit-commando van het maximum stroomtijdrelais door en geeft het maximum stroom-tijd relais een uitschakelcommando. Zie figuur 20. Is de stroom in de blokkeerrichting, bijvoorbeeld een doorgaande kortsluitstroom, dan verhindert het richtingsrelais dat het maximum stroomtijdrelais een uitschakelcommando geeft U F I (niet OK) I (OK) links van streeplijn is verboden zone rechts van streeplijn is blokkeerrichting Figuur 20 Verboden zone en blokkeerrichting max. ER-relais
12 09-013 pmo 1.4 Smeltveiligheden voor middenspanning Behalve relais wordt bij het beveiligen van elektrische middenspanningsinstallaties of delen daarvan veelvuldig gebruik gemaakt van smeltveiligheden. In deze paragraaf volgt het een en ander over de technische constructie en de eigenschappen van smeltveiligheden, waarbij aandacht wordt besteed aan het gedrag van smeltveiligheden in overbelastings- en kortsluitingssituaties, de verschillende toepassingsgebieden met hun specifieke problemen en de verschillende categorieën van smeltveiligheden, die binnen die toepassingsgebieden bestaan. 1.4.1 FUNCTIES EN SOORTEN SELTVEILIGHEID Smeltveiligheden zijn in het algemeen zeer geschikt voor het afschakelen van kortsluitstromen. Daarnaast moet een smeltveiligheid de volgende eigenschappen beziten. Continu de nominale stroom kunnen geleiden met minimale energieverliezen Regelmatige en kortstondige overbelastingen ten gevolge van het inschakelen van apparatuur kunnen verdragen. De boogenergie moet verwerkt worden zonder dat daarbij de smeltveiligheid beschadigd. Overbelastingsstromen kunnen onderbreken zonder dat daarbij de smeltveiligheid uitwendig wordt beschadigd; Bij kortsluitingen voldoende stroombegrenzend zijn. Smeltveiligheden in de middenspanning kunnen in drie functionele categorieën worden ingedeeld: Full Range, General Purpose en Back Up. Full Range De Full Range-smeltveiligheid kan - onder gespecificeerde omstandigheden en gebruik - alle stromen onderbreken waarbij doorsmelten plaats vindt. General Purpose De General Purpose-smeltveiligheid kan - onder gespecificeerde omstandig heden en gebruik - alle stromen onderbreken vanaf de nominale kortsluitstroom tot en met de stroom die de smeltveiligheid in één uur doet doorsmelten. Back Up De Back Up-smeltveiligheid kan - onder gespecificeerde omstandigheden en gebruik - alle stromen onderbreken vanaf de nominale kortsluitstroom tot en met de minimum onderbrekingsstroom. 1.4.2 TOEPASSINGEN VAN SELTVEILIGHEDEN IN DE IDDENSPANNING Smeltveiligheden worden het meest toegepast als kortsluitbeveiliging bij energietransformatoren en soms voor beveiliging van uitlopers in het 10 kv-net. Dit is economisch aantrekkelijker dan de toepassing van vermogenschakelaars. Bovendien vragen smeltveiligheden minder ruimte. Bij het kiezen van de juiste smeltveiligheid moet rekening worden gehouden met de inrush-stroom die optreedt bij het inschakelen van de transformator. In de praktijk zal men daarom de waarde van de smeltveiligheid op 1,5 tot 2,5 maal de nominate waarde van de transformatorstroom kiezen. Smeltveiligheden aan de hoog- en laagspanningszijde dienen selectief te zijn. Bij motoren worden de smeltveiligheden door de aanloopstromen vaak ontoelaatbaar belast. Een ongewenste afschakeling tijdens het aanlopen kan hiervan -het
13 09-013 pmo gevolg zijn. Een en ander kan worden voorkomen door een smeltveiligheid te kiezen, waarvan de smeltstroom groter is dan de aanloopstroom. Tevens zijn de factoren aanlooptijd en het aantal inschakelingen per tijdseenheid van belang. Worden smeltveiligheden toepast in een zwevend net, dan zal er in het geval van een aardfout een aardfoutstroom gaan lopen, waarvan de grootte wordt bepaald door de capaciteit van het net. Samen met de belastingstroom kan de stroom door de smeltveiligheid dan een waarde bereiken die ligt tussen de IC en IBC. Stromen tussen deze twee waarden bevinden zich in het gebied waarbinnen de afschakeling onzeker is bij General Purpose en Back-up smeltveiligheden. Is er een gerede kans op het voorkomen van deze omstandigheid, dan zullen Full Range smeltveiligheden moeten worden toegepast of een andere oplossing gezocht worden met bijvoorbeeld een vermogenschakelaar. In het gebied tussen de nominale- en de minimum smeltstroom kunnen de stromen door een smeltveiligheid moeilijk worden geblust, waardoor zich een sterke warmteontwikkeling voordoet. Het gevaar hierbij bestaat, dat zich in de smeltveiligheid te veel warmte ontwikkeld. Hierbij levert de kans op explosie van de smeltveiligheid een reëel gevaar op met betrekking tot zelfontbranding van de installatie, waarin die smeltveiligheid is opgenomen. Dit komt in de praktijk af en toe voor. Behalve de Full-range patronen zijn S-smeltveiligheden in het algemeen minder geschikt als overbelastingsbeveiliging en beter geschikt als kortsluitbeveiliging
14 09-013 pmo 1.5 Selectiviteit Wanneer zich in een installatie een storing voordoet, moet een zo klein mogelijk deel van de installatie afgeschakeld worden. Deze eis impliceert, dat beveiligingstoestellen welke in eenzelfde installatiedeel in serie staan, zó moeten zijn gekozen, dat er tussen die beveiligingstoestellen een goede onderlinge selectiviteit bestaat. et andere woorden: alleen het beveiligingstoestel dat zich het dichtst bij de foutplaats bevindt zal de afschakeling moeten verzorgen. 1.5.1 DE BEGRIPPEN STROOSELECTIEF EN TIJDSELECTIEF Een installatie kan stroomselectief zijn of tijdselectief. De selectiviteit zoals die in huisinstallaties voorkomt, is algemeen bekend. De hoofdsmeltveiligheid of automaat is selectief ten opzichte van de smeltveiligheden of automaten in de eindgroepen. Dit is een voorbeeld van stroomselectiviteit. Om het begrip tijdselectiviteit te verduidelijken stellen we, dat tussen een voedingspunt en een belasting een aantal beveiligingstoestellen zijn opgenomen. Treedt er bij de belasting aan het einde van een richting een overstroom op, dan zal de achterste VS 3 het eerst uitschakelen. Het voorliggende netdeel blijft onder spanning. De vermogenschakelaar met de kortste uitschakeltijd schakelt het eerst af. Er is dan sprake van tijdselectiviteit. Het verschil tussen de uitschakeltijd van twee opeenvolgende beveiligingstoestellen noemt men tijdstaffeling. In dit voorbeeld bedraagt de tijdstaffeling 0,4 s. Bij een te lage waarde is de tijdselectiviteit niet gewaarborgd.
15 09-013 pmo 1.5.2 SELECTIVITEIT BIJ S-SELTVEILIGHEDEN Bij de beoordeling van de selectiviteit van S-patronen moet men de beveiligingstoestellen hoger en lager in het net beschouwen en de inrush-stroom van de te beveiligen transformator. In figuur 26 is een 10 kv-net getekend met daarin een aftakking naar een transformator. De transformator is primair en secundair met smeltpatronen beveiligd. Het laagspanningsnet is eveneens met smeltpatronen beveiligd. De S-ringkabel is beveiligd met vermogenschakelaars, voorzien van onafhankelijk maximaal I-t relais. Uiteraard dient de beveiligingen stroomopwaarts selectief te zijn. In figuur 26 is een netsituatie weergegeven, met daarin de instelling van de S-beveiligingen en de waarden van de zekeringen. Dit is uitgevoerd met het submenu Extra Beveiligingen van Vision. V A-rail Voorbeeld 300 A 360 A 1,2 sec: 360/1,2 3000 m 3*240 AL GPLK 8/10 Voorbeeld 300 A 360 A 1,2 sec: 360/1,2 3000 m 3*240 AL GPLK 8/10 VDS Voorbeeld 300 A 300 A 0,9 sec: 300/0,9 1000 m 3* 95 AL GPLK 8/10 RU Bus.man(10kV) 63 Jean A uller 1000 A gl/gg 118/1000; 1550/0,01968/1000; 26269/0,01 630 10750/420 5j trap: 3 HV Jean uller 315 A gl/gg 635/1000; 7319/0,01 OV 1000 Uitschakelkarakteristieken stroombeveiligingen 100 10 t (s) 1 0,1 0,01 100 1000 10000 100000 I (A) bij 0,4 kv Figuur 26 Selectiviteit beveligingen S-LS-net
16 09-013 pmo 1.6 Onderhoud en beproeving van beveiligingstoestellen Door een periodieke controle van de beveiligingstoestellen en hulpapparatuur kan de betrouwbaarheid daarvan aanzienlijk worden verhoogd. De interval waarmee dit moet gebeuren, is sterk afhankelijk van de belangrijkheid van de beveiligingsfunctie, c.q. de plaats in het net. Controle van de beveiligingtoestellen is zo belangrijk, omdat deze in een niet-gestoorde situatie in rust is. Dit houdt in dat problemen met beveiligingstoestellen zich veelal manifesteren op het moment dat de beveiliging moet werken. Dit kan fatale gevolgen hebben. Door periodieke controle blijven met name de mechanische delen gangbaar. Controle van de werking van de verschillende beveiligingsfuncties kan worden gedaan met ijk-apparatuur, waarmee aan relais spanningen en stromen worden toegevoerd. et deze ijk-apparatuur kan nauwkeurig worden vastgesteld of de beveiligingsapparatuur bij de ingestelde grenswaarde aanspreekt en binnen welke tijd de uitschakeling optreedt. Controle kan plaatsvinden middels primaire, of secundaire ijking. Primaire ijking, ook wel primaire beproeving genoemd, vraagt vaak zeer hoge stromen. Deze wijze van beproeving wordt vaak nuttig geacht, omdat men hiermee het gehele circuit integraal test. et ijk-apparatuur voor secundaire ijking worden ook wel primaire ijkingen uitgevoerd, wanneer de stromen beperkt blijven tot enkele honderden ampere. IJken en beproeven wordt in het kader van deze cursus verder niet behandeld.. 1.6.1 CONTROLEREN VAN SELTVEILIGHEDEN Behalve door thermische oorzaken kan een smeltpatroon ook om andere redenen niet goed functioneren. Voorbeelden zijn een mechanische beschadiging van de smeltbanden door trillen- wat overigens veel minder geldt voor smeltbanden, opgedampt op een kwartsglazen buis - of veroudering van het smeltpuntverlagend middel. Beide defecten kunnen door een weerstandsmeting met een laagohmige meetbrug, bijvoorbeeld de Brug van Thomson, worden vastgesteld. Deze metingen moeten worden uitgevoerd overeenkomstig de door de producent opgegeven condities, zodat een betrouwbare vergelijking kan worden gemaakt met de gegeven specificaties. Blijkt één of meer smeltpatronen in een veilighedenveld niet meer te voldoen aan de betreffende norm, dan moeten alle smeltpatronen in dat veld worden vervangen. Dit geldt ook voor die gevallen, waarbij eén der patronen is door gesmolten ten gevolge van een stroomdoorgang. Ook dan moeten alle patronen in een veld worden vervangen.
17 09-013 pmo 1.7 Het uitlezen van een storing Om op de juiste wijze een storing af te kunnen handelen, is het belangrijk dat men weet met welke indicatoren men daarbij te maken kunt krijgen. En natuurlijk moet men de aanwijzing van de indicatoren kunnen interpreteren. Twee soorten netcomponenten kunnen zo'n indicatie geven: - Kortsluitstroomindicatoren. Deze worden op 10 kv-lastscheiders (1 per SR) aangebracht. Er zijn twee typen worden onderscheiden: zelfherstellende en niet-zelfherstellende. - Beveiligingsrelais. Een nieuwe ontwikkeling is de remote control, waarbij men via sensoren (SAS-sensor) op de S-installatie en telecommunicatie op een centraal punt in het net direct een overzicht heeft van de netsituatie. 1.7.1 NIET-ZELFHERSTELLENDE AGNEFIX STORINGSVERKLIKKER Deze storingsverklikkers, ingebouwd in de schakelkap, bestaan uit een permanente magneet met een draaibaar vaantje. Zowel in de paraatstand (witte aanwijzing) als in de aangesproken stand (rode aanwijzing) wordt het vaantje door de magneet vastgehouden. Wanneer een kortsluitstroom door de kap vloeit, veroorzaakt het opgewekte magnetische veld een draaiing van het vaantje. Dit vaantje is met zijn kleuren duidelijk zichtbaar door gaatjes in de schakelkap. Na uitlezing van de storing wordt de verklikker hersteld door een geschikte magneet langs de schakelkap te halen. Het magnetisch veld wordt beinvloed en het vaantje keert terug in de paraatstand. Opmerking Het kan zijn dat het langs de schakelkap halen van de magneet geen resultaat geeft. U dient dan de de magneet om te draaien (polariteitsomkering) en de handeling te herhalen.
18 09-013 pmo 2 BEVEILIGINGEN ET VISION Basis voor alle beveiligingsberekeningen: Storing sequentieel Actief netwerkmodel Stromen èn spanningen Belangrijkste schakelende componenten: Smeltveiligheid Vermogenschakelaar met beveiliging Twee stroombeveiligingen met richting en hoek Aardfoutbeveiliging met richting en hoek Spanningsbeveiliging Distantiebeveiliging (cirkel, mho, polygoon) Differentiaalbeveiliging
19 09-013 pmo
20 09-013 pmo 2.1 Typen relais Al enige tijd is de maximaal stroom-tijdbeveiliging in Vision aanwezig. Deze was geïntegreerd met de vermogenschakelaar in de zogenaamde Automatische Schakelaar. De gewone vermogenschakelaar was niet met een beveiliging uitgerust. In de nieuwe versie is de automatische schakelaar vervallen. Indien nu een vermogenschakelaar wordt ingevoerd, kunnen daar naar believen diverse beveiligingen aan worden toegevoegd. In de nieuwe versie zijn nu ook andere beveiligingen gemodelleerd, zoals de aardfoutbeveiliging, de spanningsbeveiliging en de distantiebeveiliging. Van de distantiebeveiliging is tot nu toe alleen nog het meest voorkomende impedantierelais gemodelleerd. In een volgende versie wordt het wat oudere ho-relais gemodelleerd en het moderne Polygoonrelais. De meeneemschakeling wordt ook in een volgende versie gemodelleerd. De kortsluitrichting is gemodelleerd voor de maximaal stroom/tijdbeveiliging en het distantierelais. 2.1.1 AXIAAL STROO/TIJD
21 09-013 pmo Het maximaal stroom/tijd relais kan gedefinieerd worden met vier verschillende karakteristieken. Curve aximaal 16 instelpunten voor stroom en tijd Vaste tijd aximaal 3 instelpunten voor I>, I>>, I>>> en t>, t>>, t>>>. Inverse Normal inverse, very inverse, extremely inverse, long time inverse Speciaal Volgens formule, zoals aangegeven
22 09-013 pmo
2.1.2 KORTSLUITRICHTING 23 09-013 pmo
24 09-013 pmo De richtingsgevoeligheid wordt ingesteld bij de algemene parameters van de vermogenschakelaar. Aldaar kan worden ingesteld of de richtingsgevoeligheid voorwaarts, achterwaarts of niet is. Indien de beveiliging richtingsgevoelig is, kan de hellingshoek ArgDir van de richtingslijn worden gespecificeerd. Deze is gelijk aan RCA-90 en is default gelijk aan -45 graden. I a V a V bc 90 -RCA RCA V bc ArgDir V c V b Bij een relais is de 90 Quadrature Connection de standaard aansluitmethode. Deze aansluitmethode garandeert de maximale gevoeligheid van het relais. In bovenstaand diagram is dit geïllustreerd doordat voor beveiliging van fase a de fasestroom I a en de gekoppelde spanning V bc worden gebruikt. De gekoppelde spanning V bc wordt over een hoek, gelijk aan de karakteristieke hoek RCA (Relay Characteristic Angle) gedraaid, resulterend in de spanning V bc. In bovenstaand voorbeeld is de RCA gelijk aan 45, waardoor de grootste gevoeligheid bereikt wordt indien de stroom 45 achter loopt op de spanning. Deze aansluitwijze geeft een correct richtingsgevoelig gedrag indien de stroom maximaal 45 voorijlt op de spanning of maximaal 135 achterijlt. Aan de hand van de fasespanning U met een hoek phi(u) en fasestroom I met een hoek phi(i) geldt voor de impedantie in de meetrichting: U j( ϕ ϕ U u i ) jϕ Z = e = e I I Dat houdt in dat het relais, indien voorwaarts gericht, afschakelt als de hoek van de impedantie (-phi) zich bevindt tussen ArgDir graden en 180+ArgDir graden. Dat houdt in dat de complexe impedantie Z zich in het R-X vlak rechtsboven een schuine lijn met hellingshoek van ArgDir graden, lopend van het tweede naar het vierde kwadrant, moet bevinden. Dat is geheel overeenkomstig de kortsluitrichting zoals bij het (impedantie)distantierelais.
25 09-013 pmo De kortsluitrichting is gemodelleerd voor de maximaal stroom/tijd beveiliging en voor het distantierelais. De werking van de aardfoutbeveiliging is niet van de richting afhankelijk en de werking van de spanningsbeveiliging is niet van een verbinding afhankelijk. Aangezien de invoer bij Vision zodanig is opgezet dat deze niet altijd hoeft overeen te komen met de energierichting in de normale bedrijfstoestand, kunnen we bij de invoerschermen minder gemakkelijk kiezen uit voorwaarts en achterwaarts. Zo is in vermaasde netten en netten met decentrale opwekking de voorwaartse energierichting moeilijk te definiëren. Voorwaarts komt voor een beveiliging dan ook meestal overeen met de richting van de kabel in kijkend. Een beveiligde schakelaar is met bijbehorend knooppunt en verbinding altijd afgebeeld als op bovenstaande afbeelding. Dit geldt dus zowel voor een voedend als voor een ontvangend knooppunt aan het andere eind van de verbinding. Voor de beveiliging is de voorwaartse richting gedefinieerd met het groter dan teken: de kabel in. Achterwaarts en ongericht zijn op overeenkomstige wijze gedefinieerd.
26 09-013 pmo 2.1.3 AARDFOUT De aardfoutbeveiliging reageert als de som van de drie fasenstromen (I a +I b +I c ) naar of van een verbinding ongelijk aan nul is. Deze beveiliging is niet richtingsafhankelijk. Voor de instelling van de beveiligingskarakteristiek is dit relais gelijk aan het maximaal stroom/tijdrelais. 2.1.4 OVER-/ONDERSPANNING Het relais reageert indien de spanning op het bijbehorende knooppunt een bepaalde waarde over- of onderschrijdt. Voor het aanspreken van dit relais speelt de stroom door de aangesloten kabelverbinding geen enkele rol. In geval van een trip wordt de aangesloten kabelrichting afgeschakeld. Dit relais is gemodelleerd met een vaste tijd karakteristiek.
27 09-013 pmo 2.1.5 DISTANTIE: IPEDANTIERELAIS Het distantierelais is gemodelleerd als een impedantierelais. Dat wil zeggen dat de gemeten impedantie bepalend is voor het aanspreken en afschakelen. De richtingsgevoeligheid is zodanig gemodelleerd dat het relais in de meeste gevallen alleen kan aanspreken indien de gemeten impedantie zich in het gearceerde gebied bevindt. In de normale bedrijfssituatie is de stroom kleiner dan de aanspreekwaarde en kan de gemeten impedantie zich in principe overal in het R/X-vlak bevinden. Op het moment dat de stroom groter wordt dan de aanspreekwaarde (I>) wordt uit de spanning en stroom de impedantie bepaald. Indien de impedantie zich in het gearceerde gebied en binnen een van de cirkels Z1, Z2 of Z3 bevindt, zal een afschakeling plaatsvinden na de bijbehorende ingestelde tijden. De cirkels Z1, Z2 en Z3 worden de zones van het relais genoemd. Indien de impedantie zich buiten de grootste zone bevindt, vindt afschakeling plaats door de gerichte eindtrap, met tijdinstelling t4 seconden. Er is met de ongerichte eindtrap een opvangmogelijkheid gemodelleerd voor het geval dat er niet selectief wordt afgeschakeld. In dat geval wordt na t5 seconden afgeschakeld indien de impedantie zich in het niet gearceerde gebied bevindt. De relais kunnen ingesteld worden aan de hand van de werkelijke spanningen en stromen. De instelling van de impedanties vindt dus ook in netwerkgrootheden plaats.
28 09-013 pmo 2.1.6 DISTANTIERELAIS: DIAGRAEN Naast de invoergegevens van het distantierelais is de uitschakelkarakteristiek afgebeeld. Deze karakteristiek geeft de afschakeltijd aan als functie van de gemeten impedantie. Bij het invullen van de relaisgegevens wordt deze karakteristiek automatisch aangepast. De impedantiekarakteristiek is voor het impedantierelais altijd een of meer (voor meer zones) concentrische cirkels. De markering op de cirkel geeft de complexe waarde van de ingestelde impedantie weer.
29 09-013 pmo 2.1.7 DISTANTIERELAIS: AARDFOUTEN In het geval van een driefasensluiting is de impedantie van het relais tot aan de foutplaats eenvoudig te bepalen uit het quotiënt van de fasespanning en de fasestroom. In het geval van een éénfasekortsluiting loopt de retourstroom echter via het nul- en aardcircuit, zodat de totale impedantie niet meer rechtstreeks is vast te stellen. De gemeten fasestroom wordt daartoe gecorrigeerd met het product van de homopolaire stroom en de k-factor. De k-factor is een ervaringsgetal, dat sterk afhangt van het te beveiligen net. Deze factor kan uitgedrukt worden in de retourimpedantie Z e en de faseimpedantie Z a of in de homopolaire en de normale impedantie. De waarde van Ze is alleen aan de hand van een meting vast te stellen. Indien geen meetgegevens voorhanden zijn, kan de tweede formule voor k worden gebruikt. De waarde van de homopolaire impedantie kan vaak redelijk geschat worden. Het beste blijft echter een meting. Een algemene formule voor de homopolaire impedantie bestaat niet, vanwege de invloed van de omgeving en de directe en indirecte koppelingen naar de aarde. Een gebruikelijke initiële waarde voor de k-factor is 3.
30 09-013 pmo 2.1.8 HO-RELAIS Het ho-relais is wat ouder en wordt tegenwoordig minder vaak toegepast. et name in bestaande netten is dit relais nog talrijk aanwezig. De werking is vergelijkbaar met die van het impedantierelais, maar de zones zijn op een andere wijze gemodelleerd. De zones zijn beschreven met cirkels, waarvan de middellijn door de oorsprong en door een punt op het R/X-vlak loopt. Dat punt tegenover de oorsprong is de impedantie-waarde voor de begrenzing van de zone. Voor de eerste zone komt deze waarde doorgaans overeen met ongeveer 90 procent van de impedantie van de eerste kabel in de voorwaartse richting. Deze waarde is in het complexe vlak beschreven met R en X of met de grootte van de impedantie en een argument. Op deze manier is het bewerkstelligd dat de afschakeling altijd in de voorwaartse richting plaatsvindt indien in het geval van een storing de impedantie zich binnen een van de cirkels gaat bevinden.
31 09-013 pmo 2.1.9 POLYGOON-RELAIS Een modern relais is tegenwoordig een polygoonrelais. Door de toepassing van elektronica in de moderne beveiligingssystemen wordt afgestapt van de traditionele manier van werken met cirkeldiagrammen, die konden worden geconstrueerd door optel- en fasebewerkingen van de oorspronkelijke meetsignalen. De moderne beveiligingssystemen bewerken de gemeten signalen digitaal, waardoor de zones een hoekig verloop krijgen in het R/X-vlak. Hierdoor ontstaan nieuwe mogelijkheden in de beveiligingen. 2.1.10 DIFFERENTIAALBEVEILIGING De differentiaalbeveiliging beveiligt een component (knooppunt of tak) of een netdeel, waarvoor bekend is dat alle stroom die erin vloeit er ook aan een andere kant uit moet vloeien.
32 09-013 pmo eestal zijn transformatoren voorzien van een langsdifferentiaal-beveiliging. aar ook belangrijke verbindingen kunnen op deze manier beveiligd worden voor het geval van een stroomlekkage. Als het te beveiligen object een rail is, spreken we van een raildifferentiaal-beveiliging. Ook voor een rail geldt dat de som van de stromen van alle aangesloten velden normaliter gelijk aan nul is. Behalve in geval van een railsluiting, want dan lekt er een hoeveelheid stroom buiten de velden om weg. 2.1.11 EENEESCHAKELING De meeneemschakeling is bedoeld om nog sneller en selectiever een kortsluiting in een vermaasd net af te schakelen. Indien een relais een kortsluiting detecteert en daardoor snel afschakelt, zal in een vermaasd net de kortsluiting nog steeds vanaf een andere kant gevoed kunnen worden. Voor het relais in die andere voedende richting gold een lagere stroomsterkte, waardoor pas op een later tijdstip afgeschakeld zou worden. ogelijk zelfs zou niet selectief afgeschakeld kunnen worden door een andere beveiliging. Bij de meeneemschakeling ontvangt een andere beveiliging, bijvoorbeeld het relais aan de andere zijde van de gestoorde verbinding, een signaal, waardoor deze onverwijld afschakelt. 2.2 Berekeningen
33 09-013 pmo 2.2.1 OVERZICHT V A B C D G
2.2.2 SIULATIE 34 09-013 pmo
35 09-013 pmo 2.2.3 SIULATIE - RESULTATEN 2.2.4 SELECTIVITEIT
36 09-013 pmo A B C V G D 2.2.5 SELECTIVITEIT - RESULTATEN
E F F 19 F 09 F 05 F 21 SOOR SPOEL 19 SOOR SPOEL 9 SOOR SPOEL 5 SOOR SPOEL 21 TR 3 TR 1 5 17 D05 D11 D01 8 20 5 18 5 15 HS D01 21 28 V 8 10 8 13 8 3 8 1 8 9 8 11 D14 D07 D08 21 26 5 16 5 20 5 21 5 19 5 22 21 27 21 13 8 16 21 10 5 1 5 7 5 9 21 3 D03 8 7 D09 21 23 5 13 D07 D04 D09 D15 5 11 5 5 5 3 5 6 5 14 5 4 D02 D17 5 10 D18 21 20 21 24 21 25 21 21 21 22 21 18 21 17 21 19 5 8 21 9 D12 8 15 8 18 5 2 D03 D08 D04 D13 5 12 D04 D03 D08 D05 D06 21 16 9 1 21 2 21 2 8 17 D17 D07 D06 21 11 21 5 21 12 9 10 9 12 8 5 D13 21 14 8 14 8 2 21 7 21 6 21 1 21 15 D10 D11 8 19 21 4 21 8 D05 D02 9 5 8 4 D03 D04 D18 8 8 8 12 8 6 D01 D08 9 11 D06 D07 TOLWEG 9 4 9 6 9 8 9 9 9 3 9 2 9 7 37 09-013 pmo 3 VOORBEELD SELECTIVITEIT IN EEN DISTRIBUTIENET groen blauw Als voorbeeld voor de werking van de selectiviteitsberekening tonen we een deel van een fictief 10 kv-distributienet. Alle richtingen zijn beveiligd bij het onderstation. De groene richting in het midden splitst zich rechts in het schema, waarbij in de aftakking naar de blauwe richting onderaan in het schema een beveiliging is opgenomen. In de blauwe richting onderaan het schema is binnen het gestippelde vierkant een splitsing aanwezig en een koppelmogelijkheid met de groene richting. De volgende afbeelding geeft de situatie in detail weer. 21 7 B D10 21 4 21 14 D11 21 8 groen blauw 21 2 9 1 A 21 6 De blauwe richting wordt gevoed vanaf de linkerzijde in het schema en loopt rechtdoor tot aan de netopening met de groene richting, die het schema aan de rechterzijde verlaat.
38 09-013 pmo Op de splitsing is een subeiland gemodelleerd, beveiligd met een smeltpatroon. Eveneens op de splitsing is een doodlopend stuk gemodelleerd, onderaan het schema, beveiligd met een vermogenschakelaar. De volgende sheets illustreert de selectiviteit in de normale situatie voor het eerste knooppunt van de doodlopende richting (A). Vervolgens wordt de blauwe richting bij de voeding geopend en wordt de netopening naar de groene richting gesloten. De dan volgende sheets presenteren de selectiviteit voor het eerste knooppunt in de doodlopende richting (A) en voor het eerste knooppunt in het subeiland (B). 10 Selectiviteit SOORSPOEL 21/0 21 2/0 1 T (s) 0.1 0.01 0 1 Ik" (ka ) 2 In de normale bedrijfssituatie is het eerste knooppunt in de doodlopende richting selectief beveiligd. De eerste beveiliging die aanspreekt is die van de doodlopende richting zelf, op de splitsing (bij knooppunt 21 2). Pas als die beveiliging faalt zal de beveiliging in het onderstation aan het begin van de voedende richting afschakelen.
E F F 19 F 09 F 05 F 21 SOOR SPOEL 19 SOOR SPOEL 9 SOOR SPOEL 5 SOOR SPOEL 21 TR 3 TR 1 5 17 D05 D11 D01 8 20 5 18 5 15 HS D01 21 28 V 8 10 8 13 8 3 8 1 8 9 8 11 D14 D07 D08 21 26 5 16 5 20 5 21 5 19 5 22 21 27 21 13 8 16 21 10 5 1 5 7 5 9 21 3 D03 8 7 D09 21 23 5 13 D07 D04 D09 D15 5 11 5 5 5 3 5 6 5 14 5 4 D02 D17 5 10 D18 21 20 21 24 21 25 21 21 21 22 21 18 21 17 21 19 5 8 21 9 D12 8 15 8 18 5 2 D03 D08 D13 D04 D04 D03 D08 D05 D06 21 16 9 1 21 2 8 17 D17 D07 D06 5 12 21 11 21 5 21 12 9 10 9 12 8 5 D13 21 14 8 14 8 2 21 7 21 2 21 6 21 1 21 15 D10 D11 8 19 21 4 21 8 D05 D02 9 5 8 4 D03 D04 D18 8 8 8 12 8 6 D01 D08 9 11 D06 D07 TOLWEG 9 4 9 6 9 8 9 9 9 3 9 2 9 7 39 09-013 pmo groen blauw openen sluiten Vervolgens wordt de vermogenschakelaar van de blauwe richting bij de voeding geopend en wordt de netopening naar de groene richting gesloten. Nu wordt de gehele blauwe richting gevoed vanuit de groene richting in het midden van het schema. 10 Selectiviteit SOORSPOEL 9/0 21 2/0 9 2/0 1 T (s) 0.1 0.01 0 1 Ik" (ka ) 2
40 09-013 pmo Deze afbeelding presenteert de selectiviteit voor het eerste knooppunt in de doodlopende richting. Duidelijk te zien is dat dit knooppunt niet selectief beveiligd is. In de meeste gevallen zal namelijk tegelijk met de eigen beveiliging op de splitsing (bij knooppunt 21 2) ook de beveiliging op de splitsing van de voedende groene richting (bij knooppunt 9 2) aanspreken. Een oplossing kan gevonden worden door van de doodlopende richting de eigen beveiliging sneller te laten afschakelen. 10 Selectiviteit 21 2/0 SOORSPOEL 9/0 9 2/0 1 T (s) 0.1 0.01 0 1 Ik" (ka ) 2 Nog steeds is de blauwe richting bij de voeding geopend en is de netopening naar de groene richting gesloten. Deze sheet toont de selectiviteit voor het eerste knooppunt in het subeiland. Duidelijk te zien is dat ook dit knooppunt niet selectief beveiligd is. Voor kleine kortsluitstromen zal namelijk niet de smeltpatroon (bij knooppunt 21 2) afschakelen, maar de beveiliging op de splitsing van de voedende groene richting (bij knooppunt 9 2). Een oplossing kan gevonden worden door voor het subeiland een snellere patroon te kiezen of door de aanspreekwaarde van de overige beveiligingen te vergroten.
41 09-013 pmo 4 VOORBEELD SELECTIVITEIT IN EEN INDUSTRIENET De beveiligingsmodule in Vision biedt de mogelijkheid de goede werking van de beveiligingen te analyseren. et name in vermaasde netten of in netten met veel motoren en generatoren kunnen de gebeurtenissen vrij complex zijn. Vooral door parallelle paden en terugvoeding van machines kunnen onverwachte stromen vloeien. De beveiligingsmodule bevat enkele specifieke functies, zoals de berekening van de selectiviteit aan de hand van kortsluitingen op geselecteerde punten. Deze presentatie gaat in op de grafische presentatiemogelijkheden die Vision biedt als ondersteuning bij het beveiligen van een netwerk. Aan de hand van een eenvoudig model van een industrienet worden de mogelijkheden toegelicht. Inhoud Een bestaand netwerk geschikt maken Toevoegen schakelaars Toevoegen beveiligingsgegevens Testen selectiviteit Analyse met behulp van simulatie Dit voorbeeld gaat uit van een bestaand model van een industrienetwerk, waarin nog geen schakelaars en beveiligingen zijn aangebracht. Deze worden toegevoegd, waarna de selectiviteit wordt beoordeeld. Tenslotte wordt met behulp van de simulatie in detail gekeken naar het gedrag tijdens de sequenties van het afschakelproces. Het demonetwerk is een klein industrienet. Het industrienetwerk bestaat uit een 150 kv koppelpunt, een eigen transformator, een 10 kv verdeelstation (ain Switchboard, SB) en drie lokale 3 kv netten (de fabrieken ): - 150 kv Inkooppunt - 10 kv ain Switchboard - 3 maal 3 kv Switchboards - meervoudige kabelverbindingen naar de fabrieken, de "Sites" - op elke site: motorbelasting en eventueel opwekking - ook aanwezig: lokale laagspanningsbelastingen (motoren en belastingen)
42 09-013 pmo Toevoegen schakelaars V 1 EC Energy Company HV 2 ain transformer SB A 3 kv Site A V transf 1 2 Dif ain Switchboard V Site C V transf 3 SB C 3 kv 3, 4 SB C 3 kv hulp SB C 3 kv hulp Site C hulp Site A Site C Site C hulp Site C voeding A 4 Site C voeding B Site C voeding C G Site C Local Gen 5 otor A1 otor A2 otor A3 Site A V/LV transf Site A LV Far site Site B V otor C1 otor C2 otor C3 5 6 Dif Site C V/LV transf Site C LV 6 Site A Local loadotor A LV 1 otor A LV 2 otor A LV 3 otor A LV 4 Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys Het toevoegen van schakelaars wordt geïllustreerd voor het inkooppunt en het deelnet C. De schakelaars zijn genummerd 1 t/m 6. De plaats voor het toevoegen van een schakelaar wordt aangegeven door in Vision eerst de betreffende verbinding en knooppunt te selecteren. Toevoegen beveiligingsgegevens Een loadflow geeft inzicht in de bedrijfsstromen otorstartberekeningen inzicht in de te verwachten piekstromen Uitgangspunt voor dit net: maximaal één motor tegelijk opstarten Kortsluitstroomberekeningen Driefasenkortsluitstroom volgens IEC 909 Toegevoegde beveiligingen maximaal stroom/tijdbeveiligingen en differentiaalbeveiligingen Alvorens de beveiligingsgegevens toe te voegen moet er eerst inzicht zijn in de te verwachten stromen in het net. De loadflow met en zonder motorstart geeft inzicht in de situaties dat de beveiligingen niet horen aan te spreken. et name in industrienetten kunnen de aanloopstromen aanzienlijk zijn. Bij het instellen van de beveiligingen in dit theoretische model gaan we ervan uit dat maximaal één motor tegelijk wordt opgestart. De kortsluitstroomberekeningen worden volgens IEC 909 uitgevoerd. Er wordt in dit voorbeeld alleen naar de symmetrische driefasenkortsluitstroom gekeken.
43 09-013 pmo Voor de beveiligingen is keuze uit: aximaal stroom/tijd Aardfout Onder-/overspanning Distantie Differentiaal In dit voorbeeld worden alleen maximaal stroom/tijdbeveiligingen en differentiaalbeveiligingen gedemonstreerd. 4.1 Loadflow Uitgangspunt voor elke studie is de loadflow: V 22 A Energy Company 157.500 kv HV 22 A ain transformer 321 A ain Switchboard V 10.307 kv SB A 3 kv 2.743 kv 739 A Site A V transf 222 A 103 A Site C V transf Dif 342 A SB C 3 kv 2.935 kv 739 A SB C 3 kv hulp 2.743 kv 342 A SB C 3 kv hulp 2.935 kv 185 A185 A185 A185 A 114 A114 A114 A G Site C hulp 2.707 kv 739 A Site A 2.707 kv Site C 2.903 kv Site C hulp 2.903 kv 342 A 359 A 107 A 102 A otor A1 211 A otor A2 211 A otor A3 211 A Site A Local loadotor A LV 1 108 A 155 A otor A LV 2 155 A Site A V/LV transf 727 A otor A LV 3 155 A otor A LV 4 155 A Site A LV 0.370 kv Far site Site B V otor C1 200 A Far site power generated: 0.5 W consumed: 0.381 W otor C2 200 A Site C Local load 100 A otor C3 200 A otor C LV 1 147 A otor C LV 2 147 A Dif Site C V/LV transf 686 A Site C LV 0.400 kv otor C LV 3Site C Cooling sys 147 A 147 A
44 09-013 pmo De situaties bij een motorstart op 3 kv niveau: otor A1 209 A 216 A 211 A SB A 3 kv 2.763 kv 2.661 kv 2.743 kv Site C hulp 2.728 kv 2.624 kv 2.707 kv otor A2 209 A 216 A 211 A 734 A 757 A 739 A 734 A 757 A 739 A 184 A184 A184 A184 A 189 A189 A189 A189 A 185 A185 A185 A185 A otor A3 209 A 216 A 211 A Site A Local loadotor A LV 1 107 A 154 A 112 A 159 A 108 A 155 A 735 A 757 A 739 A otor A LV 2 154 A 159 A 155 A Site A V transf 107 A 110 A 107 A Site A V/LV transf 723 A 747 A 727 A SB C 3 kv hulp 2.763 kv 2.661 kv 2.743 kv otor A LV 3 154 A 159 A 155 A Site A 2.728 kv 2.624 kv 2.707 kv otor A LV 4 154 A 159 A 155 A Site A LV 0.373 kv 0.358 kv 0.370 kv 221 A 228 A 222 A 18 A 29 A 22 A 261 A 424 A 321 A V 18 A 29 A 22 A ain transformer Far site Site B V 43 A 219 A 103 A Energy Company 157.500 kv 157.498 kv 157.500 kv Site C 3.028 kv 2.430 kv 2.903 kv HV Site C V transf otor C1 0 A 965 A 200 A startend Site C hulp 3.028 kv 2.430 kv 2.903 kv Far site power generated: 0.5 W consumed: 0.381 W ain Switchboard V 10.370 kv 10.053 kv 10.307 kv Dif otor C2 194 A 229 A 200 A Site C Local load 96 A 122 A 100 A 142 A 731 A 342 A 142 A 731 A 342 A 48 A 48 A 48 A 244 A244 A244 A 114 A114 A114 A 143 A 731 A 342 A otor C3 194 A 229 A 200 A otor C LV 1 142 A 170 A 147 A SB C 3 kv 3.042 kv 2.477 kv 2.935 kv SB C 3 kv hulp 3.042 kv 2.477 kv 2.935 kv G 344 A 661 A 359 A otor C LV 2 142 A 170 A 147 A 98 A 118 A 102 A Dif Site C V/LV transf 664 A 802 A 686 A Site C LV 0.418 kv 0.328 kv 0.400 kv otor C LV 3Site C Cooling sys 142 A 142 A 170 A 170 A 147 A 147 A De situaties bij een motorstart op LS-niveau: otor A1 210 A 211 A 211 A SB A 3 kv 2.745 kv 2.733 kv 2.743 kv Site C hulp 2.710 kv 2.697 kv 2.707 kv otor A2 210 A 211 A 211 A 738 A 741 A 739 A 738 A 741 A 739 A 185 A185 A185 A185 A 185 A185 A185 A185 A 185 A185 A185 A185 A otor A3 210 A 211 A 211 A Site A Local loadotor A LV 1 108 A 155 A 108 A 155 A 108 A 155 A 738 A 741 A 739 A otor A LV 2 155 A 155 A 155 A Site A V transf 107 A 108 A 107 A Site A V/LV transf 727 A 730 A 727 A SB C 3 kv hulp 2.745 kv 2.733 kv 2.743 kv otor A LV 3 155 A 155 A 155 A Site A 2.710 kv 2.697 kv 2.707 kv otor A LV 4 155 A 155 A 155 A Site A LV 0.371 kv 0.369 kv 0.370 kv 222 A 223 A 222 A 21 A 23 A 22 A 314 A 332 A 321 A V 21 A 23 A 22 A ain transformer Far site Site B V 96 A 114 A 103 A Energy Company 157.500 kv 157.500 kv 157.500 kv Site C 2.918 kv 2.845 kv 2.903 kv HV Site C V transf otor C1 199 A 203 A 200 A Site C hulp 2.918 kv 2.845 kv 2.903 kv Far site power generated: 0.5 W consumed: 0.381 W ain Switchboard V 10.315 kv 10.276 kv 10.307 kv Dif otor C2 199 A 203 A 200 A Site C Local load 98 A 112 A 100 A 319 A 379 A 342 A 319 A 379 A 342 A 106 A106 A106 A 126 A126 A126 A 114 A114 A114 A 319 A 379 A 342 A otor C3 199 A 203 A 200 A otor C LV 1 0 A 800 A 147 A startend SB C 3 kv 2.949 kv 2.880 kv 2.935 kv SB C 3 kv hulp 2.949 kv 2.880 kv 2.935 kv G 357 A 391 A 359 A otor C LV 2 145 A 159 A 147 A 79 A 183 A 102 A Dif Site C V/LV transf 532 A 1252 A 686 A Site C LV 0.407 kv 0.358 kv 0.400 kv otor C LV 3Site C Cooling sys 145 A 145 A 159 A 159 A 147 A 147 A
45 09-013 pmo Stromen door de vermogenschakelaars VS nr. Loadflow otorstart 3 kv otorstart LS Kortsluitstroom (A) (A) (A) (A) 1 321 424 332 6348 2 103 219 114 1079 3 342 731 379 3597 4 342 731 379 3449 5 102 118 183 1019 6 686 802 1252 7641 Het resultaat van de loadflow-, motorstart- en kortsluitstroomberekeningen is weergegeven in bovenstaande tabel. Daarin is voor elke schakelaar afgebeeld welke stroom in de diverse aangegeven gebeurtenissen passeert.
46 09-013 pmo 4.2 Toevoegen schakelaars V 1 SB A 3 kv Site A V transf EC Energy Company HV ain transformer 1 ain Switchboard V 2 Site C V transf 3 Dif SB C 3 kv 2 3, 4 SB C 3 kv hulp SB C 3 kv hulp Site C hulp Site A Site C hulp Site C Site C voeding A Site C voeding B 4 Site C voeding C G Site C Local Gen 5 otor A1 otor A2 otor A3 Site A V/LV transf Site A LV Far site Site B V otor C1 otor C2 otor C3 5 6 Dif Site C V/LV transf Site C LV 6 Site A Local loadotor A LV 1 otor A LV 2 otor A LV 3 otor A LV 4 Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys Aan de hand van de te verwachten stromen zijn de instellingen voor de beveiligingen gekozen. De maximaal stroom/tijdbeveiligingen krijgen alle de normal inverse karakteristiek. De I> stromen zijn zodanig gekozen dat de beveiligingen bij het aanlopen van één motor niet aanspreken. Twee transformatoren worden beveiligd met een differentiaalbeveiliging. Gekozen instellingen VS nr. Soort I> (A) I>> (A) T>> (s) 1 Normal inverse 500 3000 0.9 2 Diff 100 3 Normal inverse 1200 2000 0.3 4 Normal inverse 900 1500 0.2 5 Diff 100 6 Normal inverse 2000 5000 0.1
47 09-013 pmo De volgende twee bladzijden geven een indruk van de invoer in Vision voor een maximaal stroom/tijdbeveiliging (op schakelaar 1) en een differentiaalbeveiliging (op schakelaars 2 en 3). Schakelaar 1: (secundaire zijde HS/V trafo): De stroombeveiliging moet niet aanspreken bij een motorstart. De grootste stroom is 424 A. We kiezen een normale inverse beveiligingskarakteristiek. De instelling I> kiezen we op 500 A. De instelling I>> kiezen we op 3000 A met t>> op 0.9 s.
48 09-013 pmo Schakelaar 2: primaire zijde 10/3 kv trafo: Deze krijgt geen stroombeveiliging, maar wordt met de schakelaar aan de primaire zijde (schakelaar 2: CB SB C 10 kv) gekoppeld aan een differentiaalbeveiliging.
De instelling is als volgt: 49 09-013 pmo
50 09-013 pmo 1000 Uitschakelkarakteristieken beveiligingen Uitschakelkarakteristieken stroombeveiligingen Thermische belastbaarheid van takken CB 1 CB 3 CB 6 CB 4 100 ain transformer 1 ain Switchboard V 2 10 Dif Site C V transf 3 SB C 3 kv SB C 3 kv hulp t (s) 1 Site C Site C hulp Site C voeding A 4 Site C voeding B Site C voeding C G Site C Local Gen 5 Dif 0.1 otor C1 otor C2 otor C3 Site C V/LV transf 6 Site C LV 0.01 100 1000 10000 I (A) Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys De uitschakelkarakteristieken van geselecteerde beveiligingen kunnen gezamenlijk in één diagram afgebeeld worden. Dit is mogelijk via het hoofdmenu: Extra Beveiligingen. In het diagram zijn ook de aanloopstromen van de grote motoren weergegeven, zodat beoordeeld kan worden bij welke aanlooptijden de aanloopstroom mogelijk kritisch wordt. De grootste aanloopstromen die de beveiligingen zien zijn handmatig ingevuld (de gekleurde pijlen in het diagram). Als de uitschakelkarakteristieken getransformeerd worden op één (het laagste) spanningsniveau, is de onderlinge relatie goed zichtbaar.
51 09-013 pmo 1000 Uitschakelkarakteristieken stroombeveiligingen Thermische belastbaarheid van takken CB 1 CB 3 CB 6 CB 4 100 10 t (s) 1 0.1 0.01 1000 10000 100000 I (A) bij 0.4 kv 4.3 Testen selectiviteit este se ect te t Berekening van eerste uitschakeltijden Herberekening na elke uitschakelactie (simulatie-methode) Er mogen alleen schakelaars rond de foutplaats c.q. groep uitschakelen Bij het berekenen van de selectiviteit worden de theoretisch mogelijke eerste uitschakeltijden van alle relais in het netwerk bepaald voor kortsluitingen op geselecteerde knooppunten. Dit criterium is voldoende voor radiaal bedreven netten. Echter, één van de beveiligingen zal het eerst afschakelen (trippen). Na elke uitschakeling wordt bekeken of de kortsluiting daadwerkelijk is afgeschakeld. Zo niet, wordt de berekening hervat met de nieuw berekende kortsluitstromen. Dit is met name voor vermaasde netten belangrijk. Het net is selectief beveiligd als alleen schakelaars rond de gestoorde groep uitschakelen en als dus de kortsluiting zonder overbodige schakelacties en zonder verdere beschadiging van andere componenten wordt afgeschakeld.
52 09-013 pmo Selectiviteit: uitschakelactie Site C 100 Uitschakeling van knooppunt Site C CB 4 (abc) 10 t (s) 1 0.1 0 1 2 3 4 Ik" (ka ) 5 6 7 8 Bovenstaand diagram geeft aan met welke tijd een kortsluitstroom, variërend van 2 tot 9 ka, wordt afgeschakeld. Het diagram toont de beveiligingen die daadwerkelijk afschakelen. Er schakelen geen andere beveiligingen af. Dit diagram wordt getoond met Resultaten Grafiek Details.
53 09-013 pmo Selectiviteit: eerste uitschakeltijden 100 Selectiviteit van knooppunt Site C CB 1 (abc) CB 3 (abc) CB 6 (abc) CB 4 (abc) 10 ain transformer 1 ain Switchboard V 2 t (s) Site C V transf 3 SB C 3 kv SB C 3 kv hulp 1 Site C selectief Site C hulp Site C voeding A 4 Site C voeding B Site C voeding C G Site C Local Gen 5 0.1 0 1 2 3 4 Ik" (ka) 5 6 7 8 otor C1 otor C2 otor C3 Bovenstaand diagram toont de eerste uitschakeltijden van alle beveiligingen, ten gevolge van een kortsluiting op knooppunt Site C. Eerste uitschakeltijden zijn de berekende theoretische tijden waarna elke aangesproken beveiliging zou trippen, indien voor die beveiliging de kortsluitsituatie zou blijven bestaan. Die situatie verandert echter na een willekeurige uitschakelactie van een andere beveiliging. Uit het diagram blijkt dat de eerste uitschakeltijden van de beveiligingen elkaar selectief opvolgen. 4.4 Analyse met behulp van simulatie Sequentie van de stromen en tijden op de foutplaats Worden na elke beveiligingsactie opnieuw berekend Berekening I 2 t van takken Presentatie in het schema en grafisch De simulatie biedt meer inzicht in het gedrag van de beveiligingen bij een specifieke fout. Het achterelkaar reageren van de beveiligingen veroorzaakt telkens een nieuwe situatie, die dan weer opnieuw wordt berekend. De simulatie verschaft meer inzicht in de I 2 t van alle verbindingen. De resultaten worden in het netschema afgebeeld en kunnen ook in een grafiek worden bekeken.
54 09-013 pmo Simulatie kortsluiting op Site C SB C 3 kv hulp Site C 8.73 ka op 0.200 s (abc) 5.49 ka Site C hulp Site C voeding A 0 % 4 Site C voeding B 0 % Site C voeding C 0 % G Site C Local Gen 5 Dif otor C1 otor C2 otor C3 Site C V/LV transf 2160 % 6 Site C LV Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys De simulatie toont aan dat na afschakeling van de kortsluiting op Site C er nog een kortsluitstroom van 5,49 ka blijft lopen. Deze stroom is afkomstig van de terugvoeding door de draaiende motoren. Deze stroom resulteert in een te grote I 2 t aan de 3/0,4 kv transformator. De beveiliging aan de secundaire zijde van de 3/0,4 kv transformator is niet richtingsgevoelig. Als remedie kan deze beveiliging richtingsgevoelig worden gemaakt. De beveiliging in de voedende richting (de transformator uit) krijgt de oorspronkelijke eigenschappen. De beveiliging in de terugvoedende richting (de transformator in) krijgt een vaste tijdsinstelling: I> is 1000 A en t> is 1 s.
55 09-013 pmo Simulatie kortsluiting op Site C SB C 3 kv hulp Site C 8.73 ka op 0.200 s (abc) 5.49 ka op 1.000 s (abc) 5.18 ka Site C hulp Site C voeding A 0 % 4 Site C voeding B 0 % Site C voeding C 0 % G Site C Local Gen 5 Dif otor C1 otor C2 otor C3 Site C V/LV transf 2 % 6 Site C LV Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys De simulatieberekening toont aan dat de situatie voor de transformator is verbeterd (van 2160% naar 2%). De sequenties in het bovenstaande diagram geven aan dat de kortsluiting eerst vanuit de voedende kant (CB 4) wordt afgeschakeld en vervolgens vanuit de terugleverende kant (CB 6). Er blijft echter nog wel een kortsluitstroom lopen van de terugleverende motoren en generator op het knooppunt zelf. Dit kan worden verholpen door deze machines ook te voorzien van een beveiliging, bijvoorbeeld een maximum stroom/tijdbeveiliging met een vaste tijdkarakteristiek. Instelling: I> is 1000 A en t> is 0,1 s.
56 09-013 pmo Simulatie kortsluiting op Site C SB C 3 kv hulp Site C 8.73 ka op 0.100 s (abc) 7.70 ka op 0.100 s (abc) 6.68 ka op 0.100 s (abc) 5.66 ka op 0.100 s (abc) 3.58 ka op 0.200 s (abc) 0.32 ka op 1.000 s (abc) 0.00 ka Site C hulp Site C voeding A 0 % 4 Site C voeding B 0 % Site C voeding C 0 % G Site C Local Gen 5 Dif otor C1 otor C2 otor C3 Site C V/LV transf 2 % 6 Site C LV Site C Local load otor C LV 1 otor C LV 2 otor C LV 3Site C Cooling sys De kortsluiting wordt nu in 6 sequenties geheel afgeschakeld. De detailinformatie van het knooppunt biedt nog aanvullende informatie, zoals de namen van de uitschakelende beveiligingen en de uitschakeltijden, inclusief de reactietijd van de vermogenschakelaar. Indien de reactietijd van de vermogenschakelaar is ingevoerd, is dit zichtbaar in de verschillende tijden voor de schakelaar en voor de trigger. Afschakelsequentie na symmetrische fout op knooppunt Site C met Zff=0+j0 Ohm Foutplaats Schakelaar Beveiliging ----------------------- -------------------------------------- ------------------------------------------------------------------- Ik"a Ik"b Ik"c t fase(n) naam naam soort trigger(s) t ka ka ka s s ------- ------- ------- -------- -------- -------------------- ---------------- --------- ------------------------------- -------- 8.73 8.73 8.73 0.100 abc CB otor C1 CB otor C1 stroom Ia=1039 A; Ib=1039 A; Ic=1039 A 0.100 7.70 7.70 7.70 0.100 abc CB otor C2 CB otor C2 stroom Ia=1039 A; Ib=1039 A; Ic=1039 A 0.100 6.68 6.68 6.68 0.100 abc CB otor C3 CB otor C3 stroom Ia=1039 A; Ib=1039 A; Ic=1039 A 0.100 5.66 5.66 5.66 0.100 abc CB Generator CB Generator stroom Ia=2084 A; Ib=2084 A; Ic=2084 A 0.100 3.58 3.58 3.58 0.200 abc CB 4 CB 4 stroom Ia=3263 A; Ib=3263 A; Ic=3263 A 0.200 0.32 0.32 0.32 1.000 abc CB 6 CB 6 stroom Ia=2191 A; Ib=2191 A; Ic=2191 A 1.000 0.00 0.00 0.00
57 09-013 pmo 5 SAENVATTING Beveiligingskarakteristieken In één oogopslag voor coördinatie Betrokken op één spanningsniveau Selectiviteitsberekening Berekent aan de hand van werkelijke afschakelacties Houdt rekening met alle afschakelsequenties Simulatie Analyse van afschakelsequentie Analyse van mogelijk beschadigen van componenten