Date post: | 16-Oct-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | robbster83 |
View: | 70 times |
Download: | 0 times |
of 100
Ind
ust
rial E
lectr
ical En
gin
eerin
g a
nd
A
uto
matio
n
CODEN:LUTEDX/(TEIE-5284)/1-100/(2011)
Provning av relskydd med intermittentfunktion
Jakob Hgg
Division of Industrial Electrical Engineering and Automation Faculty of Engineering, Lund University
Abstract
The Division of Industrial Electrical Engineering and Automation, IEA, at LTH is
participating in the research project DLAB, sponsored by E.ON. The goal of this project is
to gain more understanding of the problems arising from increased cablification of
Swedish medium voltage distribution grid and to develop an electric power laboratory.
More and longer cables have increased the capacitive earth fault current, which in
combination with Petersen coil system increase the risk for more intermittent earth
faults. The intermittent earth fault is a sequence of ignitions and extinctions of earth
faults. Cause of error can be poor insulation in cable connections or cracked overhead
line insulators. The use of more and longer cables also increases the demands on the
feeder protection relay and instrument transformers accuracy.
This thesis aims to improve the understanding of protective relay testing with different
types of ground faults. The work has included the construction of test equipment with a
performance that allows testing of the key features in a modern feeder protection relay,
particularly the function of transient earth fault detection.
Two different methods are used to test the relay protections, namely playback of
generated fundamental signals and of real disturbance recordings.
The equipment has been used to test two different radial feeder protection relays,
namely, ABB RXHL421 and REF615. The testing of the directional earth-fault protection shows that they mostly follow the settings. However, the test of the operating
characteristics shows that they differ slightly from the intended characterization. The
transient earth-fault protection in REF615 was tested with transients from disturbance
recordings. The protection did not start for all transients, it is however hard to draw a
direct conclusion of the protection performance from this test. The reason for this is that
there is no possibility to change the settings of the protection but also because no other
corresponding transient earth-fault protection has been tested.
Sammanfattning
P avdelningen fr Industriell Elektroteknik och Automation, IEA, vid LTH drivs
forskningsprojektet DLAB, sponsrat av E.ON. Mlsttning med projektet r att ka
frstelsen fr de problem som uppkommer vid kad kablifiering av distributionsnt,
samt att utveckla ett elkraftslaboratorium.
Fler och lngre kablar har kat de kapacitiva jordfelsstrmmarna, vilket i kombination
med spoljordning, gett fler intermittenta jordfel. De intermittenta jordfelen r sekvenser
av tndningar och slckningar och felorsaken kan vara dlig isolation i kabelskarvar
eller en sprucken isolator p luftledningar. Fler och lngre kablar stller ocks hgre
krav p relskyddens funktion och mttransformatorernas noggrannhet.
Detta examensarbete syftar till att ka frstelsen fr relskyddsprovning av olika typer
av jordfelsfunktioner. Arbetet har inkluderat att bygga en provutrustning med
prestanda som mjliggr provning av de viktigaste funktionerna i ett modernt
relskydd, speciellt funktionerna fr intermittenta jordfel.
Tv olika metoder anvnds fr att testa relskydden, nrmare bestmt uppspelning av
datorgenererade signaler och uppspelning av verkliga strningsregistreringar.
Provutrustningen har anvnts fr att testa tv olika relskydd, ABB RXHL421 och
REF615. Provning av de riktade jordfelssfunktionerna visar att de i huvudsak fljer
instllningarna dock visar provningen av funktionsomrdena att skydden avviker ngot
frn den tnkta karakteristiken. Den transientmtande funktionen i REF615 provades
med transienter frn strningsregistreringar. Skyddet startade inte fr alla
transienterna men d parametrarna fr funktionen r internt stllda och andra
transientmtande skydd inte har provats r det svrt att dra ngra direkta slutsatser
angende skyddets prestanda.
Frord
Detta examensarbete har utfrts vid Lunds Tekniska Hgskola (LTH) som en del i
forskningsprojektet DLAB. Examensarbetet r den avslutande delen av min
civilingenjrsutbildning och har utfrts p avdelningen fr Industriell Elektroteknik och
Automation i samarbete med E.ON Elnt Sverige AB. Under arbetes gng har jag ftt
mycket std frn bde E.ON och institutionen och jag vill srskilt tacka fljande
personer:
Magnus Akke, min handledare p institutionen fr sitt stora engagemang och alltid tagit
sig tid att svara p mina frgor.
Anna Pettersson, min handledare p E.ON fr alla hjlp med vgledning, information om
elntets olika delar och alla ovrderliga kommentarer under projektets gng.
Getachew Darge, fr hjlp med alla bestllningar och det praktiskta arbetet.
Jonas Brink, fr hjlp med programmering av relskydd.
Cristoffer rndal och Andreas Jnsson, fr hjlp med alla frgor kring LabVIEW-
programmeringen.
Det frutstts att lsaren av denna rapport besitter goda kunskaper inom elkraft.
Jakob Hgg
Lund, Juni 2011
Innehllsfrteckning
1 Inledning ................................................................................................................................................... 1
1.1 Bakgrund ........................................................................................................................................... 1
1.2 Syfte ..................................................................................................................................................... 1
1.3 Disposition ........................................................................................................................................ 1
2 Mellanspnningsnt 6-36 kV ............................................................................................................. 3
2.1 Distributionsntet och dess systemjordning ...................................................................... 3
2.2 Skerhetsfreskrifter ................................................................................................................... 5
2.3 Olika typer av jordfel .................................................................................................................... 5
2.3.1 Enfasigt jordfel ....................................................................................................................... 7
2.3.2 Intermittenta jordfel ......................................................................................................... 10
2.3.3 Dubbelt jordfel..................................................................................................................... 11
2.4 Relskyddsfunktioner ............................................................................................................... 12
2.4.1 verstrmsskydd ............................................................................................................... 12
2.4.2 Riktat jordfelsskydd .......................................................................................................... 12
2.4.3 Oriktat jordfelsskydd ........................................................................................................ 16
2.4.4 Nollpunktsspnningsskydd (NUS) .............................................................................. 16
2.4.5 Transientmtande skydd ................................................................................................ 16
2.5 Mttransformatorer ................................................................................................................... 17
3 Provningsmetodik .............................................................................................................................. 19
3.1 Riktad jordfelsfunktion ............................................................................................................. 19
3.2 Oriktad jordfelsfunktion ........................................................................................................... 21
3.3 Transientmtande funktion .................................................................................................... 21
3.4 Testspefikation ............................................................................................................................ 21
3.4.1 Signaler som spelas in under provning ..................................................................... 21
3.4.2 Provning av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg ....................................... 22
3.4.3 Prov med uppspelning av transienter ........................................................................ 24
3.4.4 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel ..................................................... 24
3.4.5 vriga prov ........................................................................................................................... 24
4 Provutrustning ..................................................................................................................................... 25
4.1 Mjukvara ......................................................................................................................................... 25
4.2 Hrdvara ......................................................................................................................................... 25
4.2.1 Frstrkare ........................................................................................................................... 27
4.2.2 Ljudkort.................................................................................................................................. 27
4.2.3 Dataloggning av relskyddets signaler ...................................................................... 27
4.3 Beskrivning av provprogram ................................................................................................. 28
4.3.1 Grundtonsuppspelning .................................................................................................... 28
4.3.2 Uppspelning av strningsregistrering ....................................................................... 31
4.4 Mtdatahantering ....................................................................................................................... 32
5 Utfrande av relprovning .............................................................................................................. 33
5.1 Provning av ABB RXHL421 ..................................................................................................... 34
5.1.1 Provning av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg ....................................... 34
5.1.2 Prov med uppspelning av transienter ........................................................................ 48
5.1.3 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel ..................................................... 48
5.1.4 vriga prov ........................................................................................................................... 49
5.2 Provning av ABB REF615......................................................................................................... 49
5.2.1 Prov av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg ................................................ 49
5.2.2 Prov med uppspelning av transienter ........................................................................ 63
5.2.3 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel ..................................................... 73
5.2.4 vriga prover ....................................................................................................................... 75
6 Slutsats och diskussion ..................................................................................................................... 82
6.1 Provmetodik ................................................................................................................................. 82
6.2 Provutrustning ............................................................................................................................. 82
6.3 Utfrande av relprovning ...................................................................................................... 83
7 Fortsatt arbete ..................................................................................................................................... 85
8 Referenser .............................................................................................................................................. 86
9 Bilagor ..................................................................................................................................................... 87
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Sedan ett par r tillbaka drivs forskningsprojektet DLAB (vilket r en akronym fr
Distribution LABoratory) p avdelningen fr Industriell Elektroteknik och Automation
(IEA), p institutionen fr Mtteknik och Industriell Elektroteknik, vid Lunds Tekniska
Hgskola (LTH). Forskningsprojektet sponsras finansiellt av E.ON1 och har som
mlsttning att ka frstelsen fr de problem som uppkommer vid kad kablifiering av
distributionsnt, samt att utveckla ett elkraftslaboratorium.
Efter stormen Gudrun r 2005 startade E.ON (dvarande Sydkraft) projektet Krafttag.
Stormen medfrde stora skador p elntet och mlsttningen var att ka
tillfrlitligheten i distributionsnten. Projektet innebar att E.ON brjade byta ut
friledningar mot kablar i riskomrden. Fler och lngre kablar har kat de kapacitiva
jordfelsstrmmarna, vilket i kombination med spoljordning, gett fler intermittenta
jordfel. De intermittenta jordfelen r en sekvenser av tndningar och slckningar och
felorsaken kan bero p dlig isolation i kabelskarvar eller en sprucken isolator p
luftledningar. Fler och lngre kablar stller ocks hgre krav p relskyddens funktion
och mttransformatorernas noggrannhet.
1.2 Syfte
Syftet med examensarbetet r att ka frstelsen fr relskyddsprovning vid
utvrdering av olika typer av jordfelsfunktioner. Artbetet har inkluderat att bygga en
provutrustning med prestanda som mjliggr provning av de viktigaste funktionerna i
ett modernt relskydd, speciellt fr de intermittenta jordfel.
1.3 Disposition
Rapporten r upplagd enligt fljande.
Kapitel 2 beskriver det aktuella elntet och dess systemjordning, olika typer av jordfel
och relfunktioner, samt mttransformatorernas egenskaper.
Kapitel 3 ger en versikt om provningsmetodiken.
Kapitel 4 beskriver den provningsutrustning som byggts och anvnds i examensarbetet.
Kapitel 5 redovisar utfrd relprovning.
Kapitel 6 sammanfattar de viktigaste slutsatserna som kan dras av arbetet.
1 Vid anvndning av namnet E.ON r det fretaget E.ON Elnt Sverige AB som avses i denna rapport.
2
I kapitel 7 ges slutligen frslag fr vidare arbete i DLAB projektet.
3
2 Mellanspnningsnt 6-36 kV Elntet kan delas upp i transmissions- och distributionsnt. Fokus fr detta arbete r
provning av ledningsskydd fr radialmatade distributionsnt inom spnningsintervallet
6 till 36 kV.
2.1 Distributionsntet och dess systemjordning
Detta avsnitt tar upp olika typer av systemjordning.
Mellan varje ledare i en trefasutmatning finns det en kapacitans Cp som beror p
avstndet mellan ledarna och isolationsmaterialet, se Figur 1. Det finns ocks en
kapacitiv koppling mellan varje ledare och jord, med beteckningen C. Fr kablar r
avstnden mindre n fr luftledningar, bde mellan ledarna inbrdes, och ven till jord.
Detta tillsammans med kablarnas isolationsmaterial, frklarar varfr kablar har hgre
kapacitans n luftledningar. Drfr kar ocks den kapacitiva jordfelsstrmmen d
kablar erstter luftledningar. Konduktansen G i Figur 1, modellerar resistiva frluster
som orsakas av lckstrmmar eller koronafrluster. I de flesta fall r konduktansvrdet
frsumbart litet. Vid jordslutning terleds felstrmmen via kapacitanserna till jord.
Jordfel behandlas mer utfrligt i avsnitt 2.3.
Figur 1 Symmetriskt trefassystem
Figur 1 ovan visar en Dy-kopplad transformator, men andra kopplingsarter anvnds
ocks. Exempelvis anvnder E.ON, Yd-transformatorer med separat nollpunktsbildare
och i vissa fall, typiskt 20 kV/10 kV, Yyn-kopplade transformatorer. Jordningen av
transformatorns nedsida styr jordfelsskyddens karakteristik och jordfelsstrmmens
storlek bestmms i huvudsak av systemjordning, felresistans och ntkapacitans [1]. Tre
olika typer av systemjordning beskrivs nedan:
Isolerat system
Resistansjordat system
Spoljordat system
4
Figur 2 Isolerat system
Figur 2 visar en Dy-kopplad transformator dr nedsidans neutralpunkt r isolerad, ven
kallat ojordat system. Detta typ av system ger en nollfljdsstrm i alla utmatningsfack
som i det nrmaste r rent kapacitiv. Systemjordningen fungerar fr sm nt dr
jordfelsstrmmen r begrnsad i storlek.
Figur 3 Resistansjordat system
Figur 3 visar en Dyn-kopplad transformatorn med en resistans till jord i neutralpunkten.
Vid jordfel kommer strmmen att best av en mer betydande aktiv komponent, som det
riktade jordfelsskyddet kan anvnda fr feldetektering.
Figur 4 Spoljordat system
Figur 4 visar en Dyn-kopplad transformator med en parallellkopplad resistor och spole i
nedsidans neutralpunkt. Syftet med spolen r att skapa en parallellresonans tillsammans
med ntkapacitanserna. Denna typ av systemjordning kallas drmed ocks fr
resonansjordning, eller Petersenjordning. Vid enfasiga jordfel, av fundamentalfrekvens,
kompensera spolens induktiva strm, ntets kapacitiva felstrm, s att strmmen i
felstllet blir minimal. Detta kar mjligheterna att slcka en eventuell ljusbge i
5
felstllet, vilket frklarar att Peterenspolen ocks kallas slckspole (p engelska arc
supression coil). Principen fr resonansjordning r utfrligare beskrivet i avsnitt 2.3.1.
En korrekt avstmning innebr att spolens induktiva strms skall vara samma som
ntets kapacitiva jordfelsstrm. Fr distributionsnt med stor kapacitiv felstrm mste
spoljordning anvndas fr att uppfylla elskerhetsfreskrifternas krav p max 100 V
spnningen p utsatt anlggningsdel vid jordslutning.
I praktiken r det svrt att gra en exakt avstmning av spolens strm, vilket innebr att
den ibland r ngot fr stor och i andra fall r den ngot fr liten. Som en fljd, kan det
felbehftade fackets strm antingen vara kapacitiv eller induktiv, beroende p
avstmningen. Drfr gr det inte att anvnda reaktiv strm fr sker feldetektering. Fr
att gra sker feldetektering i spoljordade nt anvnder de riktade jordfelsskydden
aktiv strm. Fr att ka den aktiva strmmen kopplas drfr resistansen Rn in parallellt
med spolen. Kraven p mttransformatorerna kar nr det krvs stor knslighet vid
mtning av aktiv strm [2].
2.2 Skerhetsfreskrifter
Freskrifter fr bortkoppling av jordfel i starkstrmsanlggningar finns beskrivna i
Elskerhetsverkets frfattningsssamling ELSK-FS 2008:1. Under kapitel 5 - srskilda
skerhetskrav fr hgspnningsanlggningar paragraf 3-6 anges fljande
bestmmelser fr icke direktjordat system (direktjordat innebr lgimpediv jordning):
Anlggning skall vara utfrd s att en- eller flerpoliga jordslutningar kopplas
ifrn snabbt och automatiskt.
Fr distributionsnt utan luftledning med nominell spnning om hgst 25 kV
behver enpolig jordslutning inte automatiskt kopplas bort utan endast
signaleras.
Fr anlggning med frstrkt friledning skall relskyddsfunktionen skerstllt
kunna detektera och frnkoppla jordfelsresistanser upp till 5 k.
Fr anlggning som inte innehar luftledningar enligt ovanstende punkt skall
relskyddsfunktionen kunna detektera och frnkoppla jordfelsresistanser upp till
3 k.
Vid bortkopplingstider ver 2 sekunder fr spnningen ver jordad
anlggningsdel ej verstiga 100 V vid enpoligt jordfel.
Vid enpolig jordslutning fr anlggningar med luftledning skall frnkoppling ske inom
fem sekunder vid jordfelresistanser upp till 3 eller 5 k beroende p typ av luftledning.
2.3 Olika typer av jordfel
Fr att analysera osymmetriska system (till exempel ett system med enfasig
jordslutning) anvnds med frdel symmetriska komponenter. Transformeringen frn
faskomponenter till symmetriska komponenter gr analysen betydligt enklare d
fassystemet kan delas in i tre olika skalra delar:
6
Plusfjld
Minusfljd
Nollfljd.
Dessa delar r d frikopplade tills systemet blir osymmetriskt. Fel som ger osymmetri r
jordslutning eller kortslutning mellan ledare, ett undantag r symmetriska trefasfel.
Transformationsmatrisen r definierad som [3][4]:
, =
1
Faskomponenterna motsvaras av Qa,b,c och de symmetriska komponenterna av Q0,1,2.
Plusfljd-, minusfljd- och nollfljdkomponenten r Q1, Q2 och Q0, respektive. Efter
vnstermultiplikation med den inverterade transformeringsmatrisen ges de
symmetriska komponenterna enligt formeln nedan:
2
Ett symmetriskt trefassystem blir som tidigare nmnt frikopplat vid anvndning av
symmetriska komponenter, detta r illustrerat fr en Y-kopplad last i Figur 5 nedan.
Figur 5 Koppling fr symmetrisk Y-last med symmetriska komponenter
Hur dessa kretsar kopplas samman beror p feltyp och felbehftade faser. Vid
hrledning av ekvivalenta kretsar anvnds de faserna som vid typfelet ger enklast
berkningar. Nollfljdsimpedansen Z0 = ZY + 3ZN, plusfljdsimpedansen Z1 = ZY och
minusfljdsimpedansen Z2 = Z1 = ZY.
ZY r fasimpedansen och ZN r nollfljdsimpedansen.
7
2.3.1 Enfasigt jordfel
Detta avsnitt behandlar permanenta enfasiga jordfel. Figur 6 illustrerar
jordfelsstrmmen vid ett enfasigt jordfel i ett spoljordat system.
Figur 6 Jordfelsstrm vid stumt enfasigt jordfel
Figur 6 visar ett frenklat kretsschema ver ett distributionsnt dr lastens pverkan
frsummas. Fr den felbehftade utmatningen r fas till jord kapacitanserna namngivna
till CF och fr de friska utmatningarna r motsvarande kapacitanser parallellkopplade
och namngivna till CH1,n. Vid jordfel kommer potentialen mellan den felbehftade fasen
och jord att minska. Denna osymmetri leder till kad nollpunktsspnning (spnningen
mellan transformatorns neutralpunkt och jord) och jordfelsstrm kommer att g till de
friska utmatningarna via jord.
Fr vergng till symmetriska komponenter anvnds Figur 7 som utgngspunkt.
Figur 7 Generellt kopplingsschema fr spoljordat system
Vid jordslutning med en felimpedans ZF mellan fas a och jord blir spnningen:
8
, 3
Fasstrmmarna blir:
4
Vid insttning av strmmarna i 2 ges fljande:
5
Formel 1 ger de symmetriska spnningarna som:
6
Om en helt perfekt symmetrisk trefasspnning ges frn transformatorn blir
dr Ea r transformatorspnningen. Dessa ekvationer ger fljande ekvivalenta
kretsschema:
Figur 8 Ekvivalent kretsschema vid enfasigt jordfel
Vid frenkling av det ekvivalenta schemat i Figur 8, kan plus- och
minusfljdsimpedanserna frsummas d de ofta r betydligt mindre n
nollfljdsimpedanserna. Transformatorns nollfljdsimpedans kan ofta frsummas d
den br vara betydligt mindre n nollpunktsimpedansen, frhllandet mellan spolens
9
och krafttransformatorns mrkeffekt pverkar liksom transformatorns kopplingsart.
Ledningarna approximeras med -lnkar dr induktansen frsummas, vilket ofta r en
acceptabel approximation. Efter ovanstende frenklingar blir det motsvarande schema
nu:
Figur 9 Ur symmetriska komponenter frenklat schema vid enfasigt jordfel
Ur Figur 9 framgr parallellresonansen tydligt och om spolen r rtt avstmd fr 50 Hz
kommer enbart en resistiv strm att g genom felstllet. Nollpunktsresistansen
modelleras med RN och samtliga ntfrluster modelleras med RL.
Det frenklade schemat kan modifieras fr att tydliggra de strmmar som uppmtes av
relskydden. Figur 10 visar ett nt med tre utmatningar dr hgra utmatningen r
felbehftad. Nollfljdsstrmmen r ndrad till IF istllet fr I0 vilket innebr en
tredubbling av den tidigare nollfljdsstrmmen och drmed mste impedanserna ocks
reduceras till en tredjedel av dess vrde.
Figur 10 Frenklat schema med utmatningar
Ringarna r en symbol fr strmmtningen p varje utmatning. Figur 10 visar ocks att
strmmen som relskyddet mter i det felbehftade facket r nollfljdsstrmmen av alla
friska fack och nollpunktsstrmmen. Med andra ord r nollfljdsstrmmen i det
felbehftade facket:
10
7
Om spolen vore perfekt avstmd skulle nollfljdsstrmmen i det felbehftade facket
motsvara den kapacitiva strmmen i det felbehftade facket samt den aktiva strmmen
frn nollpunktsutrustningen och de friska ledarna, fast med omvnt tecken.
2.3.2 Intermittenta jordfel
Ett intermittent jordfel r en sekvens av jordslutningar som uppkommer i tt fljd. Varje
jordslutning ger en transient som bestr av urladdning- och uppladdningsstrm.
Sekvensen kan beskrivas med hjlp av Figur 9, noterbart r att denna modell r ytterst
frenklad och endast ger en approximativ modell fr strmtransienten. Schemat
fungerar dock bra fr att beskriva principen fr intermittenta jordfel.
Vid frsta jordslutningen gr en strmtransient via fas till jord kapacitanserna. Nr
nollpunktspnningen kar i amplitud kommer spolen strmbidrag att vxa med en
dynamik som styrs av spolens frhllande mellan induktans och resistans (typiskt 30-
150 ms). Om felet r anslutet lngre kompenserar spolens strm ut den kapacitiva
felstrmmen och nollpunktspnningen nr sitt maximum. Detta innebr att spnningen
ver felet minimeras och om jordslutningen bestr av en ljusbge kan den att slckas.
Nr ljusbgen slcks bortkopplas felet och nollfljdssystemet resonanskrets svnger
med sin egenfrekvens. Den uppladdade energin i spolen och kapacitanserna kommer att
laddas ur via nollpunktsmotstndet och vriga resistanserna i ntet. Nr
nollpunktspnningen minskar, s kar spnningen ver felstllet vilket kar risken fr
nytt verslag. Vid ett nytt verslag uppkommer en ny strmtransient vars storlek bland
annat beror p fas till jordspnningen vid feltillfllet. Figur 11 visar ett kortvarigt
intermittent jordfel med endast tv tndningar.
11
Figur 11 Kortvarigt intermittent jordfel
Fr mer information om intermittenta jordfel och implementation av ledningsmodeller
hnvisas lsaren till [5][ 6].
2.3.3 Dubbelt jordfel
Ett dubbelt jordfel innebr en tvpolig jordslutning p tv olika utmatningar i ntet.
Figur 12 nedan visar ett exempel p ett dubbelt jordfel i ett radialmatat distributionsnt.
Figur 12 Dubbelt jordfel
Vid dubbelt jordfel beror nollpunktspnningens amplitud p ledningsimpedanserna,
samt resistanserna i felstlle och jordtag fr respektive utmatning.
12
Ofta brjar de dubbla jordfelen som ett enfasigt jordfel. P grund av det enfasiga
jordfelet kar spnningen fr de tv friska faserna. Om ngon del i ntet har nedsatt
isolationsfrmga fr ngon av de friska faserna, finns nu en risk att ytterligare ett
jordfel tnds, vilket resulterar i ett dubbelt jordfel.
2.4 Relskyddsfunktioner
I varje transformatorstation finns ett antal skydd fr att skerstlla en hg
skerhetsniv fr allmnheten och stationsutrustningen. Det finns olika skydd fr
krafttransformatorer, samlingsskenor, ledningar, nollpunktsutrustning och
kondensatorbatterier. Nedan fljer ngra beskrivningar av funktioner som kan finnas
implementerade i ett modernt relskydd fr radialmatade ledningar.
2.4.1 verstrmsskydd
verstrmsskydden mter fasstrmmarna p varje utmatning och skall detektera
kortslutningar. Normalt finns ett antal olika steg med instllningsbar strmniv och
tidsfrdrjning. Tidskarakteristiken r instllningsbar och kan vara invers vilket
innebr att funktionstiden r omvnt proportionellt mot strmmens belopp. Ett annat
alternativ r fast tidsfrdrjning dr en tidsrknare aktiveras om strmmen verstiger
instllt startvrde.
2.4.2 Riktat jordfelsskydd
Fr varje ledningsfack anvnds ofta ett riktat jordfelsskydd fr att detektera och
bortkoppla enfasiga jordslutningar. Skyddet skall ge selektiv bortkoppling vid enfasigt
jordfel och anvnder nollfljdsstrmmen (egentligen tre gnger nollfljdsstrmmen,
3I0) frn utmatningen och nollpunktspnningen fr detektering. Skyddet mter
strmmens riktning i relation till nollpunktspnningen (polarisationsspnning).
Nedan fljer en beskrivning av ett relskydds typiska instllningsparametrar, de
engelska namnen inom parantes motsvarar namnen fr instllningarna i bilaga A och B.
Det ska dock noteras att namnen p sjlva instllningsparametrarna kan variera mellan
tillverkare och modell.
Funktionsomrde
Funktionsomrdet beskriver nollfljdstrmmen och nollpunktspnningens
grundtonskomponenter i det komplexa talplanet. Figur 13 nedan visar
relskyddets funktionsomrde, x-axeln motsvarar nollpunktspnningens
riktning.
13
Figur 13 Funktionsomrde fr riktat jordfelsskydd
Karakteristiker (Operation mode)
Det finns olika typer av karakteristiker som kan stllas in beroende p
relskyddsmodell. I denna rapport behandlas enbart cos() och sin(). Vid
cos()-mtning anvnds den aktiva strmkomponenten (I0:s realdel) fr att
detektera jordfel, och vid sin()-mtning anvnds reaktiva komponenten
(I0:s imaginrdel). Vid isolerat system anvnds sin()-mtning och fr
resistans- och spoljordat system anvnds cos()-mtning. Figur 14 nedan
visar funktionsomrdet fr cos()-mtande skydd och Figur 15 fr sin()-
mtande skydd.
14
Figur 14 Funktionsomrde vid cos() karakteristik och framtriktning
Figur 15 Funktionsomrde vid sin() karakteristik och framtriktning
Startvrde fr nollfljdsstrm (Start value)
15
Startvrdet fr nollfljdsstrmmen bestmmer nr skyddet startar och
vrdet bestms utifrn krav p hgsta detekterbara felresistans.
Startvrdet avser vid cos()- eller sin()-mtning den aktiva respektive
den reaktiva strmmen, se Figur 14 och Figur 15.
Startvrde fr nollpunktsspnning (Voltage start value)
Startvrdena fr nollpunktsspnning och nollfljdsstrm bestmmer nr
det riktade jordfelssteget skall starta. Startkriteriet fr det riktade
jordfelssteget r allts att bde nollpunktspnningen och
nollfljdsstrmmen skall verstiga sina startvrden. Vrdet stts efter den
hgsta jordfelresistans som skall kunna detekteras. Vid instllning mste
ocks naturlig osymmetri beaktas, s att skyddet inte kan starta obefogat.
Dessutom mste spnningens amplitud verskrida en minsta niv.
Funktionstid (Operate delay time)
Tiden trip-rknaren mste rkna upp innan skyddet skickar
frnkopplingssignal till brytaren. Rknar upp d startkriteriet fr
nollpunktspnningen och nollfljdsstrmmen uppfylls.
terstllningstid (Reset delay time)
Om det riktade jordfelssteget har startat fr jordslutning och felet
frsvinner, s stannar trip-rknaren. terstllningstiden bestmmer sedan
tiden frn det att skyddet slutat rkna tills trip-rknaren nollstlls. Alla
tillverkare har inte denna parameter implementerade i sina skydd.
tergngsfrhllande
tergngsfrhllandet r ingen stllbar skyddsparameter. Vrdet beskrivs i
procent av startvrdet fr nollpunktspnningen eller nollfljdsstrmmen.
Frhllandet beskriver relationen mellan skyddets startvrde och vrdet
nr startsignalen tergr. tergngsfrhllandet r kvoten mellan det vrde
d startsignalen tergr och det instllda startvrdet.
Tidskarekteristik (Operation curve type)
Tidskarakteristiken vid jordfel r valbar, se 2.4.1. Normalt anvnds fast
tidsfrdrjning.
Korrektionsvinkel (Correction angle)
Korrektionsvinkeln r en extra skerhetfunktion fr att i mjligaste mn
undvika sympatiutlsningar vid vinkelfel i strm- och
spnningstransformeringen. Vinkeln r illustrerad i Figur 14 och Figur 15
16
som Korr.vinkel. I figurerna r vinkeln ngot verdriven, fr verkliga
applikationer r vinkeln instlld p ngon enstaka grad.
2.4.3 Oriktat jordfelsskydd
Ett oriktat jordfelsskydd mter nollfljdsstrmmens belopp utan hnsyn till strmmens
riktning. Skyddet kan anvndas fr att koppla bort dubbla jordfel. Instllningen p
verstrmskyddets startsteg begrnsas av att det mste stllas med god marginal mot
frekommande laststrmmar. Ett oriktat jordfelsskydd kan stllas knsligare eftersom
normalt frekommande nollfljdsstrmmar begrnsas till ngon enstaka procent av
laststrmmen. Dock mste startvrdet fr det oriktade jordfelsskyddet stllas strre n
den kapacitiva felstrmmen fr den utmatningen som den skall skydda fr att undvika
obefogade utlsningar vid jordfel p annat fack n det dr skyddet sitter.
2.4.4 Nollpunktsspnningsskydd (NUS)
Detta skydd anvnder nollpunktspnningens belopp fr att detektera jordfel. Skyddet
anvndningsomrde kan variera beroende p distributionsntets uppbyggnad och
storlek. Huvudsyftet r oftast att skydda vid jordfel p samlingsskenan och
krafttransformatorn nedspnningssida. I de flesta fall r ven NUS:et ett reservskydd fr
de riktade jordfelstegen vid jordfel i ntet.. Vid instllning av startvrdet mste hnsyn
tas till de riktade jordfelstegen och eventuella osymmetrier i ntet tas, fr att skerstlla
selektivitet och frhindra obefogad start. NUS:et har drfr en lngre tidsfrdrjning n
de riktade jordfelsstegen. Vid utlsning bortkopplas alla inmatningar till samlingsskenan
och det finns ven ett andra steg som lser uppsidan av krafttransformatorn
2.4.5 Transientmtande skydd
Ofta startar en lgohmig enfasig jordslutning med en tydlig strm- och
spnningstransient. Transientens storlek beror p fellge, felresistans, matande nt (alla
friska utmatningar) och momentanspnningen fr den felbehftade fasen. Tecknen p
strm- och spnningstransienten kan anvndas fr att peka ut den felbehftade
utmatningen. Figur 16 nedan visar exempel p en tydlig transient
17
Figur 16 Exempel p transient
Vissa typer av jordfel, exempelvis hgohmiga, ger ingen tydlig transient utan domineras
av en fundamental frekvens, drfr br ett riktat grundtonsmtande jordfelsskydd
anvndas parallellt med det transientmtande skyddet. Det r ocks viktigt att skyddet
r skert, det vill sga att det inte lser ut fr normalt frekommande
kopplingstransienter.
2.5 Mttransformatorer
Mttransformatorerna r viktiga fr relskyddens funktion men lmnas utanfr detta
arbete, varfr de endast nmns kortfattat. De anvnds fr att transformera ner hga
spnningar och strmmar till mer hanterbara niver fr relskydden. De isolerar ocks
hgspnningsdelarna frn skyddsutrustningen.
Vid mtning av nollpunktspnningen kopplas en spnningstransformator in parallellt
med nollpunkten och jord. I Sverige r ofta spnningsnivn p sekundrsidan nominellt
110 V vid stumt jordfel. P grund av frluster och reaktiva komponenter i
transformatorn uppstr mtfel vid spnningstransformering, bde i amplitud och i fas.
Frlusterna uppstr p grund av lindningsresistans, last, magnetiseringsstrm och
magnetiska frluster ssom hysteresfrluster. Fr mttransformatorer finns det
standarder som beskriver maximal amplitud- och vinkelfel inom ett givet omrde vid
specifierad last.
Vid mtning av nollfljdsstrm anvnds istllet strmtransformatorer och tv olika
typer kan anvndas nmligen:
Kabelstrmstransformator
18
Summastrmkopplad strmtransformator (tre separata transformatorer)
Figur 17 visar en modell fr en strmtransformator, samma principiella modell kan
ocks anvnds fr spnningstransformatorer. Fr strmtransformatorerna finns en vre
och en undre grns fr nr skillnaden mellan primr- och sekundrstrmmen hller sig
inom de givna specifikationerna. Anledningen till den nedre grnsen r att
magnetiseringsinduktansen, L0 inte frhller sig ngorlunda linjr nda upp till mttning
utan r lgre vid sm strmmar, vilket gr att det relativa felet kar vid sm strmmar.
Figur 17 Modell fr strmtransformator
19
3 Provningsmetodik Detta avsnitt beskriver de olika metoderna fr provning av funktioner i ett modern
relskydd [8]. Proven skall visa om korrekt funktion vid jordfel uppns fr instllt vrde.
Vid utveckling av relskydd har tillverkaren mjlighet att testa varje funktion i detalj
utifrn deras specifikation. Ur anvndarsynpunkt gr det enbart att testa de
instllningar som anvndaren har tillgng till. De utsignaler som finns tillgngliga fr
utvrdering av en funktion och dess instllningar r startsignalen (Trig) och
utlsningssignalen (Trip). Tv typer av principer anvnds fr provningen,
datorgenerade signaler (mestadels 50 Hz sinussignaler fr nollfljdsstrm och
spnning) och strningsregistreringar.
3.1 Riktad jordfelsfunktion
Fr skerstllande att det riktade jordfelssteget fungerar korrekt i ett modernt
relskydd har ett antal olika prov utarbetats.
Funktion vid avvikande frekvens
Vid stora strningar kan frekvensen avvika frn den nominella
ntfrekvensen. Drfr r det viktigt att bestmma frekvensomrdet dr det
riktade jordfelssteg ger korrekt funktion [9]. Skyddets startkriterier fr
spnning och strm, provas vid avvikande frekvens. Vid jordfel r
nollfljdsstrmmens amplitud ofta det sista startvrdet som verskrids, och
drfr provas skyddet med en strmamplitud nra startvrdet.
Funktionstid vid varierande nollfljdsstrm
Fr att skerstlla att skyddet verkligen lser enligt instlld funktionstid
vid det instllda startvrdet kan skyddets funktionstid provas vid olika
nollfljdsstrmmar. Mtningen av funktionstid visar ocks skyddets
mtnoggranhet vid startvrdet.
Funktionstid vid varierande nollpunktsspnning
Funktionstiden provas ocks vid varierande nollpunktsspnning. Eftersom
spnningens starvrde ofta r knsligare n strmmens, r spnningens
mtnoggranhet mindre kritiskt. Provet r nd anvndbart fr att visa
skyddets mtnoggranhet vid instllt startvrde.
tergngsfrhllande som funktion av nollfljdsstrm
Det rder alltid en viss hysteres vid start och tergng fr ett relskydd.
Denna hysteres fr inte vara fr stor s att en kortvarig strning dr
nollfljdsstrmmen gr ver startvrdet och sedan snabbt gr under igen
leder till att skyddet lser ut.
20
tergngsfrhllande som funktion av nollpunktsspnning
Samma krav p tergngsfrhllandet gller ven fr
nollpunktsspnningen. Spnningens startvrdet r ofta instlld med hgre
knslighet vilket minskar kravet p tergngsfrhllandet.
Brusknslighet
Mtbrus br ha liten pverkan p skyddets instllda startkriterier. Vid test
av brusknsligheten har enbart brus lagts till i nollfljdsstrmmen d det
rcker fr pverka vinkelmtningen. Amplitudmtningen pverkas ocks av
brus. Spnningen startvrde r ofta knsligare instlld, vilket betyder att
strmmens startvrde blir mest brusknslig. Nollfljdsstrmmen stts s
liten som mjligt (nra startvrdet och 0 fasvinkel mellan strm och
spnning) fr att SNR2 skall bli s liten som mjlig.
vertonsknslighet
Skyddet skall mta grundtonskomponenten och anvnda den fr att avgra
storleken p nollfljdsstrm och nollpunktspnningen samt fasvinkeln. Fr
att prova skyddets frmga att mta korrekt ven vid vertoner adderas en
verton till nollfljdsstrmmen.
Funktionsomrde
Skyddets frmga att korrekt mta amplitud och fasvinkel provas genom
att spela upp nollpunktsspnning och nollfljdsstrm med olika
kombinationer av amplituder och fasvinklar. I provet gr det att se om
skyddet fljer den instllda karakteristiken.
Inspelade strningar
ven om ovanstende prov ger en god bild av hur skyddet fungerar, s r
felen i verkligheten mycket mer komplexa och varierande n rena
sinussignaler. Drfr anvnds ocks inspelade jordfel fr att kunna prova
det riktade jordfelssteget. I DLAB har en strningsskrivare3 utvecklats och
varit installerad i en transformatorstation under en tid [10]. De riktade
jordfelssteget har provats med inspelade strningar. Vid anvndning av
inspelade strningar mste ocks omsttningen p strmtransformatorn
fr den inspelade utmatningen tas i beaktan vid instllning av relskyddet
d den bestmmer startvrdet fr strmmen.
2 Signal to Noise Ratio 3 En strningsskrivare r en utrustning som under strningar spelar in strm- och spnningssignaler
21
3.2 Oriktad jordfelsfunktion
Tankegngen fr provningen av det oriktade jordfelssteget r ungefr samma som fr
det riktade jordfelssteget. Skillnaden r att mtningen av nollpunktsspnningen inte
behver beaktas. Nedanstende prov fr test av korrekt funktion kan anvndas:
Frekvensknslighet
Funktionstid som funktion av nollfljdsstrm
tergngsfrhllande som funktion av nollfljdsstrm
Brusknslighet
vertonsknslighet
Inspelade strningar
3.3 Transientmtande funktion
Eftersom verkliga inspelade transienter varit tillgngliga, har det inte funnits ngot
behov att gra ytterligare datasimuleringar. Datasimuleringars giltighet och relevans
kan alltid ifrgasttas. Det r alltid mycket svrare att ifrgastta provningsresultat
baserat p verkliga mtningar. Mtningarna mste dock vara av god kvalit vad gller
upplsning, mtnoggranhet och frekvensomfng fr att kunna terge transienter med
bra precision. tergngsfrhllandet fr nollpunktsspnningen har dock uppmtts
enligt samma princip som fr det riktade jordfelssteget.
3.4 Testspefikation
Testspecifikationen beskriver mer ingende hur proven r tnkta att utfras.
3.4.1 Signaler som spelas in under provning
Vid provning av relskydd samplas fljande insignaler till skyddet i 100 kHz
Nollfljdsstrm Nollpunktsspnning
Fljande utgende signaler frn skyddet samplas i 10 kHz
DEFHPDEF Trig (Det vre riktade jordfelsskyddets startsignal, oriktat) DEFHPDEF Trip (Det vre riktade jordfelsskyddets utlsningssignal, oriktat) DEFLPDEF Trig (Det lgre riktade jordfelsskyddets startsignal) DEFLPDEF Trip (Det lgre riktade jordfelsskyddets utlsningssignal) INTRPTEF Trig (Det transientmtande stegets startsignal)
22
INTRPTEF Trip (Det transientmtande stegets utlsningssignal)
Namnen p funktionerna r valda enligt deras motsvarighet i IEC 61850 protokollet.
Frdelen r att namnen fungerar bttre vid programmering d de inte innehller ngra
specialtecken. Alla de ovanstende funktionerna r aktiverade under proven,
undantaget RXHL421 som enbart har ett riktat jordfelsteg och en enklare variant av
intermittentfunktion. Motsvarande namn fr det riktade jordfelssteget i RXHL blir
DEFLPDEF. vriga funktioner som finns implementerade i skyddet r avstngda.
3.4.2 Provning av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg
Fljande prover kommer att utfras fr att prova det riktade grundtonsmtande
jordfelsstegets funktion. Om mtningen inte gr att utfra enligt specifkationen, eller att
mtningen inte stmmer verrens med specifikationen s framgr det i vid presentation
av resultatet. Varje prov kommer att spelas upp tre till sex gnger och nr det r mjligt,
presenteras resultatet som min-, max- och medianvrde. Medianvrdet blir vid jmt
antal mtningar medelvrdet av de tv medianvrdena. Om den uppmtta realdelen
eller imaginrdelen av strmmen skiljer sig frn nskat vrde med mer n 0,5 % anses
resultatet oplitligt och anvnds inte. Undantag gller fr mtningar dr spnning och
strm skall ligga i fas, dr kontrolleras enbart realdelen. Eftersom det inte r
meningsfullt att mta den relativa skillnaden fr referenser som r noll. Alla prov utfrs
med aktiv strm (fasvinkel mellan spnning och strm stts till 0) om inget annat
anges.
Prov av funktionstid som funktion av nollfljdsstrm
Strm = 90-130 % av instllt startvrde i steg om 1 %. Nollpunktspnningen instlld p vrde vl ver startvrdet fr nollpunktspnningen (anges vid presentation av resultatet).
Prov av funktionstid som funktion av nollpunktsspnning
Spnning = 90-130 % av instllt startvrde fr nollpunktspnningen i steg om 1 %. Nollfljdsstrm instlld p vrde vl ver startvrdet (anges vid presentation av resultatet).
Prov av frekvensknslighet
Frekvens = 30-70 Hz i steg om 0,25 Hz. Strm = 101 % av strmvrdet d skyddet startar. Nollpunktspnningen instlld p vrde vl ver startvrdet fr nollpunktspnningen (anges vid presentation av resultatet).
Prov av tergngsfrhllande som funktion av nollfljdsstrm
23
Strm = 105-80 % av instllt startvrde i steg om 1 %. Nollpunktspnningen instlld p vrde vl ver startvrdet fr nollpunktspnningen (anges vid presentation av resultatet).
Prov av tergngsfrhllande som funktion av nollpunktsspnning
Spnning = 105-80 % av instllt startvrde fr nollpunktspnningen i steg om 1 %. Nollfljdsstrm instlld p vrde vl ver startvrdet (anges vid presentation av resultatet).
Prov av skyddets frmga att mta korrekt ven vid inverkan av vertoner
Uppspelning av grundton och en verton.
Grundtonsamplitud = 101 % av strmvrdet d skyddet startar.
vertonsfrekvens = 2-6*grundtonsfrekvens.
vertonsfas = 0, 45, 90 i frhllande till faslget fr grundtonen.
vertonsamplitud = 0-20 % av grundtonamplitud i steg om 1 %.
Prov av skyddets brusknslighet (normalfrdelat, enbart brus i nollfljdsstrm)
Vntevrde = 0
Standardavikelse = 1, 3, 10 % av nollfljdsstrmmens RMS vrde. Nollfljdsstrmmen = 95-105 % av startvrdet i steg om 1 %. Nollpunktspnningen instlld p vrde vl ver startvrdet fr nollpunktspnningen (anges vid presentation av resultatet).
Prov av skyddets funktionsomrde.
Vid korrektionsvinkel > 0
Aktiv del av nollfljdsstrm = 80-140 % av startvrde i steg om 5 %.
Reaktiv del av nollfljdsstrm = -140-140 % av startvrdet*tan(90-korrektionsvinkel) i steg om 5 %.
Vid korrektionsvinkel = 0
Aktiv del av nollfljdsstrm = 80-140 % av startvrde i steg om 5 %.
Reaktiv del av nollfljdsstrm = -140-140 % av startvrdet*tan(89) i steg om 5 %.
24
3.4.3 Prov med uppspelning av transienter
Inspelade transienter har spelas upp fr att prova skyddets frmga att detektera
transienter. Transienter som uppkommit vid ett antal uppmtta jordfel samlas in till ett
testbibliotek. Fr inspelningar som innehller intermittenta jordfel plockas
transienterna ur inspelningen fr att spelas upp en i taget.
Vid varje transientprov anvnds strmmen frn det felbehftade facket och drefter provas ven funktionen med uppspelning av strm frn tv friska fack. De tv friska facken vljs efter strsta amplitud och frekvensinnehll vid feltillfllet.
Vid varje uppspelning spelas insignaler och utsignaler in fr att eftert kunna kontrolleras och analyseras.
3.4.4 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel
Denna del av provningen provar relskyddets funktion vid uppspelning av intermittenta
jordfel. Tidigare prov visar skyddets frmga att detektera enstaka transienter. Detta
prov kontrollera skyddets beteende vid flera transienter i tt fljd.
Ett urval av inspelade intermittenta jordfel spelas upp. Frst strm frn det felbehftade facket sedan frn tv friska.
Vid varje uppspelning spelas insignaler och utsignaler in fr att eftert kunna kontrolleras och analyseras.
3.4.5 vriga prov
De inspelningar med fel som inte kan klassificeras som varken transienta eller
intermittenta jordfel provas under vriga prov. Dessa jordfel kan till exempel brja med
ett permanent jordfel fr att sedan verg till ett dubbelt jordfel.
Vid varje uppspelning spelas insignaler och utsignaler in fr att eftert kunna kontrolleras och analyseras.
25
4 Provutrustning Kapitlet beskriver val och utvecklingen av hrd- och mjukvara som tagits fram under
arbetet.
4.1 Mjukvara
Utvecklingsmilj fr provprogrammet r National Instruments LabVIEW vilket r en
utmrkt plattform fr automatiserade mtningar. ven MathWorks MATLAB har
anvnts, frmst fr mtdatautvrdering men ocks fr snabbare programmeringstester.
4.2 Hrdvara
Hrdvaran som har anvnts fr provutrustningen r angiven nedan:
PC (Operativsystem: Microsoft Windows XP)
LD DP4950 4x950W (slutsteg)
M-AUDIO ProFire 2626 (ljudkort)
NI cDAQ-9174 (USB-chassi fr IO moduler)
o NI 9215 C serie IO modul (4 analoga ingngar, simultan sampling)
o NI 9205 C serie IO modul (32 analoga ingngar, multiplexad sampling)
Effektmotstnd
o 5 (8 x 10 100 W-> 800 W)
o Lginduktiv 100 (100 W)
Toroidtransformator (15 V -> 230 V)
26
Bild 1 Provutrustningen i DLAB
Bild 1 ovan visar provutrustningen, ram 1 visar ljudkortet, PCn och slutsteget. Ram 2
visar utgngarna frn provutrustningen och mtpunkterna fr utsignalerna, lngst ner i
ramen syns effektmotstndet. Ram 3 visar samplingsutrustningen och tv relskydd.
Figur 18 Blockschema ver mtsystem
Ett blockschema ver utrustningen illustreras i Figur 18 ovan. En kort beskrivning av en
provuppspelningssekvens utifrn blockschemat:
Testsignaler (nollfljdsstrm och nollpunktsspnning) skickas frn dator till ljudkortet
via Firewire-bussen, ljudkortet DA-omvandlar signalerna som frstrks. Motstndet r
p ca 5 ohm och kan ses som en omvandling av frstrkarens utspnning till en fr
skyddet lmplig strmniv.
Relskyddets spnningsingngar behver ofta hgre spnning, ca 110 V, n
effektfrstrkarens max spnning. Drfr anvndes en spnningstransformator som
27
transformerar frstrkaren utspnning till en fr skyddet lmplig spnningsniv.
Signalen gr in till skyddet och parallellt med uppspelningen samplas insignalerna till
skyddet och utsignalerna frn skyddet. Spnningsdelningen anpassar signalerna till
modulens (NI 9215) mtomrde. Varje skyddsfunktion anvnder tv reler som
utgngar, och vid start- eller utlsningssignal sluts motsvarande rel. Spnningskllan (9
V batteri) anvnds fr att spnningsstta motstnden i serie med varje utgngsrel,
modulen (NI 9205) mter i sin tur spnningen ver varje motstnd. Den inspelade
signalen kan anvndas fr att korrigera eventuella fel och provet kan sedan repeteras
med en ny korrigerad testsignal.
4.2.1 Frstrkare
Strningsskrivaren i DLAB projektet har en samplingshastighet om 50 kHz. Ett vanlig
PA-slutsteg har en frekvensgng p 20 20000 Hz vilket gr den anvndbar som
frstrkare eftersom strre delen av den inspelade signalens frekvensinnehll kan
terskapas. Ett toppvrde p ca 15 A r tillrckligt och ett motstnd p 5 valdes. Detta
motstndsvrde ansgs tillrckligt stort fr att spnningsdelningen mellan skyddets
ingngsimpedans och motstndet skulle vara frsumbar. Fr att ocks kunna generera
tillrcklig hg nollpunktsspnning, ca 110 V, anvndes en toroidtransformator fr
upptransformering.
4.2.2 Ljudkort
Som uppspelningsklla valdes ett externt ljudkort fr att gra utrustningen mer mobil.
Prestandan fr ljudkortet r:
8 Analoga utgngar
192 kHz uppspelningshastighet
24 bitar upplsning
Frdelen med ett ljudkort gentemot en analog C serie modul (gr att koppla direkt i
cDAQ) r att utgngsfilter finns frdigt samt att ljudkortet har hgre upplsning och
hgre uppspelningshastighet. Nackdelen r smre drivrutiner och ingen synkronisering
mellan uppspelning och inspelning. Avsaknaden av synkroniseringen innebr att
samplingen mste starta innan uppspelningen och att vid jmfrelse mellan uppspelad
signal och insignal s mste signalerna synkroniseras i efterhand. Det innebr ocks att
det kommer vara en viss frekvensskillnad p signalerna eftersom sampelklockan och
ljudkortetsklocka inte r synkroniserade, detta ses genom att tidsskillnaden mellan
signalerna kar fr varje sampelsteg. Denna skillnad kan dock korrigeras i efterhand.
4.2.3 Dataloggning av relskyddets signaler
En NI 9215 modul anvnds fr att logga relskyddets insignaler. Samplingshastigheten
r satt till 100 kHz och den simultana samplingen medfr hg precision vid berkning av
fasskillnad mellan insignalerna.
28
Relskyddets binra utsignaler loggas med en NI 9205 modul dr samplingshastigheten
r satt till 10 kHz. Samplingen fr denna modul r multiplexad vilket ger en liten
frdrjning mellan varje mtning p 4 s. Tidsupplsningen vid 10 kHz blir 0,1 ms vilket
ger tillrcklig precision fr mtning av start- och utlsningstid.
Bda modulerna samplar synkront.
4.3 Beskrivning av provprogram
Programmet mjliggr bde uppspelning av enstaka prov, samt hela frdefinierade
testbibliotek. I bilaga D finns ett urval av bilder p programmets grnssnitt.
Vid start av programmet utfrs frst en kalibrering av strm och spnning. Frstrkaren
har inte helt linjr frstrkning varfr den kalibreras med ett antal strm- och
spnningsmtningar med varierande amplitud, vilket frbttrar noggrannheten. Val av
kalibreringstyp beror vald provmetodik. Provmetoderna som kan anvndas r:
Grundtonsuppspelning
Uppspelning av strningsregistrering
Fr grundtonsuppspelning vljs RMS kalibrering som brjar med att en tv sekunder
lng sinussignal (bde nollfljdsstrm och nollpunktsspnning) spelas upp fr
ungefrlig kontroll av spnning- och strmfrstrkning och fasskillnad. Drefter fljer
ett antal mtningar av spnning och strm vid olika amplituder. De inspelade vrdena
anvnds sedan fr att interpolera fram utsignalsamplituder efter nskade
sekundrvrden.
Vid uppspelning av strningsregistreringar, s kalibreras spnnings- och
strmfrstrkningen med hjlp av korta impulser. Resultatet anvnds fr att interpolera
fram aktuell utsignalsamplitud.
4.3.1 Grundtonsuppspelning
Vid grundtonsuppspelningen anvnds det lginduktiva 100 motstndet. Under
fljande frhllande uppfyller provningsutrustningen noggrannhetskraven fr amplitud
och fasvinkeln
Nollfljdsstrm = 6 -700 mA
Nollpunktsspnning = 5 200 V
Uppspelningstid > 250 ms
Om signalniverna, eller uppspelningstiden, ej uppfyller ovanstende vrden, s minskar
signal brusfrhllandet, vilket kan medfra oacceptabelt lg precision i amplitud och
29
fasvinkelmtningen. Ett exempel r att nollfljdsstrmmens tergngsfrhllande
provas med en nollpunktsspnning med hg amplitud, ca 50 V, vilket ger en tydligare
riktningsreferens. Uppspelningshastighet om 192 kHz, och dataloggning vid 100 kHz,
respektive 10 kHz, krver mycket arbetsminne, varfr uppspelningstiden r begrnsad
till ca 10 s. D funktionstiden under grundtonstestningen sllan verstiger 500 ms
innebr detta ingen begrnsning.
Varje grundtonstest kan stllas in med fljande parametrar:
Frekvens (Hz)
Uppspelningstid (ms)
Amplitud p nollfljdsstrmmen (mA)
Amplitud p nollpunktspnningen (V)
Fasvinkel ()
Amplitud ndring
o Aktivera fr strm (boolesk variabel)
o Aktivera fr spnning (boolesk variabel)
o Starttid fr ndring av amplitud (% av uppspelningstid)
o Tid fr tergng av amplitud (% av uppspelningstid)
o Typ av amplitudfrndring
Direkt
Linjr
Exponentiell
Brus och vertoner
o Aktivera fr strm (boolesk variabel)
o Aktivera fr spnning (boolesk variabel)
o SD fr brussignal (% av grundtonsbelopp)
o verton 1-5
Amplitud (% av grundtonsbelopp)
Fasvinkel ()
30
Fr varje grundtonstest mts och presenteras fljande data:
Frekvens (Hz)
Frekvensen mts med ett av LabVIEWs frdiga VI.
Storlek p grundtonskomponenten av nollfljdsstrmen (mA)
Korrigering av DC komponent i brjan av uppspelning och DFT p hela
uppspelningssignalen.
Storlek p grundtonskomponenten av nollpunktspnningen (V)
Samma som fr nollfljdsstrmmen.
Fasvinkeln mellan nollfljdsstrmmen och nollpunktspnningen ()
Anvnder resultatet av DFTn fr nollfljdsstrm och nollpunktspnning fr
berkning av fasvinkel.
Starttid fr uppspelningen (samplingen startar innan uppspelning)
Mter tidpunkt d nollpunktspnningen verstiger ett viss trskelvrde.
Start- och stoptider fr olika relfunktioner
o Tid frn start av uppspelning till start av relskyddets startsignal
Samma som fr starttid fr uppspelning
o Tid frn start av uppspelning till relskyddets startsignal tergr
Samma som fr starttid fr uppspelning
o Tid frn start av uppspelning till relskyddets utlsningssignal startar
Samma som fr starttid fr uppspelning
Uppspelningssignalernas DC-komponent filtreras bort innan DFT-berkningen.
Amplitudmtningen av signalen pverkas inte nmnvrt av DC-komponenten men
mtningen av fasvinkeln blir ngot smre varfr korrigeringen utfrs. Skillnaden rr sig
om enstaka minuter av en grad men r tillrcklig fr att mtningen av funktionsomrdet
skall bli alltfr osker vid stora vinklar.
Fr att f en ungefrlig uppfattning av hur DC-komponent pverkar
grundtonsmtningen i brjan p uppspelningssignalen har en testinspelning gjorts, se
Figur 19.
31
Figur 19 Kontroll av DFT mtning av grundtonsuppspelning
Lngst ner i Figur 19 syns topparna p nollpunktsspnningen, spnningen startar alltid
vid sitt maximum fr att minimera DC-komponenten. Mtningen visar ocks att DC-
komponenten i nollpunktsspnningen r frsumbar. Fr nollfljdsstrmmen som vid
inspelningen inte startar vid sitt maximum r DC-komponenten desto mer tydlig.
Mtningen av fasvinkel, strmbelopp och aktiv strm har p grund av DC-komponenten
ett visst rippel men medelvrdet ver en period stmmer vl verrens med de vrden
som mtningarna konvergerar mot. Drfr anses att en DC-komponent har marginell
pverkan p provresultaten.
Vid testsekvenser vljer anvndaren vilka typer av testmetoder som skall utfras och
stller in ett antal olika parametrar. Samtidigt vljer ocks anvndaren vad det r fr
relskydd som provas och vilka instllningar som r gjorda. Efter uppspelningen av alla
testmetoder sparas all mtdata och relskyddsinstllningar i en mapp med tidpunkt fr
provningen som namn. I grundtonsuppspelningen sparas inte inspelningar av signalerna
undan utan enbart testresultatet. Mer om mtdatahanteringen i avsnitt 4.4.
4.3.2 Uppspelning av strningsregistrering
Vid uppspelning av strningsregistreringar anvnds 5 motstndet fr mjlighet till
strre strmmar. Instllningarna fr uppspelning av en strning r:
Val av strningsfil
Val av spnning (antingen delta eller nollpunktspnning)
Val av utmatning (inspelad nollfljdsstrm i varje fack)
32
Aktivera korrigering av signal (boolesk variabel)
Korrigering av signal innebr att inspelningsdatan interpoleras upp till samma
samplingsfrekvens som den uppspelade signalen frn ljudkortet. Datan synkroniseras
sedan genom minsta kvadratmetod, punkten dr signalerna ska synkroniseras r den
del av uppspelningssignalen som har strst derivatabelopp. Skillnaden mellan
signalerna sparas undan och dras ifrn vid nsta teruppspelning av signalen, detta
fungerar bra d frstrkningen r relativt linjr. Nackdelen med metoden r att brus
frn mtningen nu lggs till i uppspelningssignalen.
Ett problem med uppspelning av transienter r den DC-komponent som d lggs till
signalen. Problemet beror p hgpassfiltren i ljudkort och frstrkare, dessa filter gr
dock inte att ta bort och behvs dessutom fr att en eventuell DC-offset i
uppspelningssignalerna inte skall mtta spnningstransformatorn. Fr exempel p DC-
komponent, se Figur 66.
Vid lngre testsekvenser s vljer anvndaren feltyp som skall testkras och antingen
kan hela det valda testbiblioteket spelas upp eller utvalda delar. Val av relskydd och
dess instllningar utfrs precis som fr grundtonsuppspelningen. Alla uppspelningar
och mtningar sparas undan fr att kunna anvndas vid utvrdering av provresultat.
Mer om det i nsta avsnitt.
4.4 Mtdatahantering
Fr mtdatahantering anvnds MATLAB d plottning av data r mer ltthanterligt n vid
anvndning av LabVIEW. Vid grundtonsuppspelning kan vald mtdata laddas ner i
MATLABs arbetsminne. All mtdata r sparad i textfiler och en rekursiv funktion letar
igenom den valda mappen och lgger in all textdata i en struktur4. Beroende p
provmetod kan sedan plottar skapas genom frdigskrivna script som hmtar data ur
strukturen.
Vid provning med strningsregisteringar kan samma rekursiva funktion anvndas fr
att hmta hem mtdata. Varje provning r ocks sparad och kan plottas via ett annat
script. Grundtonskomponenten i uppspelad signal och referens, kan kontrolleras genom
en DFT berkning och en grafisk jmfrelse (Matlab-plottning).
4 En struktur kan best av flera olika vrden
33
5 Utfrande av relprovning Tv olika relskydd har under arbetets gng provats med provprogrammet.
ABB RXHL421
ABB REF615
Bild 2 ABB RXHL 421
34
Bild 3 ABB REF615
ABB RXHL421 r ett ldre skydd och dess frmsta funktion fr jordfelsdetektering r
dess riktade jordfelssteg.
ABB REF615 r ett nytt relskydd frn ABB och har fr jordfelsdetektering bde riktad,
oriktad och transientmtande funktion. Den oriktade jordfelsfunktionen anvnds inte d
den provade versionen av skyddet anvnder fasstrmmarna fr att berkna
nollfljdsstrmmen. Istllet anvnds det vre riktade steget som stlls in fr oriktad
funktion.
5.1 Provning av ABB RXHL421
Alla instllningar och data ges i sekundrvrden om inget annat anges.
5.1.1 Provning av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg
Denna sektion visar provningen av grundtonsfunktionen fr det provade relet.
Vid varje prov skickas signaler till relskyddet under en bestmd tid samtidigt som
insignalerna (nollpunktsspnning och nollfljdstrm) till relet samt relets utsignaler
trip och trig samplas. Mellan proven r det ett kort uppehll p ca 200 ms.
Funktionstiden r satt till 500 ms, normalt anvnds tidsfrdrjningar p upp till 3s.
35
Detta skulle dock ge ondigt lnga tester varfr tiden har kortats ner till ett rimligare
vrde.
Under provningen r relet instllt enligt bilaga A Tabell 1. Skyddets startvrde r
instllt fr ett 10 kV nt med ett nollpunktsmotstnd p 5 A.
terstllningstiden r instlld till noll eftersom relet kan starta senare n tnkt. Om
terstllningstiden r fr stor, kan vrdet ligga kvar i trip-rknaren, vilket skulle kunna
medfra att relet skulle kunna utlsa tidigare vid nsta testsignal.
Om inget annat anges i texten har alla proven utfrts med aktiv nollfljdsstrm, det vill
sga resistiv strm.
5.1.1.1 Prov av funktionstid som funktion av nollfljdsstrm
Detta prov visar hur skyddets strmmtning fungerar vid aktiva strmmar och
funktionstidens beroende av strmstorleken. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnning = 50 V.
Figur 20 Starttid vid olika aktiva nollfljdsstrmmar
36
Figur 21 Funktionstid vid olika aktiva nollfljdsstrmmar
Det som skall kontrolleras r den instllda funktionstiden (500 ms) mot den uppmtta
vid nollfljdsstrmmar nra det instllda startvrdet. Mtningen visar att skyddet
detekterar ett jordfel vid ca 8,3 mA istllet fr det instllda vrdet p 8,0 mA, vilket r en
skillnad p ca 3-4 %. Vid denna strmstorlek finns stora oskerheter i startsignalens
tidsfrdrjning, vilket ocks syns tydligt i Figur 20. Skillnaden mot det instllda vrdet
gr att skyddet inte detekterar riktigt s hgohmiga jordfelsresistanser som anvndaren
har stllt in, skillnaden i resistans r linjr mot skillnaden i detekteringen. Det uppmtta
vrdet skall ligga s nra som mljigt mot det instllda eftersom alla oskerheter i
ntinstllningar och ntparametrar gr att skyddet alltid mste stllas in med extra
marginal. Det r drfr viktigt att skyddet fljer instllningarna s att
skerhetsmarginalen inte gr frlorad. Vad som utgr en acceptabel avvikelse beror p
vilket nt som skyddet skall sitta i och det r drfr svr att ange ett vrde.
37
Figur 22 Triprknaren vid prov av olika aktiva nollfljdsstrmmar
Figur 22 visar att trip-rknaren r instlld p att skapa en tidsfrdrjning p ca 425 ms
efter startsignalen vid en funktionstid p 500 ms. Skyddet hller allts startsignalen ca
75 ms frn det att startvrdet har verskridit.
5.1.1.2 Prov av funktionstid som funktion av nollpunktsspnning
Detta prov visar hur vl skyddets spnningsmtning fungerar vid aktiva strmmar och
hur funktionstiden varierar beroende p spnningsstorlek. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollfljdsstrm = 30 mA.
38
Figur 23 Starttid vid olika nollpunktsspnningar
Figur 24 Funktionstid vid olika nollpunktsspnningar
Precis som fr nollfljdsstrmmen skall den instllda funktionstiden kontrolleras mot
den uppmtta funktionstiden. Starttiden fr startsignalen visar p en viss oskerhet vid
startvrdet tills nollpunktspnningen nr 11.2 V. Skillnad i knslighet fr instllt vrde
och uppmtt r inte lika knsligt som fr nollfljdsstrmmens startvrde d
39
nollpunktspnningens startvrde stlls in knsligare vilket innebr att startvrdet
verskrids tidigare n motsvarande startvrde fr strmmen.
5.1.1.3 Prov av frekvensknslighet
I ett frsk att underska knsligheten fr andra grundtonsfrekvenser n den i skyddet
instllda 50 Hz uppmttes startsignaltiden och funktionstiden vid strmmar p 106,5 %
av relets instllda startvrde5. Uppspelningstid = 1000 ms, nollpunktspnning = 50 V.
Figur 25 Starttid vid prov av frekvensknslighet
5 Nollfljdsstrmmen storlek har kats frn 101 % (enligt testspecifikation) till 102.5 % av strmvrdet nr skyddet startar d testet r utfrt enligt en ldre specifikation. Samma sak gller frekvensomfnget som ocks har ndrats sedan testet utfrdes.
40
Figur 26 Triptid vid prov av frekvensknslighet
Fr detta prov skall den instllda funktionstiden jmfras mot den uppmtta tiden.
Denna typ av skydd r inte tnkt att kunna hantera stora avvikelser i ntfrekvensen, det
kan dock nd vara intressant att se vilka avvikelser den klarar av. Det r drfr svrt
att bestmma ett rimligt vrde p frekvensomrdet som ett skydd av denna typ br
klara av. Start- och funktionstiden visar att, om strmmen verstiger 6. 5% av
startvrdet, s detekterar skyddet ett hgohmigt jordfel, inom 300 ms, fr frekvenser
mellan 46-55 Hz. Det r mjligt att skyddet ven klarar ett bredare frekvensomfng,
risken r dock att tappa selektivitet gentemot nollpunktsspnningsskyddet.
5.1.1.4 tergngsfrhllande som funktion av nollfljdsstrm
Detta prov visar tergngstiden frn det att amplituden fr nollfljdsstrmmen har
ndrats. Begynnelsestrmmen r satt till 150 % av skyddets startvrde. En frsta
mtning utfrs fr att avgra tidsfrdrjningen frn det att nollfljdsstrmmens
amplitud minskar tills det att startsignalen tergr. Detta d det r en viss frdrjning av
ndringen i startsignalen ven vid tergng frn 150 % till 0 %. Uppspelningstid = 1300
ms, nollpunktsspnning = 50 V.
41
Figur 27 tergngstid som funktion av nollfljdsstrm dr 100 % motsvarar relskyddets instllning
Tiden frn ndringen av signalen till tergng visar nr skyddet nr en acceptabel
tergngsniv. Mtningen visar allts att tergngstiden minskar till acceptabla niver
vid ca 92 % av relets instllda startvrde. D E.ON vill att moderna skydd skall ha ett
tergngsfrhllande p minst 90 % r vrdet fullt acceptabelt.
5.1.1.5 tergngsfrhllande som funktion av nollpunktspnning
Provet har utfrts p samma stt som i 5.1.1.4 men med varierande nollpunktsspnning.
Uppspelningstid = 1300 ms, nollfljdsstrm = 50 mA.
42
Figur 28 tergngstid som funktion av nollpunktsspnning dr 100 % motsvarar relskyddets instllning
Provresultatet visar att tergngstiden minskar till acceptabla niver vid ca 95 % av
relets instllda startvrde. Spridningen i tid r mrkbart bttre n fr motsvarande
resultat vid strmmtningen. tergngsfrhllandet fr nollpunktspnningen skall
ocks vara ver 90%.
5.1.1.6 Brusknslighet (endast nollfljdsstrm)
Vid provning av skyddets frmga att filtrera brus lggs normalfrdelat brus med
vntevrde = 0 p nollfljdsstrmsignalen. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnningen = 50 V.
43
Figur 29 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 1 %
Figur 30 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 3 %
44
Figur 31 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 10 %
Mtningen visar att skyddet har bra frmga att undertrycka brus d funktionstiden inte
inte ndrar sig nmnvrt vid de olika nollfljdsstrmmarna. Bruset kar dock
sannolikheten fr funktionsutlsning jmfrt med vrdet d skyddet normalt startar (ca
8,3 mA vid aktiv strm).
5.1.1.7 Grundton + en verton
Detta prov kontrollerar skyddets grundtonsmtning. Det riktade jordfelsteget mter
grundtonen och funktionen skall inte pverkas av vertoner. Maximal amplitud p
vertonen i frhllande till grundtonen har satts till 20 %. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnningen = 50 V6.
6 Istllet fr en nollfljdsstrm p 101 % av startvrdet enligt specifikationen har 105 % av startvrdet anvnts d skyddet inte startar frrn vid ca 104 % av starvrdet.
45
Figur 32 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr frsta vertonen
Figur 33 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr andra vertonen
46
Figur 34 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr tredje vertonen
Figur 35 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr fjrde vertonen
47
Figur 36 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr femte vertonen
Vid provningen r det den instllda funktionstiden som skall jmfras mot den
uppmtta. Mtningen visar att de flesta vertonerna har frsumbar pverkan p
skyddets grundtonsmtning. Intressant nog kan andra vertonen
(3grundtonsfrekvensen) dock pverka mtningen vid amplituder ver 10 % av
grundstonsamplituden. Vid test med grundtonsamplitud p ver 8,6 mA startar dock
skyddet.
5.1.1.8 Funktionsomrde
Vid detta prov undersks relets funktionsomrde och r det enda av proven som inte
anvnder aktiv strm. Uppspelningstiden = 1000 ms, nollpunktspnningen = 50 V
48
Figur 37 Funktionutlsning som funktion av nollfljdsstrm, den rda linjen visar skyddets karakteristik
Skyddets karakteristik r instllt p cos() det vill sga mtning av aktiv strm och skall starta fr nollfljdsstrmmar som ligger till hger om den rda linjen. Observera att skalorna p figuren inte r lika stora varfr figuren ser hoptryckt ut. De bl stjrnorna motsvarar en utlsning inom 1000 ms. Mtningen visar att skyddet har en vinkelavikelse p ca 2. Denna avvikelse innebr att skyddet blir mindre knsligt vid hgohmiga jordfel fr utmatningar med stor kapacitiv felstrm.
5.1.2 Prov med uppspelning av transienter
Detta skydd saknar separat funktion fr detektion av transienter.
5.1.3 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel
Skyddet saknar separat funktion fr detektering av intermittenta jordfel men det riktade
jordfelssteget skall klara transienter. Det hade drfr varit intressant att prova hur
skyddet hade reagerat p inspelade intermittenta jordfel. Dessvrre var det problem
med att spela upp transienter d problem uppstod under mtningarna. Problemet beror
sannolikt p fr stor kapacitiv koppling mellan strm- och spnningsingngen fr
RXHL421. D proven inte skert kunde genomfras enligt inspelningarna har
mtningarna uteslutits. Mer om detta i avsnitt 6.2.
49
5.1.4 vriga prov
Ingen vrig provning har utfrts fr detta skydd.
5.2 Provning av ABB REF615
Alla instllningar och data som presenteras r enbart i sekundrvrden om inget annat
anges.
5.2.1 Prov av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg
Denna sektion visar provningen av grundtonsfunktionen fr det provade relet.
Testerna r utfrda enligt samma tankegng som i avsnitt 5.1.1.
Skyddet r instllt enligt bilaga B Tabell 2 och skyddens startvrde r instllt fr ett 10
kV nt med ett nollpunktsmotstnd p 5 A.
terstllningstiden r instlld till noll, se avsnitt 5.1.1.
Om inget annat anges i texten har alla proven utfrts med aktiv nollfljdsstrm det vill
sga resistiv strm.
5.2.1.1 Prov av funtionstid som funktion av nollfljdsstrm
Detta prov visar hur skyddets strmmtning fungerar vid aktiva strmmar och hur
funktionstiden varierar beroende p strmstorleken. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnning = 50 V.
50
Figur 38 Starttid vid olika aktiva nollfljdsstrmmar
Figur 39 Funktionstid vid olika aktiva nollfljdsstrmmar
Skyddet startar med liten spridning vid 8,1 mA. Starttiden fr startsignalen r snabbare
n motsvarande fr RXHL421 och oskerheten fr startsignaltiden r mindre.
Funktionstiden ligger p ca 520 ms vid nollfljdsstrm p 8,1 mA.
51
Figur 40 Triprknaren vid prov av olika aktiva nollfljdsstrmmar
Figuren ovan visar att trip-rknarens instllning skapar 445 ms tidsfrdrjning efter
startsignalen, vid en funktionstid p 500 ms. Skyddet hller allts startsignalen ca 55 ms
frn det att startvrdet har verskridits.
5.2.1.2 Prov av funktionstid som funktion av nollpunktsspnning
Detta prov visar skyddets spnningsmtning vid aktiva strmmar och funktionstidens
beroende av spnningsstorlek. Uppspelningstid = 1000 ms, nollfljdsstrm = 30 mA.
52
Figur 41 Starttid vid olika nollpunktsspnningar
Figur 42 Funktionstid vid olika nollpunktsspnningar
Skyddet detekterar frst att spnningen verskridit startvrdet vid 11.1 V. Spridningen i
starttid i mtningen r samma som fr motsvarande mtning med nollfljdsstrm.
53
5.2.1.3 Prov av frekvensknslighet
Fr att underska knsligheten fr andra grundtonsfrekvenser n den i skyddet
instllda 50 Hz uppmttes starttiden och funktionstiden vid strmmar p 105 % av
relets instllda startvrde. Frekvensen sveptes frn 40-70 Hz7. Uppspelningstid = 1000
ms, nollpunktspnning = 50 V.
Figur 43 Starttid vid prov av frekvensknslighet
7 Frekvenssvepets omfng har en annan instllning d skyddet inte fljer den senaste testspecifikationen.
54
Figur 44 Triptid vid prov av frekvensknslighet
Vid nollfljdsstrm p 105 % av det instllda startvrdet klarar skyddet att mta jordfel
vid ntfrekvenser mellan 42-60 Hz. Spridningen fr starttiden r ca 10 ms upp till
grnserna p 42 och 60 Hz.
5.2.1.4 tergngsfrhllande som funktion av nollfljdsstrm
Detta prov visar tergngstiden frn det att amplituden fr nollfljdsstrmmen har
ndrats. Begynnelsestrmmen r satt till 150 % av skyddets instllning. En frsta
mtning utfrs fr att avgra tidsfrdrjningen frn det att nollfljdsstrmmens
amplitud minskar till det att startsignalen tergr. Detta d det r en viss frdrjning av
ndringen i startsignalen ven vid tergng frn 150 % till 0 %. Uppspelningstid = 1300
ms, nollpunktsspnning = 50 V.
55
Figur 45 tergngstid som funktion av nollfljdsstrm dr 100 % motsvarar relskyddets instllning
tergngsfrhllandet fr nollfljdsstrmmen ligger p ca 92 %, spridningen r dock
betydligt mindre n fr RXHL421.
5.2.1.5 tergngsfrhllande som funktion av nollpunktsspnning
Provet har utfrts p samma stt som i 5.2.1.4 men med varierande nollpunktsspnning.
Uppspelningstid = 1300 ms, nollfljdsstrm = 50 mA.
56
Figur 46 tergngstid som funktion av Nollpunktspnningen dr 100 % motsvarar relskyddets instllning
tergngsfrhllandet fr nollpunktspnningen ligger p ca 97 %.
5.2.1.6 Brusknslighet (endast nollfljdsstrm)
Vid provning av skyddets frmga att filtrera brus lggs normalfrdelat brus med
vntevrde = 0 p nollfljdsstrmsignalen. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnningen = 50 V.
57
Figur 47 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 1 %
Figur 48 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 3 %
58
Figur 49 Funktionstid vid prov av brusknslighet med SD p 10 %
Mtningen visar att skyddet har bra frmga att undertrycka brus. Bruset kar dock
sannolikheten ngot fr utlsning d nollfljdsstrmmen underskrider startvrdet.
5.2.1.7 Grundton + en verton
Detta prov kontrollerar skyddets grundtonsmtning. Det riktade jordfelsteget mter
grundtonen och funktionen skall inte pverkas av vertoner. Maximal amplitud p
vertonen i frhllande till grundtonen har satts till 20 %. Uppspelningstid = 1000 ms,
nollpunktspnningen = 50 V.
59
Figur 50 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr frsta vertonen
Figur 51 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr andra vertonen
60
Figur 52 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr tredje vertonen
Figur 53 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr fjrde vertonen
61
Figur 54 Funktionstid vid prov av vertonsknslighet fr femte vertonen
Mtningen visar att vertonerna har frsumbar pverkan p skyddets
grundtonsmtning.
5.2.1.8 Funktionsomrde
Vid detta prov undersks relets funktionsomrde och r det enda av proven som inte
anvnder aktiv strm. Uppspelningstiden = 1000 ms, nollpunktspnningen = 50 V8.
8 Vid provning har antalet mtpunkter kats kraftigt jmfrt med testspecifikationen fr att testa utrustningens stabilitet under lnga testsekvenser.
62
Figur 55 Funktionutlsning som funktion av nollfljdsstrm, den rda linjen visar skyddets karakteristik med korrektionsvinkel
Skyddets karakteristik r instllt p cos() det vill sga mtning av aktiv strm och skall starta fr nollfljdsstrmmar som ligger innanfr omrdet som sluts av den rda linjen. Korrektionsvinkeln r under provning instlld p 2. Observera att skalorna p figuren inte r lika stora varfr figuren ser hoptryckt ut. De bl stjrnorna motsvarar att skyddet har utlst inom ca 1000 ms. Mtningen visar att skyddet har en vinkelavvikelse p ca 0,5 d det uppmtta funktionsomrdet borde ha fljt den rda linjen upp till ca 230 mA reaktiv strm. Eftersom skyddet fr vrigt fljer korrektionsvinklarna tyder det p att vinkelavvikelsen r en instllning av tillverkaren och att det inte r ngot mtfel i skyddet. Anledningen till denna avvikelse r oknd. I den vre delen av dem frsta kvadranten i figuren slutar skyddet att starta d den reaktiva strmmen gr ver 120 mA och fljer sedan korrektionsvinkeln. Denna skillnad mot den tnkta karakteristiken r ocks oknd. Vinkelavvikelsen kommer gra att skyddet blir mer knsligt vid enfasiga jordslutningar d skyddet mter stor induktiv strm men skyddet kommer ocks att tappa i knslighet vid mtning av stor kapacitiv strm9. En mtning av kapacitiv strm fr den felbehftade utmatningen beror antingen p vinkelfel eller p underkompensering. Det mste dock vara en stor underkompensering fr att skillnaden i startvrdet fr att skyddet skall pverka utlsningen. Vid bra avstmning kommer avvikelsen istllet att gra skyddet ngot mer knsligt beroende p kapacitiv felstrm fr felbehftad utmatning dr mer kapacitiv felstrm ger strre knslighet. Vid verkompensering kommer vinkelavvikelsen att kompensera bort lite av frlusten i knslighet d mer induktiv
9 Med kapacitiv strm menas att strmvektorn befinner sig i frsta kvadranten av funktionsomrdet. Motsvarande fr induktiv strm bli den fjrde kvadranten av funktionsomrdet.
63
strm minskar den aktiva samtidigt som vinkelavvikelsen gr att knsligheten fr den aktiva strmmen kar.
5.2.1.9 tergngsfrhllande fr nollpunktsspnning (INTRPTEF)
Fr den transientmtande funktionen r ett av kriterierna fr att trip-rknaren skall
rlkna upp att startvrdet fr spnningen verskrider det instllda vrdet.
Transientskyddet anvnder sig av samma uppmtta vrde fr spnningen som det
riktade jordfelssteget men de har olika startvrden. Fr att kontrollera att
tergngsfrhllande fr det instllda startvrdet ocks fungerar enligt instllning fr
transientskyddet provas den enligt samma princip som i avsnitt 5.2.1.5.
Figur 56 tergngstid som funktion av nollpunktspnningen dr 100 % motsvarar relskyddets instllning
tergngsfrhllandet r ungefr samma som vid motsvarande mtning fr det riktade
jordfelssteget.
5.2.2 Prov med uppspelning av transienter
Vid provningen har ett antal inspelade transienta och intermittenta jordfel anvnts fr
att skapa ett testbibliotek p 75 transienter. Provningen har utfrts efter
testspecifikationen vilket innebr att frst har den felbehftade utmatningen spelats upp
och drefter 2 friska utmatningar. Till skillnad frn RXHL421 har REF615 tillrckligt bra
isolering mellan kanalerna fr att mtning med utrustningen skulle kunna utfras med
bra resultat.
64
Skyddet r instllt enligt bilaga B Tabell 2. I bilaga C beskrivs transient- och
intermittentfunktionen samt dess instllningar fr ABB REF615. Anledningen till att
transientmtningen r instlld fr mtning i backriktningen r att registreringarna med
strningsskrivaren r gjorda med omvnd polaritet, antingen p strm- eller
spnningsingngarna.
Under alla testuppspelningar som utfrts under arbetet har skyddet alltid varit
konsekvent vid detekteringen av transienter.
Provningen visade att relskyddet startade fr 62 av de 75 transienterna. Skyddet
startade inte obefogat fr ngon av de friska utmatningarna. De fel som skyddet inte
startade fr visas nedan med referenssignalerna, insignalerna till skyddet och alla
utgende signaler frn skyddet. Som referensen visas frst en transient som skyddet
detekterat korrekt, se Figur 57. Drefter fljer de transienter som skyddet inte startade
fr.
Figur 57 Transient nr 1, omsttning fr strmtransformator = 300/5
65
Figur 58 Transient nr 2, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 59 Transient nr 3, omsttning fr strmtransformator = 300/5
66
Figur 60 Transient nr 4, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 61 Transient nr 5, omsttning fr strmtransformator = 300/5
67
Figur 62 Transient nr 6, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 63 Transient nr 7, omsttning fr strmtransformator = 300/5
68
Figur 64 Transient nr 8, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 65 Transient nr 9, omsttning fr strmtransformator = 300/5
69
Figur 66 Transient nr 10, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 67 Transient nr 11 (terinkoppling av ett fast enfasigt jordfel) , omsttning fr strmtransformator = 300/5
70
Figur 68 Transient nr 12, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 69 Transient nr 13, omsttning fr strmtransformator = 300/5
71
Figur 70 Transient nr 14, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Alla transienterna som skyddet inte startat fr har haft ett toppvrde p mellan 0,5-5 A
med undantag fr transient nr 2 i Figur 58 som har ett toppvrde p ca 10 A. Majoriteten
av de transienter som har ett toppvrde p mer n ca 6 A startar skyddet fr
(undantaget transient nr 2 i Figur 58). De transienter med lgst toppvrde som skyddet
detekterade r presenterade i Figur 71 och Figur 72.
72
Figur 71 Transient nr 15, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Figur 72 Transient nr 16, omsttning fr strmtransformator = 300/5
Det gr inte att direkt se ngon avgrande skillnad fr transienter som skyddet inte
startar fr och transienter som den startar fr.
73
5.2.3 Prov med uppspelning av intermittenta jordfel
Vid prov av intermittenta jordfel har sex olika jordfel valts fr provning av intermittent-
och transientfunktionen. Provningen har utfrts efter testspecifikationen vilket innebr
att frst har den felbehftade utmatningen spelats upp och drefter 2 friska
utmatningar.
Skyddet r instllt enligt bilaga B Tabell 2
Nedan fljer resultatet fr tv av uppspelningarna.
Figur 73 Uppspelad intermittent jordfel nr 1
74
Figur 74 Uppspelad intermittent jordfel nr 2
Fr det intermittenta jordfelet i Figur 73 startar inte skyddet p ngon av de tv frsta
transienterna utan frst vid den tredje. Detta verrensstmmer med resultaten frn
testen med transienter, dr skyddet varken startade p de tv frsta, eller de tre sista
transienterna. Att det riktade jordfelsskyddet startar beror p en hgohmig jordslutning
mellan transienterna dr den aktiva strmmen sakta kar. Vid det intermittenta
jordfelet i Figur 74 startar skyddet p frsta transienten och d nollpunktspnningen
verstiger startvrdet under hela frloppet, s lser transientfunktionen ut helt enligt
instllning. Det riktade jordfelsskyddet startar inte frrn jordfelet vergr ver till ett
permanent jordfel. Innan det sker r 50 Hz komponenten av strmmen stor vid
jordslutningen och nra noll precis efter jordslutningen r bortkopplad. De