5284 full document 1

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



5.1.4 vriga prov ........................................................................................................................... 49

5.2 Provning av ABB REF615......................................................................................................... 49

5.2.1 Prov av grundtonsfunktion fr riktat jordfelssteg ................................................ 49



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.


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.


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


o Tid frn start av uppspelning till relskyddets utlsningssignal startar


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 %


44


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.


Detta skydd saknar separat funktion fr detektion av transienter.


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,


57



58


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,


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.


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



66



67



68



69


Figur 67 Transient nr 11 (terinkoppling av ett fast enfasigt jordfel) , omsttning fr strmtransformator = 300/5

70



71


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



Det gr inte att direkt se ngon avgrande skillnad fr transienter som skyddet inte

startar fr och transienter som den startar fr.

73


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

5284 full document 1

Documents