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 Erovir-tasuojassa 7UT613/63x on ja millä perusteella ne asetellaan. Suojattavaksi kohteeksi on valittu suurtehomuuntaja. Lisäksi työssä esitellään lyhyesti muuntajan differentiaa-lisuojaukseen 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 ylilämpöti-lan vaikutuksesta, likaantunut ja ominaisuutensa menettänyt öljy, osittaispurkaukset eristyksessä, ilmastolliset ja kytkentäylijännitteet verkossa sekä ulkoisten vikojen aihe-uttamien oikosulkuvirtojen voimavaikutukset käämeissä. [1]

Suurin osa muuntajavaurioista on muuntajien käämityksessä. Käämivioista yleisim-piä 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 virta-järjestelmän se osa, jossa sattuneen vian vaikutuksesta suoja toimii. Vian ollessa suoja-alueen ulkopuolella suoja ei toimi. Differentiaalisuojausta sanotaan absoluuttisesti se-lektiiviseksi, 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 tilan-netta. Muuntajan ja virtamuuntajien oletetaan olevan ideaalisia ja niiden muuntosuhtei-den 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 sa-ma 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 suojat-tavan 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 ratkais-tava. 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 päinvas-toin. Suojauksen stabiilisuutta huonontavia tekijöitä ovat muuntajan tyhjäkäyntivirta, virtamuuntajien virheet, käämikytkimen asennon vaihtelu, muuntajan kytkentävir-tasysäys, muuntajan ylimagnetoituminen ja virtamuuntajien kyllästyminen. [5, 6]

4.1 Muuntajan tyhjäkäyntivirta

Muuntajan ensiöpuolen kokonaisvirta on tyhjäkäyntivirran ja ensiöpuolen jänniteportaa-seen 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 tyhjäkäyn-tivirran tähden virtavirhe ja kulmavirhe. Virtamuuntajilla on standardeissa eri tarkoituk-sia 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 muun-tajan ensiö- ja toisiojännitteiden ollessa nimellisjännitteiden suuruiset, on releen mit-taama 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 kasvattami-nen kasvattaa magneettivuontiheyttä ilman magnetoitumissuoran mukaisesti (kuva 4.1). Kyllästyneen rautasydämen vuon kasvattamiseen vaaditaan siten erittäin suuri magne-toimisvirran kasvu. [8]

Differentiaalisuojauksessa kytkentävirtasysäyksestä, ylimagnetoitumisesta ja virta-muuntajien 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

dt

du

ϕ=

josta vuo saadaan integroimalla

∫ +=t

rudt0

ϕϕ

Vuon muutos on siis verrannollinen jännitteen puolijakson aikaintegraaliin. Jään-

nösvuo 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 monin-kertaisesti 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 mer-kittävästi suurempi kuin vikavirrassa. Vikavirta koostuu käytännössä perusaallosta ja mahdollisesta tasakomponentista. Toisen harmonisen osuus jatkuvuustilan magnetointi-virran arvon ylittävässä kytkentävirrassa on yli 20 %. Kuvassa 4.3 on tyypillinen kolmi-vaihemuuntajan yhden vaiheen kytkentävirtasysäys [2]

Kuva 4.3. Kolmivaihemuuntajan kytkentävirtasysäys [2]

8

4.4.2 Muuntajan ylimagnetoituminen

Muuntajan sydämen vuontiheys on suoraan verrannollinen indusoituneeseen jännittee-seen ja kääntäen verrannollinen taajuuteen. Muuntajan liittimissä vaikuttava ylijännite mahdollisesti yhdistettynä verkon taajuuden laskuun aiheuttaa muuntajan ylimagnetoi-tumisen, jolloin muuntajan magnetointivirta kasvaa nopeasti. Differentiaalireleen kan-nalta magnetointivirta on erovirtaa. [2]

Generaattoreiden muuntajat voivat ylimagnetoitua ylijännite- ja alitaajuustilanteissa generaattorien käynnistyksissä ja saarekekäytöissä. Kantaverkon muuntajilla voi esiin-tyä ylijännitteitä kuormitusten irrotessa äkkiä verkosta. [1]

Muuntajan pysyvälle ylimagnetoinnille on ominaista parittoman harmonisen yliaal-lon muodostuminen ja ylimagnetoitumisen havaitaan tavallisesti erovirran viidennestä harmonisesta. [4]

4.4.3 Virtamuuntajien kyllästyminen

Suoja-alueen ulkopuolella olevien oikosulkujen aiheuttamissa oikosulkuvirroissa esiin-tyvä tasakomponentti vaikuttaa voimakkaasti induktiivisen virtamuuntajan toimintaan. Sen vaikutuksesta muuntajan magnetointivirta kasvaa suureksi, jolloin toisiovirran käy-rämuoto leikkautuu. Tätä vaikutusta kutsutaan virtamuuntajan kyllästymiseksi. [5]

Virtamuuntajan ensiökäämin läpi kulkeva kuvan 4.4 mukainen epäsymmetrinen oi-kosulkuvirran tasakomponentti synnyttää virtamuuntajan magneettipiirin magneettivuon tasakomponentin. Muuntajan magnetoimiskäyrästä nähdään, että jo pienehköt oikosul-kuvirrat voivat tällöin kyllästää virtamuuntajan, sillä kokonaisvuo on vaihtokomponen-tin ja tasakomponentin summa. Kokonaisvuon saavuttaessa kuvan 4.5 mukaisesti kyl-lästymisarvonsa, toisiovirran käyrämuoto leikkautuu voimakkaasti. Virtamuuntajan toi-pumiseen 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 tasakom-ponentin 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 määritel-lään 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. Suo-jattavan 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 maa-doitustapa, kytkentäryhmä, taajuus ja vaihejärjestys. Lisäksi määritellään virtamuuntaji-en tiedot, jotta suoja pystyisi mittaamaan eri pisteiden arvot oikein tarvittavat korjaus-kertoimet huomioiden. [4]

Yllä mainittujen tietojen määrittelyt ovat tarpeen suojattavan kohteen pääsuojaus-toiminnan 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 eri-puolilla olevien virtamuuntajien toisiovirrat poikkeavat toisistaan muuntajan ja virta-muuntajien 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 syöte-tään tiedot muuntajan kytkentäryhmästä, nimellistehosta, nimellisjännitteestä ja virta-muuntajien ensiöiden nimellisvirrat. Näiden tietojen avulla suoja laskee sovituskertoi-met, joilla virtamuuntajien toisiovirrat kerrotaan. Tämän jälkeen muuntajan eri puolien virrat ovat yhtenevät. Kuvassa 5.1 on esimerkki kaksikäämimuuntajan sovituskertoimi-en 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 suurui-siksi (virtamuuntajien toisionimellisvirrat ovat 1 A), muuntajan ensiön ja toision virto-jen 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 nimel-lisvirroilla.

Kuva 5.2. Yd5 muuntajan kytkentäryhmän sovitus (virtojen suuruuden sovitusta ei ole otettu huomioon) [4]

12

Vasemmalla puolella olevalla kolmiokäämillä sovitettavat virrat muunnetaan vaihe-virroiksi. Oikealla puolella olevalla tähtikäämillä sovitettavat virrat ovat yhteneviä vai-hevirtojen kanssa. Sovituksessa käytetyn matriisin kertoimet riippuvat suojalle syötetys-tä kytkentäryhmästä. [4]

5.2 Erovirtasuojan asetteluparametrit

Nykyaikaisessa releessä on satoja aseteltavia parametreja. Parametreilla voidaan vaikut-taa mm. erovirtasuojauksen laukaisun aikaviiveisiin, kasvattaa erovirtasuojan havahtu-misarvoa kiinnikytkentähetkellä (suojattavan kohteen ollessa moottori) ja ottaa erovir-tasuojan jokin toiminto käyttöön tai kytkeä toiminto pois. Parametreilla asetellaan myös edellä kuvattujen määrittelyjen arvot. Liitteen 1 taulukossa on keskeiset asettelupara-metrit 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 häiriö-suoralla, jonka kulmakerroin on yksi. Kun suoja-alueella ei ole vikaa, sijaitsee toiminta-piste 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 suoja-alueella ei ole vikaa, sijaitsee toimintapiste vakavointivirran Istab muodostaman vaaka-akselin yläpuolella. Erovirta ei ole siis käytännössä koskaan nolla.

Erovirtasuojan on jotenkin pystyttävä tunnistamaan, milloin laukaisukoordinaatis-tossa oleva toimintapiste on merkki suoja-alueella olevasta viasta. Erovirtasuojan para-metreilla 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 lau-kaisuun 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 näh-dään erovirran olevan suurimmillaan käämikytkimen asennon ollessaan säätöalueensa äärireunassa. Lisäksi taulukosta nähdään erovirran suuruuden olevan suoraan verrannol-linen vakavointivirran suuruuteen. Taulukko 6.1. Muuntajan käämikytkimen asennon ja vakavointivirran suuruuden vaiku-

tus erovirran suuruuteen. Muuntajan mittausarvot on sovitettu eli ensiö- ja toisiojännit-

teiden 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 vaka-vointivirran muodostaman suoran kulmakerroin. Taulukokko 6.2. Virtamuuntajien virheiden vaikutus taulukon 5.1 virtoihin. Virtamuun-

tajien 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 alku-piste 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 kas-vaessa, mikä näkyy erovirran kasvuna. Kyllästymisestä aiheutuva erovirran ja vakavoin-tivirran välinen riippuvuus on varsin monimutkainen. Suositeltavaa onkin käyttää releen valmistajan suosittelemia asetusarvoja.

Vakavointivirran Istab muodostamalla vaaka-akselilla oleva laukaisusuoran c alku-piste 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 kasvat-tamalla. 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 lau-kaisuominaiskäyrän 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 tunnis-tamiseksi 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 ylijänniteti-lanteissa, joissa ylimagnetoinnista ei ole välitöntä vaaraa muuntajalle. Toisaalta muunta-jan lämpeneminen ja ylikuumeneminen ylimagnetoinnin seurauksena voi vaurioittaa muuntajan eristyksiä. Pahassa ylimagnetointitilanteessa muuntajan magnetointivirta voi olla suurimman sallitun kuormitusvirran suuruinen, ja muuntaja voi tuhoutua muuta-massa sekunnissa. Differentiaalireleen annetaan tässä tilanteessa laukaista muuntaja nopeasti pois verkosta. [2]

Muuntajan pysyvälle ylimagnetoinnille on ominaista parittoman harmonisen yliaal-lon muodostuminen. Ylimagnetoitumisen tunnistamiseen ja releen lukitsemiseen käyte-tään 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, nU nimellisjännite, mI muuntajan mag-

netointivirta, nI muuntajan nimellisvirta, fI 1 magnetointivirran perusaalto, fI 3 kolmas

harmoninen ja fI 5 viides harmoninen. [2]

Taulukossa 6.3 on erään muuntajan magnetointivirta ja virran harmoniset ylijännite-tilanteessa. Taulukosta nähdään magnetointivirran kasvavan nopeasti jännitteen kasva-essa. 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 suh-teen 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 v ioissa

Vakavointivirran ja toimintakäyrän asettelujen avulla ei välttämättä saavuteta riittävää stabiilisuutta ulkoisissa vioissa, vaan suoja-alueen läpi kulkeva suuri vikavirta voi joh-taa toimintapisteen siirtymisen laukaisualueelle. Releen laukaisu estetään lisävakavoin-nilla. [4, 5]

Välittömästi vian syntyhetken jälkeen oikosulkuvirta kasvaa nopeasti aiheuttaen voi-maakaan 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 lau-kaisualueelle kohtaan C ja ilman lisävakavointia rele tekisi laukaisun. [4]

18

Kuva 6.2. Lisävakavointi suojausalueen ulkopuolisissa vioissa [4]

Virtamuuntajien kyllästyminen tunnistetaan ulkoisissa vioissa toimintapisteen siir-tymisestä välittömästi vian jälkeen lisävakavointialueelle. Lisävakavointialueen alku-arvo asetellaan parametrilla I-ADD ON STAB. välille 2.00 .. 15.00 I/Ino siten, että ky-seistä alkuarvoa pienemmillä arvoilla toimintapisteen paikan ei ole mahdollista siirtyä laukaisualueelle virtamuuntajien kyllästymisen seurauksena. Lisävakavointialueen esi-aseteltu 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 vaka-vointivirran muodostaman toimintapisteen sijaitessa laukaisualueella, rele tekee laukai-sun, ellei releen toimintaa ole lukittu. Muuntajan kytkentävirtasysäys ja muuntajan yli-magnetoituminen 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 kehittä-minen. 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. Tam-pereen 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 tek-nillinen yliopisto. 108 s. [9] Tekniikan käsikirja 3. Gummerus. 792 s.

21

Liite 1. Erovirtasuojauksen keskeiset asetteluparam etrit [4]