TEHOMUUNTAJAN DIFFERENTIAALISUOJAUS

ARI LEINO TEHOMUUNTAJAN DIFFERENTIAALISUOJAUS Projektityö Tarkastaja: Sami Repo

II SISÄLLYS 1. JOHDANTO...1 2. MUUNTAJAN VIKATYYPIT...2 3. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN PERUSPERIAATE...3 4. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN EPÄIDEAALISUUKSIEN FYSIKAALINEN TAUSTA...5 4.1 MUUNTAJAN TYHJÄKÄYNTIVIRTA...5 4.2 VIRTAMUUNTAJAN VIRHEET...5 4.3 KÄÄMIKYTKIMEN ASENNON VAIHTELU...5 4.4 MUUNTAJAN RAUTASYDÄMEN MAGNETOITUMISKÄYRÄ...5 4.4.1 Muuntajan kytkentävirtasysäys...6 4.4.2 Muuntajan ylimagnetoituminen...8 4.4.3 Virtamuuntajien kyllästyminen...8 5. EROVIRTASUOJAN 7UT613/63X KÄYTTÖÖNOTTO...10 5.1 MUUNTAJAN MITTAUSARVOJEN SOVITUS...10 5.2 EROVIRTASUOJAN ASETTELUPARAMETRIT...12 6. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN EPÄIDEAALISUUKSIEN HUOMIOIMINEN RELEEN SUOJAUSASETTELUILLA...13 6.1 EROVIRTASUOJAN TOIMINNAN VAKAVOINTI...14 6.1.1 Erovirran havahtumisarvo...14 6.1.2 Laukaisukoordinaatiston lisäosat...14 6.1.3 Erovirtasuojan pikalaukaisu...15 6.2 EROVIRTASUOJAN LUKITUS...15 6.2.1 Muuntajan kytkentävirtasysäyksen huomioiminen...16 6.2.2 Muuntajan ylimagnetoitumisen huomioiminen...16 6.2.3 Lisävakavointi suojausalueen ulkopuolisissa vioissa...17 7. YHTEENVETO...19 LÄHTEET...20 LIITE 1. EROVIRTASUOJAUKSEN KESKEISET ASETTELUPARAMETRIT...21

1 1. JOHDANTO Työn tarkoituksena on tutkia millaisia aseteltavia parametreja Siemensin Erovirtasuojassa 7UT613/63x on ja millä perusteella ne asetellaan. Suojattavaksi kohteeksi on valittu suurtehomuuntaja. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti muuntajan differentiaalisuojaukseen liittyvä perusteoria.

2 2. MUUNTAJAN VIKATYYPIT Suurtehomuuntajavikoja tapahtuu harvemmin kuin yksi 100 muuntajavuotta kohti. Muuntajavian sattuessa muuntaja kuitenkin vaurioituu pahoin, mistä aiheutuu pitkä ja kallis korjaustyö. Lisäksi muuntaja on sähköverkon keskeinen komponentti, jota ei ole helppo korvata. Tärkeän asemansa takia muuntajaa suojataan ja valvotaan huolellisesti. [1] Muuntajavikoja voivat aiheuttaa eristyksen vanheneminen pitkäaikaisen ylilämpötilan vaikutuksesta, likaantunut ja ominaisuutensa menettänyt öljy, osittaispurkaukset eristyksessä, ilmastolliset ja kytkentäylijännitteet verkossa sekä ulkoisten vikojen aiheuttamien oikosulkuvirtojen voimavaikutukset käämeissä. [1] Suurin osa muuntajavaurioista on muuntajien käämityksessä. Käämivioista yleisimpiä ovat kierrossulut. IEEE:n muuntajavaurioista kymmenen vuoden ajalta keräämien tilastojen mukaan kierrossulkuja on käämivioista noin 24 % ja kaikista vioista 12 %. Käämisulut ovat varsin harvinaisia. Kuvassa 2.1 on lueteltu muuntajien vikatyyppejä. [2] Kuva 2.1. Muuntajan vikatyyppejä [2] a) Kierrossulku ylä- tai alajännitepuolen käämissä b) Käämisulku ylä- tai alajännitepuolen käämissä c) Kaksivaiheinen oikosulku ylä- tai alajännitepuolella d) Maasulku

3 3. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN PERUSPERIAATE Kuvassa 3.1 on esitetty differentiaalisuojauksen perusperiaate. Virtamuuntajat rajaavat suojattavan kohteen tarkoin muodostaen suojauksen suoja-alueen. Suoja-alue on virtajärjestelmän se osa, jossa sattuneen vian vaikutuksesta suoja toimii. Vian ollessa suojaalueen ulkopuolella suoja ei toimi. Differentiaalisuojausta sanotaan absoluuttisesti selektiiviseksi, sillä suoja toimii vain omalla suoja-alueellaan sattuvan vian vaikutuksesta. [3] 7UT613/63x suojan erovirta- ja vakavointisuure määritellään seuraavasti: Idiff = I1 + I2 Istab = I1 + I2 missä Idiff on erovirta Istab on vakavointivirta I1 ja I2 ovat virtamuuntajien CT1 ja CT2 toisiovirtojen osoittimet [4] Differentiaalisuojan toimintaperiaatteen ymmärtämiseksi on esitelty kolme eri tilannetta. Muuntajan ja virtamuuntajien oletetaan olevan ideaalisia ja niiden muuntosuhteiden olevan yksi. Kuvan 3.1 nuolet osoittavat virtojen positiiviset suunnat. Kuva 3.1. Differentiaalisuojauksen perusperiaate [4]

4 1. Kun suojattavassa kohteessa ei ole vikaa, kulkee virtamuuntajien läpi sama virta. I2 = -I1 Idiff = I1 + I2 = 0 Istab = I1 + I2 = 2 * I1 Laukaisua ei suoriteta, sillä mittauspiirin M mittaama erovirta on nolla. 2. Suojattavassa kohteessa sisäinen oikosulku samansuuruisin syötöin suojattavan kohteen molemmilta puolilta: I2 = I1 Idiff = I1 + I2 = 2 * I1 Istab = I1 + I2 = 2 * I1 Erovirta poikkeaa nollasta, mikä ideaalitapauksessa olisi merkki viasta. Toimintapisteen paikka laukaisukoordinaatistossa määrää laukaiseeko rele vian pois. 3. Sisäinen vika syötettynä vain toiselta puolelta. I2 = 0 Idiff = I1 + I2 = I1 Istab = I1 + I2 = I1 Erovirta poikkeaa nollasta, mikä ideaalitapauksessa olisi merkki viasta. Toimintapisteen paikka laukaisukoordinaatistossa määrää laukaiseeko rele vian pois. [4] Vakavointivirta Istab ja erovirta Idiff muodostavat laukaisukoordinaatiston vaaka- ja pystyakselit. Edellä olevista kolmesta esimerkkitapauksesta nähdään vakavointivirran ja erovirran olevan samansuuruiset, kun suojattavassa kohteessa on vika. Toimintapiste (Istab, Idiff) sijaitsee siis vian aikana origon kautta kulkevalla häiriösuoralla, jonka kulmakerroin on yksi. [4]

5 4. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN EPÄIDEAALISUUKSIEN FYSIKAALINEN TAUSTA Differentiaalisuojaus on periaatteena varsin yksinkertainen, mutta käytännössä siihen liittyy epäideaalisuuksista johtuvia stabiilisuusongelmia, jotka on jollakin tavoin ratkaistava. Suojauksen stabiilisuudella tarkoitetaan sen kykyä erotella suoja-alueella olevan vian aiheuttama erovirta muista erovirran lähteistä. Ongelmalliseksi tilanteen tekee se, että yleensä stabiilisuutta kasvatettaessa herkkyys vikatilanteissa huononee ja päinvastoin. Suojauksen stabiilisuutta huonontavia tekijöitä ovat muuntajan tyhjäkäyntivirta, virtamuuntajien virheet, käämikytkimen asennon vaihtelu, muuntajan kytkentävirtasysäys, muuntajan ylimagnetoituminen ja virtamuuntajien kyllästyminen. [5, 6] 4.1 Muuntajan tyhjäkäyntivirta Muuntajan ensiöpuolen kokonaisvirta on tyhjäkäyntivirran ja ensiöpuolen jänniteportaaseen redusoidun kuormitusvirran summa. Muuntajan toisiopuolen kokonaisvirta on kuormitusvirran suuruinen. Suoja-alueelle tuleva tyhjäkäyntivirta on siis releen kannalta kokonaan erovirtaa. [7] 4.2 Virtamuuntajan virheet Virtamuuntajassa syntyy raudan magnetoinnista ja rautahäviöistä aiheutuvan tyhjäkäyntivirran tähden virtavirhe ja kulmavirhe. Virtamuuntajilla on standardeissa eri tarkoituksia varten eri tarkkuusluokkia. Tarkkuusluokka kertoo virtamuuntajan maksimivirheen. Virtamuuntajien erilaisista virheistä johtuen, virhe näkyy releen kannalta erovirtana. [7] 4.3 Käämikytkimen asennon vaihtelu Muuntajan eripuolilla olevien virtamuuntajien toisiovirrat on sovitettu siten, että muuntajan ensiö- ja toisiojännitteiden ollessa nimellisjännitteiden suuruiset, on releen mittaama erovirta nolla. Käämikytkimen asennon muuttuessa, ensiö- ja toisiojännitteet poikkeavat nimellisjännitteistä, mikä näky releen kannalta erovirtana. 4.4 Muuntajan rautasydämen magnetoitumiskäyrä Muuntajasydämissä käytetyn sydänmateriaalin ominaisuuksia kuvataan tavallisesti magnetoitumiskäyrällä. Muuntajasydämissä käytetään yleensä kidesuunnattua terästä, jonka maksimivuontiheys voi olla teoriassa 2 T suuruusluokkaa. [8]

6 Muuntajan rautasydämen kyllästyttyä magneettikentän voimakkuuden kasvattaminen kasvattaa magneettivuontiheyttä ilman magnetoitumissuoran mukaisesti (kuva 4.1). Kyllästyneen rautasydämen vuon kasvattamiseen vaaditaan siten erittäin suuri magnetoimisvirran kasvu. [8] Differentiaalisuojauksessa kytkentävirtasysäyksestä, ylimagnetoitumisesta ja virtamuuntajien kyllästymisistä aiheutuvat erovirrat johtuvat rautasydämen kyllästymisestä. Kuva 4.1. Tyypillinen muuntajan rautasydämen magnetoimiskäyrä. [8] 4.4.1 Muuntajan kytkentävirtasysäys Rautasydämisessä, tyhjäkäyvässä, häviöttömässä ja hajavuottomassa yksivaiheisessa muuntajassa päävuo on sinimuotoinen ja 90 liitinjännitteestä jäljessä. Todellisessa muuntajassa vaihe-ero on hieman pienempi. [2] Liitinjännite dϕ u = dt josta vuo saadaan integroimalla t ϕ = udt + ϕ r 0 Vuon muutos on siis verrannollinen jännitteen puolijakson aikaintegraaliin. Jäännösvuo voi kasvattaa muuntajan rautasydämen vuota jos kytkentähetkellä jäännösvuon suunta on sama kuin vuon muutoksen suunta. [2] Suurin vuo saadaan kuvan 4.2 esittämässä epäedullisimmassa tapauksessa. Jännite on kytkentähetkellä nolla, vuo on kasvava ja jäännösvuo on positiivinen. Vuo saavuttaa hyvin suuren arvon. [9]

7 Kuva 4.2. Ensiöjännite ja magneettivuo kytkennän tapahtuessa hetkellä t = 0 [9] Muuntajan magnetoimiskäyrästä (kuva 4.1) nähdään, että muuntajan rautasydämen vuon kasvaessa tarpeeksi rautasydän kyllästyy ja vuon synnyttämiseen tarvitaan hyvin suuri magnetoimisvirta. Tätä kutsutaan kytkentävirtasysäykseksi, ja se saattaa moninkertaisesti ylittää muuntajan nimellisvirran. Kytkentävirtasysäys on magnetoimisvirtaa, joten se on releen kannalta kokonaan erovirtaa. Käämityksen resistanssi ja sydämen rautahäviöt aiheuttavat lopulta virran vaimenemisen jatkuvuustilan arvoon. [9] Kaikissa kytkentävirtasysäyksissä virran toisen harmonisen yliaallon osuus on merkittävästi suurempi kuin vikavirrassa. Vikavirta koostuu käytännössä perusaallosta ja mahdollisesta tasakomponentista. Toisen harmonisen osuus jatkuvuustilan magnetointivirran arvon ylittävässä kytkentävirrassa on yli 20 %. Kuvassa 4.3 on tyypillinen kolmivaihemuuntajan yhden vaiheen kytkentävirtasysäys [2] Kuva 4.3. Kolmivaihemuuntajan kytkentävirtasysäys [2]

8 4.4.2 Muuntajan ylimagnetoituminen Muuntajan sydämen vuontiheys on suoraan verrannollinen indusoituneeseen jännitteeseen ja kääntäen verrannollinen taajuuteen. Muuntajan liittimissä vaikuttava ylijännite mahdollisesti yhdistettynä verkon taajuuden laskuun aiheuttaa muuntajan ylimagnetoitumisen, jolloin muuntajan magnetointivirta kasvaa nopeasti. Differentiaalireleen kannalta magnetointivirta on erovirtaa. [2] Generaattoreiden muuntajat voivat ylimagnetoitua ylijännite- ja alitaajuustilanteissa generaattorien käynnistyksissä ja saarekekäytöissä. Kantaverkon muuntajilla voi esiintyä ylijännitteitä kuormitusten irrotessa äkkiä verkosta. [1] Muuntajan pysyvälle ylimagnetoinnille on ominaista parittoman harmonisen yliaallon muodostuminen ja ylimagnetoitumisen havaitaan tavallisesti erovirran viidennestä harmonisesta. [4] 4.4.3 Virtamuuntajien kyllästyminen Suoja-alueen ulkopuolella olevien oikosulkujen aiheuttamissa oikosulkuvirroissa esiintyvä tasakomponentti vaikuttaa voimakkaasti induktiivisen virtamuuntajan toimintaan. Sen vaikutuksesta muuntajan magnetointivirta kasvaa suureksi, jolloin toisiovirran käyrämuoto leikkautuu. Tätä vaikutusta kutsutaan virtamuuntajan kyllästymiseksi. [5] Virtamuuntajan ensiökäämin läpi kulkeva kuvan 4.4 mukainen epäsymmetrinen oikosulkuvirran tasakomponentti synnyttää virtamuuntajan magneettipiirin magneettivuon tasakomponentin. Muuntajan magnetoimiskäyrästä nähdään, että jo pienehköt oikosulkuvirrat voivat tällöin kyllästää virtamuuntajan, sillä kokonaisvuo on vaihtokomponentin ja tasakomponentin summa. Kokonaisvuon saavuttaessa kuvan 4.5 mukaisesti kyllästymisarvonsa, toisiovirran käyrämuoto leikkautuu voimakkaasti. Virtamuuntajan toipumiseen kyllästymisestä vaikuttaa oikosulkuvirran tasakomponentin aikavakio, jonka määrää ensiötä syöttävä verkko. [5] Kuva 4.4. Suuren tasakomponentin kyllästämän virtamuuntajan ensiö- ja toisiovirta. Ensiövirta on redusoitu virtamuuntajan toisioon [5]

9 Kuva 4.5. Virtamuuntajan sydämen magneettivuontiheys, kun ensiössä on tasakomponentin sisältävä suuri oikosulkuvirta [5] Kyllästymisestä ei olisi juurikaan haittaa, jos suoja-alueen rajaavat virtamuuntajat kyllästyisivät yhtä paljon samanaikaisesti. Virtamuuntajien eriasteisesta tai eriaikaisesta kyllästymisestä johtuen rele havaitsee suoja-alueen ulkopuolisen oikosulun erovirtana. [5]

10 5. EROVIRTASUOJAN 7UT613/63x KÄYTTÖÖNOTTO Ennen suojan käyttöönottoa määritellään suojattavan kohteen tyyppi, sillä suoja tarjoaa erityyppisiä suojaustoimintoja suojattavan kohteen tyypistä riippuen. Lisäksi määritellään mitä suojaustoimintoja halutaan ottaa käyttöön, sillä kaikkia suojaustoimintoja ei tarvita tai ole mahdollista käyttää verkossa, jossa suojattavaa kohdetta aiotaan käyttää. [4] Seuraavaksi määritellään suojauskohteen rakenne tarkasti. Suojalle määritellään eri mittauspiireiltä vastaanotetut suureet ja kuinka ne liittyvät eri suojaustoimintoihin. Suojattavan kohteen määrittelyllä muodostetaan suojalle suojattavasta kohteesta täydellinen malli, jossa on esitetty myös käytettävissä olevat virran mittauspisteet. [4] Lopuksi yleisissä kojeistotiedoissa määritellään lisää tietoja suojattavasta kohteesta. Suojattavan kohteen määrittelyssä asetellaan nimellisarvot, muuntajan tähtipisteen maadoitustapa, kytkentäryhmä, taajuus ja vaihejärjestys. Lisäksi määritellään virtamuuntajien tiedot, jotta suoja pystyisi mittaamaan eri pisteiden arvot oikein tarvittavat korjauskertoimet huomioiden. [4] Yllä mainittujen tietojen määrittelyt ovat tarpeen suojattavan kohteen pääsuojaustoiminnan eli erovirtasuojan toiminnalle. Esimerkiksi erovirtasuoja tarvitsee tiedot muuntajan kytkentäryhmästä, nimellistehosta, nimellisjännitteestä ja virtamuuntajien ensiöiden nimellisvirroista, jotta suoja osaa laskea tarvittavat korjauskertoimet. [4] 5.1 Muuntajan mittausarvojen sovitus Suojan esiasetteluissa on määritelty, että erovirtasuojaus on pois päältä. Muuntajan eripuolilla olevien virtamuuntajien toisiovirrat poikkeavat toisistaan muuntajan ja virtamuuntajien muuntosuhteiden ja muuntajan kytkentäryhmän mukaisesti. Suojaa ei saa ottaa käyttöön ennen kuin muuntajan kytkentäryhmä ja sovituskertoimet on määritelty. Ilman näitä määrittelyjä suoja voi suorittaa mielivaltaisia toimintoja. [4] Muuntajan mittausarvojen sovitus suoritetaan täysin matemaattisesti. Suojalle syötetään tiedot muuntajan kytkentäryhmästä, nimellistehosta, nimellisjännitteestä ja virtamuuntajien ensiöiden nimellisvirrat. Näiden tietojen avulla suoja laskee sovituskertoimet, joilla virtamuuntajien toisiovirrat kerrotaan. Tämän jälkeen muuntajan eri puolien virrat ovat yhtenevät. Kuvassa 5.1 on esimerkki kaksikäämimuuntajan sovituskertoimien laskemisesta ja kuvassa 5.2 muuntajan kytkentäryhmän sovituksesta. [4]

11 Kuva 5.1. Kaksikäämimuuntajan muuntosuhteiden sovitus (vaihekulmapoikkeamia ei ole huomioitu)[4] Kuvan 5.1 esimerkin virtamuuntajien 1 ja 2 mittaamat virrat muutetaan 1 A suuruisiksi (virtamuuntajien toisionimellisvirrat ovat 1 A), muuntajan ensiön ja toision virtojen ollessa nimellisvirtojen suuruiset. Nimellistehon ja jännitteiden avulla lasketaan muuntajan ensiön ja toision nimellisvirrat. Jotta mitatuiksi virroiksi saadaan 1 A, jaetaan mitatut virrat muuntajien nimellisvirroilla ja kerrotan virtamuuntajien ensiöiden nimellisvirroilla. Kuva 5.2. Yd5 muuntajan kytkentäryhmän sovitus (virtojen suuruuden sovitusta ei ole otettu huomioon) [4]

12 Vasemmalla puolella olevalla kolmiokäämillä sovitettavat virrat muunnetaan vaihevirroiksi. Oikealla puolella olevalla tähtikäämillä sovitettavat virrat ovat yhteneviä vaihevirtojen kanssa. Sovituksessa käytetyn matriisin kertoimet riippuvat suojalle syötetystä kytkentäryhmästä. [4] 5.2 Erovirtasuojan asetteluparametrit Nykyaikaisessa releessä on satoja aseteltavia parametreja. Parametreilla voidaan vaikuttaa mm. erovirtasuojauksen laukaisun aikaviiveisiin, kasvattaa erovirtasuojan havahtumisarvoa kiinnikytkentähetkellä (suojattavan kohteen ollessa moottori) ja ottaa erovirtasuojan jokin toiminto käyttöön tai kytkeä toiminto pois. Parametreilla asetellaan myös edellä kuvattujen määrittelyjen arvot. Liitteen 1 taulukossa on keskeiset asetteluparametrit suojaa käytettäessä erovirtasuojaukseen.[4]

13 6. DIFFERENTIAALISUOJAUKSEN EPÄIDEAALISUUKSIEN HUOMIOIMINEN RELEEN SUOJAUSASETTELUILLA Ideaalisen differentiaalisuojauksen toimintapiste (Istab, Idiff) sijaitsee suoja-alueella olevan vian aikana laukaisukoordinaatistossa (kuva 6.1) origon kautta kulkevalla häiriösuoralla, jonka kulmakerroin on yksi. Kun suoja-alueella ei ole vikaa, sijaitsee toimintapiste vakavointivirran Istab muodostamalla vaaka-akselilla, sillä erovirta Idiff on nolla. Todellisen differentiaalisuojauksen toimintapiste sijaitsee epäideaalisuuksista johtuen suoja-alueella olevan vian aikana lähellä häiriösuoraa (ylä- tai alapuolella) ja kun suojaalueella ei ole vikaa, sijaitsee toimintapiste vakavointivirran Istab muodostaman vaakaakselin yläpuolella. Erovirta ei ole siis käytännössä koskaan nolla. Erovirtasuojan on jotenkin pystyttävä tunnistamaan, milloin laukaisukoordinaatistossa oleva toimintapiste on merkki suoja-alueella olevasta viasta. Erovirtasuojan parametreilla määritellään laukaisukoordinaatiston ominaiskäyrän muoto. Toimintapisteen sijaitessa ominaiskäyrän yläpuolella rele tekee laukaisun ja toimintapisteen sijaitessa ominaiskäyrän alapuolella laukaisua ei suoriteta. Kuva 6.1. Erovirtasuojan laukaisuominaiskäyrä [4]

14 6.1 Erovirtasuojan toiminnan vakavointi Suojauksen stabiilisuutta huonontavilla tekijöillä on ominaista erovirran kasvaminen suojattavan kohteen läpi kulkevan virran (ja samalla vakavointivirran) kasvaessa. Jotta suojan virheelliseltä toiminnalta vältytään, on suoja sopivasti vakavoitava, jolloin laukaisuun vaaditaan sitä suurempi erovirta, mitä suurempi on vakavointivirta. [6] 6.1.1 Erovirran havahtumisarvo Erovirran havahtumisarvolla otetaan huomioon muuntajan tyhjäkäyntivirta, joka on releen kannalta kokonaan erovirtaa. Havahtumisarvo asetellaan parametrilla I-DIFF> suuremmaksi kuin muuntajan normaalitilanteen tyhjäkäyntivirta. Havahtumisarvolla asetellaan laukaisukoordinaatiston vaaka-akselin suuntaisen laukaisusuoran a korkeus välille 0.05.. 2.00 I/Ino (esiaseteltu arvo on 0.20 I/Ino). [4] 6.1.2 Laukaisukoordinaatiston lisäosat Laukaisukoordinaatistossa on kaksi lisäosaa. Laukaisusuoran b osuus sallii virtavirheet, jotka ovat voineet syntyä virtamuuntajien sekä jännitteen säädöllä varustetun käämin säätöalueen muuntosuhdevirheestä. Laukaisusuoran c osuus ottaa huomioon suurilla virroilla syntyvät virheet virtamuuntajien kyllästyessä. [4] Taulukosta 6.1 on laskettu miten käämikytkimen asennon vaihtelu ja suojattavan kohteen läpi kulkevan virran suuruus vaikuttavat erovirran suuruuteen. Taulukosta nähdään erovirran olevan suurimmillaan käämikytkimen asennon ollessaan säätöalueensa äärireunassa. Lisäksi taulukosta nähdään erovirran suuruuden olevan suoraan verrannollinen vakavointivirran suuruuteen. Taulukko 6.1. Muuntajan käämikytkimen asennon ja vakavointivirran suuruuden vaikutus erovirran suuruuteen. Muuntajan mittausarvot on sovitettu eli ensiö- ja toisiojännitteiden ollessa nimellisjännitteiden suuruiset on erovirta nolla Ensiöjännite Toisiojännite I1 I2 Idiff Istab 0,5 Vn1 1,0 Vn2 1,0 A -0,5 A 0,5 A 1,5 A 0,5 Vn1 1,0 Vn2 3,0 A -1,5 A 1,5 A 4,5 A 1,0 Vn1 1,0 Vn2 1,0 A -1,0 A 0,0 A 2,0 A 1,0 Vn1 1,0 Vn2 3,0 A -3,0 A 0,0 A 6,0 A 1,5 Vn1 1,0 Vn2 1,0 A -1,5 A 0,5 A 2,5 A 1,5 Vn1 1,0 Vn2 3,0 A -4,5 A 1,5 A 7,5 A Taulukosta 6.2 ovat erovirran ja vakavointivirran suuruudet, kun käämikytkimen muuntosuhteesta aiheutuva virhe ja virtamuuntajien virheistä aiheutuvat virheet ovat huomioitu. Taulukosta nähdään erovirran suuruuden olevan suoraan verrannollinen va-

15 kavointivirran suuruuteen. Taulukon arvojen avulla voidaan laskea erovirran ja vakavointivirran muodostaman suoran kulmakerroin. Taulukokko 6.2. Virtamuuntajien virheiden vaikutus taulukon 5.1 virtoihin. Virtamuuntajien maksimivirheet ovat 5 %, muuntajan ensiöjännite 0,5 Vn1 ja toisiojännite 1,0 Vn2 Virtamuunajien virheet CT1 CT2 I1 I2 Idiff Istab +5 % -5 % 0,95 A -0,475 A 0,475 A 1,425 A +5 % -5 % 2,85 A -1,425 A 1,425 A 4,275 A Vakavointivirran Istab muodostamalla vaaka-akselilla oleva laukaisusuoran b alkupiste asetellaan parametrilla BASE POINT 1 välille 0.00.. 2.00 I/Ino (esiaseteltu arvo on 0.00 I/Ino) ja kulmakerroin parametrilla SLOPE 1 välille 0.10.. 0.50 (esiaseteltu arvo on 0.25 I/Ino) siten, että muuntajan käämikytkimen asennosta ja virtamuuntajien virheistä aiheutuva erovirran arvo jää ominaiskäyrän alapuolelle. [4] Virtamuuntajan kyllästyminen pahenee suoja-alueen läpi kulkevan vikavirran kasvaessa, mikä näkyy erovirran kasvuna. Kyllästymisestä aiheutuva erovirran ja vakavointivirran välinen riippuvuus on varsin monimutkainen. Suositeltavaa onkin käyttää releen valmistajan suosittelemia asetusarvoja. Vakavointivirran Istab muodostamalla vaaka-akselilla oleva laukaisusuoran c alkupiste asetellaan parametrilla BASE POINT 2 välille 0.00.. 10.00 I/Ino (esiaseteltu arvo on 2.50 I/Ino) ja kulmakerroin parametrilla SLOPE 2 välille 0.25.. 0.95 (esiaseteltu arvo on 0.50 I/Ino). Suojauksen stabiilisuutta voidaan parantaa kulmakerrointa kasvattamalla. Tämä taas huonontaa releen herkkyyttä. [4] 6.1.3 Erovirtasuojan pikalaukaisu Laukaisukoordinaatiston osuus d ottaa huomioon suoja-alueella olevat suurivirtaiset viat, jotka laukaistaan viiveettä pois, kun virran suuruus sulkee pois ulkoiset häiriöt. Suurivirtaisen vian havahtumisarvo asetellaan parametrilla I-DIFF>> tehomuuntajan kytkentävirtaa suuremmaksi. [2, 4] Suurivirtaisen vian havahtumisarvo voidaan asetella parametrilla I-DIFF>> välille 0.5.. 35.0 I/Ino. Havahtumisarvon esiaseteltu arvo on 7.5 I/Ino. [4] 6.2 Erovirtasuojan lukitus Tietyissä stabiilisuutta huonontavissa tekijöissä toimintapiste voi joutua laukaisuominaiskäyrän yläpuolelle. Nämä häiriötekijät suoja havaitsee muilla tavoilla, minkä jälkeen suoja lukitsee releen toiminnan eikä laukaisua suoriteta.

16 6.2.1 Muuntajan kytkentävirtasysäyksen huomioiminen Yleisesti differentiaalireleissä käytössä oleva menetelmä kytkentävirtasysäyksen tunnistamiseksi ja releen lukitsemiseksi on verrata erovirrasta suodatettua toista harmonista yliaaltoa ja perusaaltoa keskenään. Releen toiminta lukitaan, kunnes toisen harmonisen osuus perusaallosta laskee asetellun lukitusrajan alapuolelle. [2] Toisen harmonisen ja perusaallon suhteen asettelussa on mahdollista käyttää releen mittaamia arvoja hyväksi. Rele voi mitata ja tallettaa muuntajan kytkentävirtasysäysten aikana toisen harmonisen ja perusaallon suhteen minimiarvot. Lukitusraja asetellaan esiintyneiden minimiarvojen perusteella. [2] Toisen harmonisen yliaallon suhde perusaaltoon asetellaan parametrilla 2. HARMONIC välille 10.. 80 %. Releen parametrin 2. HARMONIC esiaseteltu arvo on 15 %. [4] 6.2.2 Muuntajan ylimagnetoitumisen huomioiminen Muuntajan differentiaalireleen pitäisi lukita toimintansa kaikissa sellaisissa ylijännitetilanteissa, joissa ylimagnetoinnista ei ole välitöntä vaaraa muuntajalle. Toisaalta muuntajan lämpeneminen ja ylikuumeneminen ylimagnetoinnin seurauksena voi vaurioittaa muuntajan eristyksiä. Pahassa ylimagnetointitilanteessa muuntajan magnetointivirta voi olla suurimman sallitun kuormitusvirran suuruinen, ja muuntaja voi tuhoutua muutamassa sekunnissa. Differentiaalireleen annetaan tässä tilanteessa laukaista muuntaja nopeasti pois verkosta. [2] Muuntajan pysyvälle ylimagnetoinnille on ominaista parittoman harmonisen yliaallon muodostuminen. Ylimagnetoitumisen tunnistamiseen ja releen lukitsemiseen käytetään yleensä 5. harmonista yliaaltoa, sillä 3. harmoninen yliaalto usein eliminoituu muuntajilla (esim. kolmiokäämityksessä). [4]

17 Taulukko 6.3. Muuntajan magnetointivirta ja virran harmoniset ylijännitetilanteessa. Muuntajan nimellisteho on 60 MVA ja -jännite 78kV. Muuntajan sydänmateriaalina on kidesuunnattu teräs. Taulukossa U on jännite, U n nimellisjännite, I m muuntajan magnetointivirta, I n muuntajan nimellisvirta, harmoninen ja I 5 f viides harmoninen. [2] I 1 f magnetointivirran perusaalto, I 3 f kolmas Taulukossa 6.3 on erään muuntajan magnetointivirta ja virran harmoniset ylijännitetilanteessa. Taulukosta nähdään magnetointivirran kasvavan nopeasti jännitteen kasvaessa. Magnetointivirran kasvaessa viidennen harmonisen ja perusaallon suhde aluksi kasvaa. Magnetointivirran kasvaessa hyvin suureksi suhde pienenee. [2] Erovirran viidennen harmonisen ja perusaallon suhde asetellaan parametrilla 5. HARMONIC välille 10.. 80 % siten, että muuntajan suurin sallittu kuormitusvirta ei pääse ylittymään. Erovirtasuojan ohjekirjan mukaan 30 % esiaseteltu arvo on sopiva toimintaraja. Tällöin releen toiminta lukittuu viidennen harmonisen ja perusaallon suhteen ylittäessä asetteluarvon. Magnetointivirran kasvaessa hyvin suureksi viidennen harmonisen ja perusaallon suhde alittaa asetteluarvon ja rele tekee laukaisun. [2, 4] 6.2.3 Lisävakavointi suojausalueen ulkopuolisissa vioissa Vakavointivirran ja toimintakäyrän asettelujen avulla ei välttämättä saavuteta riittävää stabiilisuutta ulkoisissa vioissa, vaan suoja-alueen läpi kulkeva suuri vikavirta voi johtaa toimintapisteen siirtymisen laukaisualueelle. Releen laukaisu estetään lisävakavoinnilla. [4, 5] Välittömästi vian syntyhetken jälkeen oikosulkuvirta kasvaa nopeasti aiheuttaen voimaakaan vakavointivirran. Toimintapisteen paikka siirtyy kohdasta A kohtaan B (kuva 6.2). Virtamuuntajien erilaisista ja eriaikaisista kyllästymistä johtuen erovirta Idiff alkaa kasvamaan ja erovirta Istab pienenemään. Tämän seurauksena toimintapiste siirtyy laukaisualueelle kohtaan C ja ilman lisävakavointia rele tekisi laukaisun. [4]

18 Kuva 6.2. Lisävakavointi suojausalueen ulkopuolisissa vioissa [4] Virtamuuntajien kyllästyminen tunnistetaan ulkoisissa vioissa toimintapisteen siirtymisestä välittömästi vian jälkeen lisävakavointialueelle. Lisävakavointialueen alkuarvo asetellaan parametrilla I-ADD ON STAB. välille 2.00.. 15.00 I/Ino siten, että kyseistä alkuarvoa pienemmillä arvoilla toimintapisteen paikan ei ole mahdollista siirtyä laukaisualueelle virtamuuntajien kyllästymisen seurauksena. Lisävakavointialueen esiaseteltu arvo on 4.00 I/Ino. [4]

19 7. YHTEENVETO Differentiaalisuojauksen epäideaalisuuksista johtuen suojan mittaama erovirta ei ole koskaan nolla. Ratkaistavia ongelmia ovat kytkentävirtasysäys, ylimagnetoituminen, virtamuuntajien kyllästyminen, tyhjäkäyntivirta, käämikytkimen asennon vaihtelu ja virtamuuntajien virheet. Siemensin Erovirtasuojassa 7UT613/63x edellä mainitut ongelmat ovat ratkaistu erovirran ja vakavointivirran muodostamalla laukaisukoordinaatistossa sijaitsevalla ominaiskäyrällä, jonka eri osuudet ottavat nämä ongelmat huomioon. Erovirran ja vakavointivirran muodostaman toimintapisteen sijaitessa laukaisualueella, rele tekee laukaisun, ellei releen toimintaa ole lukittu. Muuntajan kytkentävirtasysäys ja muuntajan ylimagnetoituminen tunnistetaan harmonisista yliaalloista, jonka jälkeen suoja lukitaan. Suurivirtaisissa suojausalueen ulkopuolisissa vioissa, jotka voivat johtaa toimintapisteen siirtymisen laukaisualueelle, laukaisu estetään lisävakavoinnilla.

20 LÄHTEET [1] Mörsky, J. 1992. Relesuojaustekniikka.Otatieto. 459 s. [2] Myllymäki, J. 1993. Tehomuuntajan differentiaalireleen suojausalgoritmin kehittäminen. Diplomityö. Tampereen teknillinen korkeakoulu. 86 s. [3] Paavola, M. Halme, H. 1979. Sähkölaitosten suojareleet. WSOY. 168 s. [4] SIEMENS. Siprotec Erovirtasuoja 7UT613/63x. Käyttöohje. 650 s. [5] Tausa, M. 1998. Generaattorin differentiaalisuojan kehittäminen. Diplomityö. Tampereen teknillinen korkeakoulu. 70 s. [6] ABB. 2000. Teknisiä tietoja ja taulukoita -käsikirja. [7] Paavola, M. 1973. Sähkötekniikan oppikirja. 416 s. [8] Nousiainen, K. Magneettipiirit ja muuntajat. 2007. Opetusmoniste. Tampereen teknillinen yliopisto. 108 s. [9] Tekniikan käsikirja 3. Gummerus. 792 s.

Liite 1. Erovirtasuojauksen keskeiset asetteluparametrit [4] 21