EG/92/604 FACULTEIT DER ELEKTROTECHNIEK
Vakgroep Elektrische Energiesystemen
Quantitatieve beoordeling van een aantal beveiligingsconcepten voor een industrieel MS-net
E. Castelijn EG/92/604
De Faculteit der Elektrotechniek van de Technische Universiteit Eindhoven aanvaardt geen verantwoordelijkheid voor de inhoud van stage- en afstudeerverslagen.
Afstudeerwerk verricht oJ.v.: Dr.ir. P. Massee, Ir. W.F.J. Kersten Eindhoven, Juli 1992
TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN
Samenvatting Voor netontwerp is het van belang inzicht te hebben in de wisselwerking tussen elektriciteitsnet en bijbehorende beveiliging. Ret idee hierachter is dat een bepaald net een bepaalde beveiliging met zich meebrengt. Binnen de vakgroep Elektrische Energiesystemen wordt onderzoek verricht naar de beveiligingsproblematiek van met name industriele elektriciteitsnetten. Dit afstudeerwerk betreft onderzoek naar de beveiliging van industriele middenspanningsnetten. Er is een methode ontwikkeld om het onderzoek naar de wisselwerking tussen net en beveiliging aan te pakken. Deze methode maakt gebruik van drie lijsten met strategische netkeuzes, relais en beoordelingscriteria. Er is uitgegaan van een bepaald DSM-proefnet. Uitgaande van dit net kunnen verschillende netten met verschillende beveiligingsconcepten bedacbt worden. Deze kunnen op verschillende criteria beoordeeld worden. In dit werk zijn een aantal beveiligingsconcepten ontworpen voor het gekozen DSMproefnet. Ais foutsituaties zijn alleen driefase-aardsluitingen beschouwd. Ben aantal criteria zijn gequantificeerd zodat de concepten eenvoudig onderling vergeleken kunnen worden. De belangrijkste criteria zijn systeembetrouwbaarheid en selectiviteit. Ret is duidelijk geworden dat de betrouwbaarheid van elektrische energielevering aan de fabriek bepaald wordt door de selectiviteit van de beveiliging. Met behulp van het betrouwbaarbeidsgetal kunnen de onderbrekingskosten van de fabriek per jaar bepaald worden. Vergelijking van deze kosten met de investeringskosten van de conventionele beveiliging van DSM geeft aan dat de investeringskosten een aanzienlijk deel van de totale kosten vormen. Dit is hoofdzakelijk gelegen in de kosten van dure communicatieverbindingen nodig voor de communicatie van samenwerkende relais. De totale kosten lijken gereduceerd te kunnen worden door de beveiliging te beperken tot overstroomtijdrelais boven in bet net. Ret is zonder twijfel mogelijk de gequantificeerde criteria verder uit te breiden zodat meer aspecten van deze problematiek hierin opgenomen worden. Zo zou deze aanpak kunnen leiden tot een methode die een goede beoordeling kan geven van de samenwerking van een bepaald net met een zekere beveiliging. Ret geheel kan dan omgezet worden in een computerprogramma. Dit programma en het eerder ontwikkelde programma Reanipos kunnen elkaar dan aanvullen om de wisselwerking tussen net en beveiliging te onderzoeken.
Inhoudsopgave
Hoofdstuk 1: Inleiding
1
Hoofdstuk 2: Probleemstelling
3
Hoofdstuk 3: Beveiliging
6
Hoofdstuk 4: Relais
8
Hoofdstuk 5: Criteria
21
Hoofdstuk 6: Het DSM-proefnet
32
Hoofdstuk 7: Netberekeningen
38
Hoofdstuk 8: Beveiligingsconcepten; Bespreking
43
Hoofdstuk 9: Beveiligingsconcepten; Vergelijking
51
Hoofdstuk 10: Conclusies en aanbevelingen
58
Literatuurlijst Bijlage A: Netberekeningen Bijlage B: Beveiligingsconcepten
- 1-
HI: Inleiding De betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet is van groot belang voor de gebruikers. De kleinverbruiker wenst zo min mogelijk ongemak van mogelijke foutsituaties in de elektriciteitsvoorziening. Voor grootverbruikers als grote industrieen brengt een onderbreking niet alleen het ongemak van het opnieuw opstarten van de fabriek dat vaak een paar uur tot een paar dagen kan duren. Een uitval van een fabriek brengt namelijk ook hoge kosten met zich mee door produktieverlies, reparatiekosten en startkosten. De betrouwbaarheid kan vaak verhoogd worden door meer te investeren in het elektrische voedingssysteem, zodat de uitvalkosten verlaagd kunnen worden. Ret mag duidelijk zijn dat in principe een optimum gevonden kan worden afhankelijk van de eisen die men aan het systeem stelt. Binnen de vakgroep Elektrische Energiesystemen van de faculteit Elektrotechniek van de T.U.E. wordt onderzoek verricht naar optimalisatie van de oplossing van dit probleem. Ret onderzoek concentreert zich op drie punten: -het zoeken van methodes om ongemak in kosten uit te drukken en omgekeerd -het zoeken van criteria om een optimum van ongemak en kosten van het elektriciteitsnet te vinden -het zoeken van methodes om de betrouwbaarheid van een elektriciteitsnet te bepalen Onder kosten van het elektriciteitsnet worden hier de investeringskosten en de kosten voor onderhoud verstaan. Ais voorlopige beperking worden alleen industriele netten bekeken. Onder een industrieel elektriciteitsnet worden alle stroomvoerende componenten verstaan die het elektriciteitstransport tussen het openbare net en de fabrieken verzorgen. De beperking tot industriele netten heeft als voordeel dat de twee eerst genoemde punten gemakkelijk op te lossen zijn. Ret ongemak van een onderbreking wordt gesteld als zijnde de kosten van zo'n onderbreking. Ret vanzelfsprekende criterium is dan een situatie te vinden waarbij de som van de kosten van het industriele elektriciteitsnet en de kosten van uitval van de fabrieken minimaal is. Dit is dan ook het criterium dat voorlopig in het verdere onderzoek gebruikt wordt (Fig 1.1). Ret werk concentreert zich nu verder dan betrouwbaarheid
kosten
kosten
elektriciteitsonderbreking
net
····································n minimale kosten
Fig 1. I: Beoordeeling van een industrieel elektriciteitsnet
-2-
ook op het bepalen van de betrouwbaarheid van het elektriciteitsnet. Dit probleem IS opgedeeld in zes deelproblemen: -faalgraden van componenten -modellering van beveiligingscomponenten -transient gedrag van netten -gedrag van het beveiligingssysteem -betfOuwbaarheidsanalyse -ontwerp van elektriciteitsnetten Dit afstudeerwerk betreft het gedrag van het beveiligingssysteem. Hierbij gaat het met name om de beveiliging van industriele middenspanningsnetten.
-3-
H2: Probleemstelling De betrouwbaarheid van een net is niet alleen afuankelijk van de faalkansen van de componenten van dat net. Ben goed gekozen beveiligingssysteem kan de betrouwbaarheid van het hele systeem verhogen. Voorwaarde hierbij is weI dat de beveiliging selectief te werk gaat. De opbouw van het elektriciteitsnet biedt de beveiliging echter niet altijd de mogelijkheid selectief te zijn. Ret lange-termijn-doel van het onderwerp beveiliging is inzicht te verkrijgen in de koppeling voedend net - beveiliging. De achterliggende gedachte hierbij is dat voor een optimale werking bij een gegeven elektriciteitsnet een optimaal beveiligingssysteem hoort. Ben ander net kan een andere beveiliging met zich meebrengen. Natuurlijk is dit afuankelijk van de criteria die men gesteld heeft. Inzicht in deze koppeling is van belang veor het ontwerpen van elektriciteitsnetten. Ret mag duidelijk zijn dat het beveiligingssysteem hier meteen bij betrokken moet worden. Er is een proefnet gekozen als uitgangspunt. Ret proefnet is een gedeelte van het bestaande DSM-elektriciteitsnet te Geleen. Om tot een gestructureerde aanpak van de opdracht te komen, zijn na literatuuronderzoek drie lijsten opgesteld (zie volgende bladzijde). Genoemde lijsten zijn niet volledig en kunnen desgewenst uitgebreid worden. Lijst A bevat een aantal strategische netkeuzes. Uitgaande van deze lijst zijn een aantal varianten van het proefnet te bedenken. Voor ieder net kunnen een aantal beveiligingsconcepten opgesteld worden. Rierbij kan uitgegaan worden van lijst B die een reeks beveiligingsrelais omvat die in de literatuur terug te vinden zijn. In lijst C zijn criteria aangegeyen waarop voor ieder net de bijbehorende concepten beoordeeld kunnen worden. Voor een goede beoordeling kan gezocht worden naar methodes om deze criteria te quantificereno
kosten onderbreking I
kosten
kosten
elektriciteits-
beveiligings-
net
systeem
minimale kosten
Fig 2.1: Beoordeling van industrieel elektriciteitsnet beveiliging
+ bijbehorende
-4-
Lijst A: Strategische netkeuzes
-Netstructuur -Redundantie in verbindingen -Redundantie in verdelers -Koppelschakelaars -Sterpuntsaarding -Belasting -Eigen opwekking
Lijst B: Relais
-Overstroomrelais -Richtinggevoelig overstroomrelais -Over- en onderspanningsrelais -Richtinggevoelig energierelais -Differentiaal relais -Overstroomrelais -Percentage -Vast percentage -Variabel percentage -Inschakelvast -Distantierelais -Impedantie distantierelais -Richtinggevoelig impedantie distantierelais -Reactantie distantierelais -Mho distantierelais -Mho reactantie distantierelais -Richtinggevoelig impedantie relais -Fase evenwicht stroom relais -Fase volgorde spanning relais -Spanning evenwicht relais -Frequentie relais -Thermisch relais -Buchholz relais -S meltveiligheden Ieder relais van lijst B kan nog bekeken worden op functie (primair of secundair; zie H3), principe en fabrikaat.
-5-
Lijst C: Beoordelingscriteria -Betrouwbaarheid -Selectiviteit -Kosten -Snelheid -Communicatie -Eenvoud -Onderhoud -Veiligheid -Gevoeligheid -Oplevertijd
-6-
H3: Beveiliging Een elektriciteitsnet wordt altijd voorzien van een beveiligingssysteem. Dit wordt altijd zo opgezet dat zoveel mogelijk aan twee doelen voldaan wordt: -beperking van schade aan componenten van het elektriciteitsnet in geval van een foutsituatie door zo snel mogelijk af te schakelen -continuering van de elektriciteitsvoorziening in geval van een foutsituatie door zo selectief mogelijk de gestoorde netdelen af te schakelen Als foutsituaties kan men in eerste instantie denken aan kortsluitingen. Er kan echter ook beveiligd worden tegen overbelastingen. Voor het ontwerpen van een beveiligingssysteem zal men inzicht moeten hebben in de verschillen tussen een gewone situatie en de mogelijke foutsituaties. Ret is dus absoluut gewenst vooraf een loadflowberekening voor het betreffende net uit te voeren voor het verkrijgen van de belastingstromen en de bedrijfsspanningen (zie R7). Daarnaast dienen ook voor verschillende foutsituaties de stromen en spanningen in het net berekend te worden. De meest voorkomende foutsituatie is de kortsluiting en er zal vooraf dan ook een kortsluitstroomberekening uitgevoerd moeten worden. Omdat driefase-aardfouten meestal de hoogste kortsluitstromen opleveren wordt allereerst voor deze foutsituatie op verschillende plaatsen in het net een kortsluitstroomberekening uitgevoerd (zie R7). De beveiliging van een elektriciteitsnet bestaat uit een aantal beveiligingstoestellen (relais) die op bepaalde plaatsen aangebracht zijn. Een relais is in principe een apparaat dat zodra een foutsituatie geconstateerd wordt een uitschakelsignaal doorgeeft aan een vermogensschakelaar. Ieder relais beschermt aIleen of in samenwerking met een of meerdere relais een bepaald gebied (een zone). Door een goede onderlinge afstemming van de relais kan een fout op een bepaalde plaats weggeschakeld worden. Relais kunnen falen door onterecht aanspreken of onterecht niet aanspreken. Ret relais kan immers eenvoudigweg kapot zijn. Met name bij elektromechanische relais komt echter ook nogal eens voor dat de instelling van het relais veranderd is. Men spreekt dan van een slapend relais. Om problemen bij onterecht niet aanspreken te voorkomen is er altijd een reservebeveiliging aanwezig. De beveiliging kan dan ook verdeeld worden in primair en secundair. De primaire beveiliging van een gebied bestaat uit een of meer relais die voor een mogelijke foutsituatie in dat gebied als eerste moet(en) reageren. De secundaire (reserve, backup) beveiling van een gebied wordt gevormd door een of meer relais die aan moeten spreken indien de primaire beveiliging faalt. Deze relais moeten dan weI later reageren dan de primaire relais, omdat afgewacht moet worden of deze primaire relais al dan niet aanspreken. Ret op elkaar afstemmen van deze aanspreektijden noemt men staffelen van de tijden. Ret is mogelijk dat een relais als primair relais functioneert voor een bepaald gebied en als reserve relais voor een ander gebied. Uiteraard betekent dit beperking van de kosten van het beveiligingssysteem, omdat nu twee functies door ren relais worden vervuld. De onderlinge afstemming van deze primaire en secundaire beveiligingstaken van relais voor alle zones van het elektriciteitsnet wordt de beveiligingsstrategie genoemd. Hierbij wordt dus bepaald welke zones beschermd moeten worden door relais op welke plaatsen. Dit is echter nog maar een gewenst ideaalbeeld. De daadwerkelijke keuze van de relais met de bijbehorende instelling op de vastgestelde plaatsen vormt het beveiligingsconcept. Dit betekent dus de invulling van de strategie. In principe zou iedere zone beveiligd kunnen worden met een snelle, selectieve beveili-
-7-
ging. In de praktijk is zo'n systeem vaak veel te duur. Er zal dus rekening gehouden moeten worden met de ernst van iedere foutsituatie en de bijbehorende verwachte frequentie van optreden. Ais voorbeeld voor de ontwikkeling van een concept wordt nu even aangenomen dat voor een bepaalde zone een relais gekozen is dat op de hoogte van de stroom reageert. Dan za1 voor de te beveiligen zone gekeken moeten worden of er een stroomwaarde gevonden kan worden die ligt tussen de maximale belastingsstroom en de minimale stroom bij een kortsluiting in die zone. Indien van toepassing moet dit zowel voor de primaire als de secundaire taak bekeken worden. Ook voor kortsluitingen buiten de eigen zOne in het net moet nagegaan worden of dit relais aanspreekt en of dit gewenst is. Samenvattend kan gesteld worden dat voor kortsluitingen in aIle zones nagegaan moet worden welke relais aanspreken bij de gekozen instelling. Er dient uiteindelijk zo'n instelling gevonden te worden dat de gewenste primaire en secundaire funkties vervuld kunnen worden door de daarvoor uitgekozen relais. Ret is echter mogelijk dat het gewoonweg niet lukt een gewenste instelling van de relais te vinden. Er zijn bijvoorbeeld situaties denkbaar waarin de minimale korstluitstroom kleiner is dan de maximale belastingsstroom. In dat geval zal een relais dat op een minimaal ingestelde hoogte van de stroom reageert niet naar behoren kunnen functioneren. Dit wordt falen van het concept genoemd. Ret is duidelijk dat de keuze van de relais van groot belang is voor het weI of niet succesvol zijn van het concept.
-8-
H4: Relais In dit hoofdstuk zal nader ingegaan worden op de werking van de relais genoemd in lijst B (zie H2). Een beveiligingstoestel wordt vaak een relais genoemd, terwijl dit eigenlijk maar een onderdeel van het beveiligingstoestel is [15]. Het toestel is vaak op te delen in vier stukken: -de opnemer Deze meet op een bepaalde manier een of meer grootheden op een zekere plaats in het net. In eerste instantie kan gedacht worden aan stroom en spanning m. b.v. stroom- en spanningstransformatoren. Men kan ook denken aan temperatuur- en drukmetingen d.m.v. sensoren. -de detector Deze stelt vast of de gemeten grootheid of grootheden een vooraf vastgestelde waarde overschrijden. De instelling van het beveiligingstoestel ligt dus hier. De instelling kan de grootte van een van de genoemde grootheden zijn, maar ook combinaties ervan. -de signaalgever Dit gedeelte geeft een opdracht tot ingrijpen indien de detector vaststelt dat ingegrepen moet worden. Dit is vaak een relais en met dit gedeelte wordt dus vaak het gehele beveiligingstoestel aangeduid. -de afschakelaar Deze zet het gegeven signaal om in de gewenste actie. Meestal is dit het openen van een of meer schakelaars. Dit stuk bestaat dus uit de communicatie vanaf het relais tot en met het aanspreekmechanisme van de vermogensschakelaar. Het komt vaak voor dat bovenstaande opdeling niet altijd duidelijk te maken is, omdat meerdere functies in een gedeelte verenigd kunnen zijn. Principiele werking Relais reagerend op spanning en/of stroom kunnen opgedeeld worden in twee klassen: -elektromechanische relais -elektronische relais De elektromechanische relais worden al jaren in de beveiliging gebruikt. Ze zijn eenvoudig, betrouwbaar, vergen weinig onderhoud en gaan lang mee. Ze kunnen opgedeeld worden in twee soorten: -elektromagnetische aantrekking -elektromagnetische ind uctie Voor het eerste geval zijn twee typen denkbaar. Deze kunnen beide zowel op gelijk- als op wisselspanning of -stroom werken. Het solenoide of plunger type is getekend in Fig 4.1. Dit relais reageert op een te hoge stroom door de spoel. De weekijzeren kern bevindt zich gedeeltelijk in de spoel. Indien de stroom door de spoel een bepaalde waarde overschrijdt, zal de kern in de spoel getrokken worden en worden de contacten gesloten. De aanspreekwaarde van de stroom is te varieren door de kern meer of minder ver in de spoel aan te brengen. Het clapper of hinged armature type werkt op een iets andere wijze. Boven de pool van een elektromagneet wordt een anker op een scharnierpunt van de pool gehouden door een veer (Fig 4.2). Bij een bepaalde stroom zal de veerkracht overwonnen worden door de elektromagnetische kracht. Het anker zal aangetrokken worden door de elektromagneet
-9-
Fig 4.1: Elektromech. relais, plunger type
Fig 4.2: Elektromech. relais, clapper type en het aan het anker verbonden contact zal sluiten met het vaste contact. Hierdoor wordt een stroomkring gesloten wat een aanspreeksignaal voor een vermogensschakelaar zal geven. De aanspreekwaarde van de stroom kan gevarieerd worden door veren met verscbillende veerconstantes te gebruiken. Er zijn ook uitvoeringen, waarbij de stroom ingesteld wordt door de pool meer of minder ver van het anker te plaatsen m. b. v. een schroef. Voor de elektromagnetische inductie zijn ook twee types denkbaar. Het type relais dat gebruik maakt van een schijf is getekend in Fig 4.3. Dit relais is afgeleid van de kilowattuurmeter. Indien de winding bekrachtigd wordt zal er een flux ontstaan in bet ijzer. Bij de scbijf zal deze zich verdelen in twee fluxen. Daar heeft de elektromagneet namelijk twee
- 10 -
•
o
Fig 4.3: Elektromech. relais, cylinder type
D
( ~
v
1'\
(\
I
v
n
(
I
\ )
\
v r---..
(
./'
b
/
Fig 4.3: Elektromech. relais, schijf type
v
- 11 -
poten aan beide kanten. Een van de paren is voorzien van een demperwikkeling. De totale flux in de poten met demperwikkeling zal in fase verschoven worden ten opzichte van die zonder wikkeling. Dit levert een koppel op op de schijf, waarvoor de volgende uitdrukking gevonden kan worden: T
=
K'
~1
.
~2
• SINO
(4.1)
Rierin staat e voor de faseverschuiving tussen de fluxen cJl 1 en cJl 2 • Ret mag duidelijk zijn dat het koppel groter wordt, naarmate e groter wordt, oftewel naarmate er een hogere stroom door de spoel zal lopeno Doordat een veer is bevestigd aan de schijf zal deze niet ronddraaien. Indien het koppel groter wordt, zal het contact van de schijf iets verplaatst worden in de richting van het vaste contact, totdat een nieuw evenwicht gemaakt is met de veerkracht. Ret relais kan op een bepaalde aanspreekwaarde ingesteld worden door de afstand van de twee contacten te varieren of een andere veer te kiezen. Ben ander type inductie relais gebruikt een cylinder in plaats van een schijf (Fig 4.4). Dit relais werkt op hetzelfde principe (het faseverschil in fluxen). Ook hier wordt een veer gebruikt om tegenwicht te bieden aan de elektromagnetische kracht. Inductie relais werken alleen op wisselstroom of -spanning. Naast reageren op de hoogte van de stroom of spanning zijn ze goed te gebruiken als richtinggevoelig relais. aangenomen wordt dat de bekrachtigingswikkeling op de spanning aangesloten is. In plaats van de demperwikkeling wordt een spoel gebruikt die aangesloten wordt op de stroom. Ret geleverde koppel is dan afhankelijk van de fasehoek tussen spanning en stroom. De contacten en de veer kunnen dan zo geplaatst worden dat het relais alleen aanspreekt indien de spanning voorijlt op de stroom. Voor zowel de relais op basis van elektromagnetische aantrekking als inductie geldt dat andere uitvoeringsvormen denkbaar zijn en ook toegepast worden. Combinaties van verschillende relais kunnen ook weer nieuwe functies inhouden. De laatste jaren komen elektronische relais meer en meer in gebruik. De voordelen t.O. V. elektromechanische relais zijn vooral beter dynamisch gedrag, beter bestand tegen schokken, minder verlies en minder benodigde ruimte. Elektronische relais maken veelvuldig gebruik van schakelingen met vermogenselektronische componenten. De elektronische relais zijn er in analoge vorm, doch ook de digitale relais zijn in opkomst. Ben digitaal relais is vaak zo ontworpen dat het meerdere functies in zich verenigt en dus eigenlijk uit meerdere relais bestaat. Naast relais reagerend op stroom of spanning kunnen ook nog genoemd worden relais die reageren op temperatuur of druk. Omdat de temperatuur slechts langzaam stijgt, kan een relais dat reageert op de temperatuur slechts beschermen tegen overbelasting van componenten. Relais die reageren op de druk worden weI toegepast in gesloten schakelinstallaties en transformatoren. Ze kunnen zowel tegen overbelastingen als tegen kortsluitingen beschermen.
Types Achtereenvolgens zullen nu de relais van lijst B aan de orde komen. De belangrijkste foutsituatie die tijdens dit werk bekeken is, is de drie-fase kortsluiting. Relais die
- 12 -
hiertegen beveiligen zuBen dan ook wat uitgebreider behandeld worden. Dit zijn de eerste relais in lijst B tot en met het distantie relais. Ondanks de opkomst van de elektronische· relais zal vaak de elektromechanische versie van het relais uitgelegd worden. De reden hiervoor is dat in tegenstelling tot de elektromechanische relais over de elektronische relais in de literatuur heel weinig terug te vinden is. Overstroomrelais Overstroomrelais zijn de meest gebruikte relais, zowel voor primaire als secundaire
t
1
la
-
Fig 4.5: Onafhankelijke overstroomtijd-karakteristiek
t
1
I
__
10
----1/2
. _ - -
-
Fig 4.6: Afuankelijke overstroomtijd-karakteristiek
- 13 •
beveiliging. De relais kunnen opgedeeld worden naar twee karakteristieken: -onafhankelijk -afhankelijk De onafhankelijke karakteristiek is te vinden in Fig 4.5. Deze wordt vooral gebruikt vanwege de eenvoud. Indien de waarde van de stroom gedurende een bepaalde tijd hoger is dan de aanspreekwaarde voor de stroom spreekt het relais aan. Indien er gereageerd wordt, gebeurt dit altijd in dezelfde tijd, onafhankelijk van de stroom. Dit is het verschil met de afhankelijke karakteristiek, waarbij grotere stromen sneller afgeschakeld worden dan ldeinere stromen. Men noemt dit een inverse-tijd-karakteristiek (Fig 4.6). De karakteristiek kan naar wens ingesteld worden; Dit wordt bepaald door de time-dial-setting. Er kan bijvoorbeeld ingesteld worden tussen 0,5 en 10, vaak met stappen van 0,5 of 1. Het bereik kan ook andere grenzen hebben dan 0,5 en 10. Dit is afhankelijk van het gewenste overstroomrelais en de fabrikant. Richtinggevoelig overstroomrelais Oit relais reageert op de hoogte en de richting van de stroom. Nemen we aan dat het relais elektromechanisch is, dan bestaat het uit twee delen. Een deel reageert op de hoogte van de stroom. Dit kan zowel een aantrekkingstype als een inductietype zijn. Het andere deel moet een inductietype zijn, zodat op de richting (in feite op de fasehoek tussen spanning en stroom) gereageerd kan worden. De stroom van de stroomtrafo loopt eerst door de spoel van het eerste relais en daarna door een spoel van het tweede (inductie) relais. De andere spoel van het tweede relais wordt bekrachtigd met de spanning. Er wordt nu aIleen een uitschakelcommando gegeven indien beide relais aanspreken. In sterk vermaasde netten kan beoordeling op zowel de hoogte als de richting van de stroom vaak een verbetering van de selectiviteit betekenen. Over- en olldel'spanllingsl'elais Ben overspanningsrelais reageert simpelweg op een te hoge spanning en een onderspanningsrelais op een te lage spanning. AIle al besproken elektromechanische relais zijn hiervoor toepasbaar. Beide relais worden veel gebruikt voor rail- en motorbeveiliging. Richtinggevoelig energierelais Oit relais reageert op de grootte van de wattcomponent van het vermogen, dus op UIcosq,. Hiervoor kunnen twee gekoppelde elektromechanische relais van het inductietype gebruikt worden. Zoals al bij het richtinggevoelig overstroomrelais opgemerkt is, kan de richtinggevoeligheid positief uitwerken op de selectiviteit van de beveiliging in vermaasde netten. Differentiaal relais Hierbij wordt aan begin en eind van de te beveiligen zone de stroom gemeten. Het relais spreekt aan indien de verschilstroom te hoog is. Er wordt in dat geval gesproken vn een langsdifferentiaalrelais. In geval van een elektromechanisch relais kan dit zowel een aantrekkings- als een inductietype zijn. Er moet op een bepaalde drempelwaarde van de stroom worden gereageerd. Het eenvoudigste geval is getekend in Fig 4.7. Dit relais heeft
- 14 -
component
Fig 4.7: Differentiaal relais het voordeel dat het een duidelijk afgebakende zone beveiligt en dus selectief is. Fouten buiten de zone worden niet gezien. Er is dan ook geen backup-functie voor andere zones mogelijk. Het relais staat bekend als snel reagerend. Het wordt voor alle componenten gebruikt. Het is voor bescherming van lange lijnen vaak duur vanwege de benodigde communicatieverbinding. Yoor dure transformatoren is deze beveiliging echter vaak gerechtvaardigd. £en dwarsdifferentiaalrelais reageert op een te groot verschil in stroom tussen twee verbindingen. Men kan hierbij denken aan twee verbindingen tussen twee rails waarbij beide verbindingen identiek zijn. In een normale situatie moet de stroom door beide verbindingen even hoog zijn. Bij een kortsluiting op een van beide verbindingen zal het dwarsdifferentiaalrelais dan aanspreken. £en ander differentiaalrelais wat genoemd kan worden is een raildifferentiaalrelais wat toegepast lean worden voor de beveiliging van een rail. AIle in- en uitgaande lijnen worden voorzien van stroommeettransformatoren. Indien er een te groot verschil is in de som van de totale stroom afkomstig van deze transformatoren spreekt dit relais aan en wordt de rail volledig gei'soleerd door het openen van bijbehorende vermogensschakelaars. Het grootste technische probleem bij het differentiaalrelais is het juist op elkaar afstemmen van de stroom afkomstig van de stroomtransformatoren. Probleem hierbij is het ongelijktijdig in verzadiging gaan van de meettransformatoren, waardoor transformatie- en hoekfouten kunnen ontstaan. In lijst B zijn de differentiaalrelais opgedeeld in twee soorten. De overstroomdifferen tiaalrelais hebben een vaste aanspreekwaarde onafhankelijk van de verschilstroom. Dit is de simpelste, minst gevoelige en goedkoopste uitvoering van een differentiaalrelais. £en tweede mogelijkheid is als drempelwaarde een percentage te nemen van de verschilstroom. Dit soort relais is ongevoeliger voor fouten met hoge stromen buiten de te beveiligen zone. Yoor deze fouten verzadigen de stroomtransformatoren sneller en dus leveren ze sneller fouten op. Dit soort differentiaal relais wordt vaak gebruikt voor de beveiliging van generatoren, transformatoren, rails en motoren. De procentuele differentiaalrelais zijn nog te verdelen in vast percentage en variabel percentage. Zoals de naam al
- 15 -
doet vermoeden, wordt bij het eerste geval een drempelwaarde ingesteld die een vast percentage van de verschilstroom is. Bij een variabel percentage wordt een groter percentage genomen , naarmate de verschilstroom groter is. Dit maakt de laatste nog gevoeliger voor kleine foutstromen in de zone en ongevoeliger voor grote foutstromen buiten de zone. Deze laatste wordt vaak gebruikt voor generatorbeveiliging, terwijl voor trafobeveiliging vaak een ongevoeliger differentiaal gebruikt wordt vanwege de hoge magnetisatiestromen bij inschakeling. Een relais dat rekening houdt met de mogelijk hoge inschakelstromen van trafo's is het in lijst B genoemde inschakelvaste procentuele differentiaalrelais. De inschakelstromen van trafo's bezitten hogere harmonische componenten, waarbij de tweede dominant is. Ret genoemde relais reageert op een vast percentage tweede harmonischen en is zo ingesteld dat bij overschrijding hiervan geen afschakelcommando gegeven wordt. Distantierelais Dit relais wordt vooral gebruikt voor de beveiliging van hoogspanningslijnen. Ret beveiligt een bepaalde zone door aan ren kant spanning en stroom te meten. De gemeten stroom wordt door een nabootsimpedantie Z gestuurd die de werkelijke waarde Z van de lijn representeert (Fig 4.8). Er wordt afgeschakeld indien:
v
~
I' Z
(4.2)
In feite is dit een vergelijking van twee impedanties. Indien namelijk een kortsluiting optreedt in de te beveiligen zone, 'ziet' het relais een impedantie VII = Z!. Er wordt afgeschakeld als geldt:
v
~
Z' I
(4.3)
of
Ret mag duidelijk zijn dat een fout binnen de te beveiligen zone een impedantie kleiner
""""<------ z ---------0<) """"(---- ZI
---~>
0----. V sZ·1
Fig 4.8: Werking impedantie relais
- 16 -
>:
> )
0
),
!
0
)
80%
)
C
B
A
0
160%
240%
Fig 4.9: Reservefunctie van distantie relais dan Z oplevert. Een kortsluiting dichter bij het relais geeft een ldeinere spanning en een grotere stroom. Ben fout voorbij de sectie wordt niet 'gezien' door het relais. Ret relais wordt meestal niet ingesteld op de hele te beveiligen sectie, maar op 80 85 % vanwege mogelijke onnauwkeurigheden in de gemeten stromen en spanningen en het feit dat een onterechte afschakeling als ernstiger beschouwd wordt dan een terechte afschakeling. Indien een terechte afschakeling als ernstiger beschouwd werd, zou het relais op 120% ingesteld worden. Om de gehele sectie te beschermen wordt vaak ook een distantie relais aan de andere kant van de sectie geplaatst. Dit relais kijkt dan ook in de richting van de sectie. Deze relais hebben altijd een richtinggevoeligheid in zich. Omdat gekeken wordt naar de impedantie van de lijn en niet aIleen naar de stroom, wordt een bepaalde afstand beveiligd. Vandaar de naam distantierelais (eng: distance relay). Ben ander voordeel van dit relais is dat het ook als reserve kan optreden voor andere relais. Dit doordat het relais meerdere instellingen kan hebben. Een voorbeeld voor een lijn is geillustreerd in Fig 4.9. Allereerst is het relais op plaats A zo ingesteld dat het 80% van de sectie AB beveiligt. Een fout binnen deze 80% zal vrijwel momentaan afgeschakeld worden. Daarnaast is het relais ook nog ingesteld om 160% van de sectie AB te beschermen. Dit kan door een gedeelte van de gemeten spanning te nemen of de stroom door een andere impedantie te sturen (Z representatief voor 160% van de sectie AB). Het relais za1 op deze instelling echter pas na ongeveer 0,5s reageren. D. w.z. dat gedurende 0,5s formule (4.2) moet gelden en daarna actie ondernomen wordt om de bijbehorende vermogensschakelaar te openen. Indien een kortsluiting binnen 60% van sectie BC optreedt en het distantie relais op plaats B faalt, zal het relais op plaats A in zijn eerste volgtrap (dus de instelling 160% van sectie AB) de fout opmerken en alsnog afschakelen. Indien de fout optreedt in de laatste 40% van sectie BC en het relais op plaats B faalt, wordt nog afgeschakeld door de tweede volgtrap van relais A (240% van AB). Het relais op plaats B kan op dezelfde manier optreden als reserve voor het relais op plaats C. Indien de hele sectie van beide kanten beschermd wordt met meerdere distantie relais die met hun instellingen als reserve voor elkaar kunnen fungeren, kan de fout altijd gedetec-
- 17 -
teerd worden. De instelling van het relais kan worden weergegeven in een complex impedantie diagram. Rierbij gaat het om het eerste quadrant. Een impedantie in het derde quadrant betekent de impedantie in de tegenovergestelde richting van de lijn. Er is dan meestal ook een richtinggevoeligheid aanwezig om ervoor te zorgen dat het distantierelais slechts in de gewenste richting kijkt. Ret verschil in de in lijst B genoemde types distantierelais zit in deze diagrammen. De hierboven genoemde principiele werking is voor allen hetzelfde. Impedantie distantierelais Dit type reageert op de absolute waarde van de complexe impedantie van de lijn (Fig 4. lOa). Richtinggevoelig impedantie distantierelais Rierbij is de cirkel wat verschoven ten opzichte van de cirkel bij de karakteristiek bij een impedantie relais (Fig 4. lOb). Er is een richtinggevoelig element toegevoegd om ervoor te zorgen dat het relais slechts in de gewenste richting kijkt. Reactantie distantierelais Dit relais reageert op de absolute waarde van de imaginaire component van de impedantie van de lijnsectie. Ret criterium is hier dus: (4.4)
Rier staat X voor de reactantie van de lijnsectie en Xl voor de reactantie tussen het relais en de plaats van kortsluiting (Fig 4.lOc). Ret voordeel hierbij is dat het relais niet reageert op de mogelijke weerstand van de kortsluitboog. Deze weerstand kan namelijk nogal in grootte varieren. Mho distantie relais De karakteristiek van dit relais heeft dezelfde vorm als die van het impedantie relais. De cirkel is echter verschoven, zodanig dat deze door de oorsprong van het complexe vlak gaat (Fig 4.lOd). De cirkel ligt voor het grootste gedeelte in het eerste quadrant. Er hoeft dus geen richtinggevoeligheid meer toegevoegd te worden, omdat de karakteristiek deze al in zich heeft. De naam Mho komt overigens van de oude eenheid voor admittantie. Mho reactantie distantie relais Voor korte lijnen wordt dit relais vaak gebruikt. Ret Mho-gedeelte zorgt voor de richtinggevoeligheid. De aanspreekcontacten staan in serie, zodat er een aanspreeksignaal gegeven wordt, indien de reactantie kleiner is dan Xl en de impedantie binnen de cirkel afgebeeld wordt (Fig 4.10e).
- 18 -
x
x
R R
a)
b)
x
R
d)
c)
x
R
e)
Fig 4.10: Karakteristieke diagrammen, (a) Impedantie, (b) Richtinggevoelig impedantie, (c) Reactantie, (d) Mho, (e) Mho Reactantie
- 19 -
Elektronische relais bieden de mogelijkheid een veelheid aan karakteristieken te ontwerpen, welke aIle een speciale toepassing kunnen hebben. Genoemd wordt de polygoonkarakteristiek.
Fase-evenwicht-stroom relais Dit relais reageert op asymmetrische fasestromen en dus op asymmetrische fasefouten (dus niet op drie-fase fouten). Dit relais wordt gebruikt voor de beveiliging van generatofen en motoren en voor eenfaselaagspanningsinstallaties. Er zijn twee soorten te onderscheiden. De eerste reageert op een te groot verschil tussen twee fasestromen. Vaak is dit een vast percentage type (zie differentiaal relais). Het mag duidelijk zijn dat in geval van driefasecomponenten voor een relais drie van de genoemde eenheden nodig zijn . Bij de andere uitvoering wordt er gereageerd op de homopolaire component van de stroom. Ben elektromechanisch relais van dit type bestaat uit een inductie type overstroom relais met een filter dat ervoor zorgt dat er aIleen gereageerd wordt op de homopolaire component.
Fase-volgorde-spanningsrelais Voor de bescherming van synchrone of asynchrone machines wordt dit relais gebruikt. Het kan reageren op over- of onderspanning en voorkomt dat gestart wordt op een verkeerde fase volgorde.
Spanning-evenwicht relais Dit relais wordt voornamelijk gebruikt ter bescherming van motoren en transformatoren. Indien in een van de fasen een smeltveiligheid doorbrandt, reageert dit relais en voorkomt dat andere relais in dit geval ongewenst aanspreken.
Frequentie relais Zoals de naam al doet vermoeden, reageert dit relais op de waarde van de frequentie. Ben dergelijk relais is vaak zo geconstrueerd dat het zowel op een onder- als een overfrequentie kan reageren. Dit relais wordt vaak gebruikt ter bescherming van de generator. Generator en belasting moeten goed op elkaar afgestemd zijn. Daalt de frequentie van de generator door een te hoge belasting en de generator wordt niet bijgeregeld, dan zal onder een bepaalde frequentie dit relais aanspreken en een gedeelte van de belasting afschakelen. De elektromechanische versie van dit relais is van het inductie type.
Thermisch relais Dit relais beschermt generatoren, transformatoren en motoren tegen langdurige overbelasting. Principes waarop dit soort relais werken, maken gebruik van de temperatuurverandering in de component. Deze relais benutten meestal een van de volgende verschijnselen: -uitzetting van metaal of vloeistof -variatie in weerstand van een metaal -variatie in weerstand van een speciale gevoelige sensor -thermo-elektrisch effect
- 20 -
Buchholz relais Dit relais wordt gebruikt voor de beveiliging van transformatoren. De bak van een transformator is gevuld met olie en staat in verbinding met de erboven opgestelde conservator. Het relais bevindt zich in de pijp tussen trafo en conservator. Indien er een kortsluiting plaatsvindt in de trafo of de trafo is overbelast, zal de olie in de trafo ontleden. Het gas dat zo ontstaat zal opstijgen, waardoor de oliespiegel bij het relais zal dalen. Hierdoor kantelt een vlotter die op de olie drijft en er zal een contact gesloten worden. Het relais kan dus zowel beschermen tegen kortsluitingen als tegen overbelastingen.
Smeltveiligheden Smeltveiligheden kunnen zeer snel kortsluitingen op componenten afschakelen. De component die afgeschakeld is door een smeltveiligheid kan echter niet opnieuw in bedrijf genomen worden voor de doorgebrande smeltveiligheid vervangen is. In industrH~le middenspanningsnetten worden ze nauwelijks toegepast.
- 21 -
H5: Criteria De criteria genoemd in lijst C kunnen gebruikt worden ter beoordeling van een beveiligingsconcept. Uit deze lijst zijn 5 criteria uitgekozen waarop aHe beveiligingsconcepten beoordeeld zuHen worden. Deze criteria zijn: -betrouwbaarheid -selectiviteit -kosten -snelheid -communicatie De beoordeling is vooral gericht op ren doel van de beveiliging namelijk de continuiteit van de elektriciteitsvoorziening. Het andere doel, beperken van de schade aan componenten, komt slechts terug bij het criterium snelheid. Dit doel is echter niet meegenomen in de uiteindelijk beoordeling. De vijf criteria kunnen aHe afzonderlijk beoordeeld en zo mogelijk gequantificeerd worden. Ieder beveiligingsconcept wordt dan gekenmerkt door vijf parameters. Echter betrouwbaarheid en kosten zijn de belangrijkste criteria. Men wi! natuurlijk met de beveiliging ervoor zorgen dat het systeem zo betrouwbaar mogelijk wordt tegen zo laag mogelijke kosten. Andere criteria kunnen vaak omgezet worden naar een of beide van deze criteria. In plaats van ieder beveiligingsconcept te karakteriseren door vijf parameters, zullen deze criteria omgezet worden naar betrouwbaarheid en kosten. Er zijn nu twee beoordelingen mogelijk die voor dit werk interessant zijn. De eerste wordt beoordeling uit beveiliginsoogpunt genoemd. Hierbij wordt voor iedere combinatie
criteria
D
betrouwbaarheid
f········JJ· kosten onderbreking
kosten
kosten
elektriciteits-
beveiligingssysteem
net
minimale kosten Fig 5.1: Beoordeling van industrieel elektriciteitsnet
+ bijbehorende beveiliging
- 22 -
net - beveiliging een concept gezocht dat de hoogste betrouwbaarheid oplevert voor de continiteit van elektriciteitsvoeding van openbare net aan fabriek. De tweede beoordeling wordt aangegeven als een beoordeling uit het oogpunt van een optimaal systeemontwerp. Bij deze beoordeling wordt minimale totale kosten als uiteindelijke criterium gehanteerd. Systeembetrouwbaarheid wordt dan omgezet in onderbrekingskosten van de fabriek. Er kan bekeken worden welke combinatie net - beveiliging een minimum oplevert van de som van onderbrekingskosten, kosten van het elektriciteitsnet en kosten van de beveiliging (Fig 5.1). Zoals al vermeld in hoofdstuk 1 is deze laatste beoordeling die, die in het hele onderzoek gebruikt is. Aangenomen is al dat er een voorlopige beperking is tot industriele MS-netten. Dit houdt in dat de belasting voornamelijk bestaat uit de hoog- en laagspanningsmotoren in de fabrieken. Overige aannames zijn: -als foutsituaties worden aIleen driefase-aardsluitingen beschouwd -onderhoud wordt buiten beschouwing gelaten -aIleen het elektrisch statisch gedrag wordt bekeken -de beveiliging van motoren en transformatoren wordt niet bekeken Dit betekent dat het dynamisch gedrag afkomstig van motoren, transformatoren en schakelhandelingen buiten beschouwing wordt gelaten. Achtereenvolgens zullen nu de vijf criteria besproken worden.
Betrouwbaarheid en selectiviteit Deze begrippen worden hier samen behandeld vanwege de nauwe verbondenheid. Ben goede selectieve beveiliging kan de betrouwbaarheid vaak verhogen. Beide begrippen zijn echter niet hetzelfde en de definities wijken dan ook van elkaar af. De continuiteit van industriele processen is afhankelijk van het aanwezig zijn van een goede verbinding van openbare net naar fabriek. Iedere fout op een bepaalde plaats van het industriele net kan slechts twee gevolgen hebben: -de fabriek wordt na de fout nog steeds gevoed -de fabriek wordt na de fout niet meer gevoed Bij het criterium betrouwbaarheid voor beoordeling van een beveiligingsconcept gaat het om de continuiteit van de processen en dus om de aanwezigheid van een ongestoorde verbinding van openbare net naar fabriek. Indien dit ook geldt juist na het optreden van een fout is de betrouwbaarheid groter. Betrouwbaarheid kan hier dus gezien worden als systeembetrouwbaarheid. Met nadruk is vermeld dat het hier niet gaat om de betrouwbaarheid van de beveiliging als zijnde de faalkansen van de relais. Ret elektriciteitsnet heeft door zijn opbouw een maximaal mogelijke systeembetrouwbaarheid in zich. Ret is heel erg afhankelijk van het toegepaste beveiligingssysteem of deze maximale betrouwbaarheid ook gehaald wordt. Deze twee laatste uitspraken zullen nu toegelicht worden met een voorbeeld. Er worden twee eenvoudige industriele netten aangenomen (Fig 5.1). Geval A is een net met slechts een verbinding van openbare net naar fabriek. Geval B is een net met twee verbindingen. Aangenomen wordt dat iedere verbinding het volledig benodigde elektrische vermogen kan overbrengen van openbare net naar fabriek. Indien in geval A een kortsluiting optreedt op de verbinding, zal de beveiliging in moeten grijpen en af moeten schakelen. De fabriek zal uit bedrijf gaan. In geval B kan ook een kortsluiting optreden op een van de verbindingen. De beveiliging kan dan reageren door de geraakte tak te isoleren zodat de fabriek nog gevoed kan worden via de andere tak. De betrouw
- 23 -
open bare net
A
fabriek
openbare net
B
fabriek
Fig 5.2: Voorbeeld van twee eenvoudige netten; a) een verbinding; b) twee verbindingen baarheid van de continuHeit van elektriciteitsvoeding van het openbare net aan de fabriek kan zo hoger zijn. Eis is weI dat de beveiliging goed, intelligent m.a. w. selectief te werk gaat. Indien de beveiliging bij een fout in geval B meteen beide takken losschakelt, is ook dan geen voeding meer mogelijk. Bij deze werking van de beveiliging kan de betrouwbaarheid van het aanwezig zijn van een paralleiverbinding zelfs slechter worden dan in het eerste geval. De kans op fouten is namelijk in geval B dan twee keer zo hoog dan in geval A doordat in geval B twee verbindingen aanwezig zijn. Met dit voorbeeld is beoogd duidelijk te maken dat de betrouwbaarheid van de voeding aan de fabrieken sterk afhankelijk is van de werking en met name de selectieve werking van de beveiliging. In geval A heeft de beveiliging aIleen de taak de schade te beperken door zo snel mogelijk af te schakelen. De opbouw van dit net biedt de beveiliging geen mogelijkheden selectief te werk te gaan. Dit in tegenstelling tot geval B waar het afhankelijk is van de beveiliging of de maximale betrouwbaarheid gehaald kan worden. Allereerst zal nu het begrip terechte afschakeling van een fabriek gedefinieerd worden. Dit begrip is van belang voor de definitie van de selectiviteit. Er wordt gesproken van een terechte afschakeling voor een bepaalde plaats in het net indien door een fout op die plaats geen verbinding tussen openbare net en fabriek meer mogelijk is. De beoordeling terecht of onterecht is helemaal afuankelijk van de opbouw van het elektriciteitsnet. De invloed van de beveiliging staat hier dus helemaal buiten. Het zojuist gegeven voorbeeld kan een en ander verduidelijken. Indien in geval A een fout optreedt op de verbinding zal de verbinding en daarmee de fabriek afgeschakeld worden. Dit is een terechte afschakeling, want naast de gestoorde verbinding is er geen enkele mogelijkheid meer de fabriek te voeden. Indien een van de verbindingen in geval B getroffen wordt door een fout en de fabriek wordt hierdoor afgeschakeld, is dit een onterechte afschakeling. In principe moet het beveiligingssysteem zo selectief kunnen zijn, dat het de gestoorde verbinding uit bedrijf neemt. Er kan dan verder gevoed worden via de ongestoorde verbinding. Ais er een beveiligingsconcept ontworpen is voor een bepaald net, kan voor iedere plaats in dat net nagegaan worden hoe de beveiliging reageert in geval van een driefaseaardsluiting op die plaats. Er kan vastgesteld worden welke foutplaatsen een afschakeling van de fabriek veroorzaken en of dit terecht is. Het nagaan van iedere plaats in het net zou betekenen dat voor iedere plaats een kortsluitstroomberekening uitgevoerd moot
- 24 -
worden. In dit werk is dit beperkt door voor iedere component een foutplaats aan te nemen en te bekijken hoe de beveiliging reageert. In feite betekent dit dat iedere component even belangrijk gevonden wordt om te beveiligen. Door de vooraf gemaakte annames worden de componenten in kwestie beperkt tot rails en kabels. Met het voorafgaande kunnen de volgende definities voor de betrouwbaarheid B en selectiviteit S gemaakt worden: B = 1 _
S = 1 _
A NxF
(5.la)
0
(5.lb)
NxF
met A: aantal keren dat fabriek afgeschakeld wordt 0: aantal keren dat fabriek onterecht afgeschakeld wordt N: aantal foutsituaties
F: aantal fabrieken Beide definities leveren een getal op tussen 0 en 1. Betrouwbaarheid en selectiviteit zijn beter naarmate deze getallen dichter bij 1 liggen. Ret selectiviteitsgetal zal altijd groter of gelijk zijn aan het betrouwbaarheidsgetal. De teller van de breuk in de selectiviteitsdefinitie is namelijk een deelverzameling van de teller van de breuk in de betrouwbaarheidsdefinitie. De noemer is voor beide hetzelfde. Tot nu toe is aangenomen dat alle driefase-aardsluitingen op de componenten een even grote kans van optreden hebben. Ret is echter realistischer de faalgraden van de verschillende componenten in de definities op te nemen. De faalgraad van een component geeft aan hoe vaak per jaar een foutsituatie optreedt op die component. De faalgraden van alle componenten worden nu genormeerd op die van de component met de grootste faalgraad. Dit zal in het vervolg aangeduid worden met relatieve faalgraad Ar :
(5.2)
met Ac : faalgraad van de component Ab : maximale faalgraad van alle componenten Componenten met een hogere relatieve faalgraad zijn belangrijker om te beveiligen, omdat deze componenten een grotere kans hebben dat er een kortsluiting op zal treden. De relatieve faalgraad wordt op de volgende manier in de definities van betrouwbaarheid en selectiviteit meegenomen:
- 25 -
n
8
=:
1 -
LA". LAr x
(5.3a)
-::-_1_ _ n
F
1
n
LAra
(5.3b)
I S=:l--.:.... -n
LA
x F
r
1
De index a in de definitie voor de betrouwbaarheid betekent dat de faalgraad van de component alleen in de som meegenomen moet worden indien bij een kortsluiting op die component de fabriek afgeschakeld wordt. Op dezelfde manier betekent 0 dat de faalgraad van de component aIleen meegenomen moet worden indien bij een kortsluiting op die component de fabriek ten onrechte afgeschakeld wordt. Ret eventueel falen van de relais moet ook opgenomen worden in de definities. In de praktijk blijkt falen van relais namelijk geen uitzondering te zijn. De werking van de reservebeveiliging moet dan ook mede beoordeeld worden. Voor iedere foutsituatie op een component moet nagegaan worden hoe de beveiliging reageert als het eerst aan te spreken relais faalt. Ook dan is weer van belang of de fabriek afgeschakeld wordt en of dit terecht is. Riertoe wordt iedere driefase-foutsituatie op de volgende wijze opgedeeld in primair en secundair: primaire foutsituaties: aIle foutsituaties waarbij het beveiligingssysteem functioneert zoals verwacht secundaire foutsituaties: aIle foutsituaties waarbij het eerst aan te spreken relais faalt Indien primaire en secundaire foutsituaties als even belangrijk gezien worden, kunnen de definities aangepast worden zoals te vinden in form. (5.4). n
n
LA
+
r..p
8
=:
1 -
LA
r..s
_'_----:-_1_ _ n
2 x
LA
(5.4a)
x F
r
1
n
S
=:
1 -
L
n
+
A rop
L
Aros
_1_---,-_1_ _ n
2 x
LAr x 1
F
(5.4b)
- 26 -
De noemer in beide definities is vermenigvuldigd met 2, omdat aangenomen is dat voor iedere component twee foutsituaties kunnen optreden (primair en secundair). De indices p en s staan hier voor respectievelijk primair en secundair. In werkelijkheid hebben primaire en secundaire foutsituaties een ongelijke kans van optreden. Er kan (gelukking) aangenomen worden dat primaire foutsituaties veelvuldiger optreden dan secundaire. De onderlinge verhouding in optreden is afhankelijk van de faalkansen van de relais. Allereerst wordt aangenomen dat aIle relais dezelfde faalkans P hebben (P is een getal tussen 0 en 1). Indien het relais vaker faalt zal dit getal dichter bij 1 liggen. De definities worden op de volgende manier gewijzigd: n
n
LA,..p B=1-(1-Plx
I
LA,..$ +
n
P
X
LA x F
I
n
LA r x F
I
I
n
n
LArop
S = 1 - (1 - PI x
(5.5a)
I
LAro$ +
n
P
X
I
n
(5.5b)
LA r x F
LA r x F I
I
Er wordt hierbij dus aangenomen dat indien het eerst aan te spreken relais faalt, de reservebeveiliging met 100% zekerheid zal aanspreken. Indien er een grote spreiding bestaat in de faalkansen van de relais zal voor iedere foutsituatie de foutkans voor het eerst aan te spreken relais bekend moeten zijn. Voor iedere foutsituatie moet dan een eigen faalkans P r van het relais meegenomen worden. Dit resulteert in de volgende definities: n
B =1 -
n
LA,..p x (1 - Prl + LA r8s x Pr ,
I
n
n
LA rop x (1 - Prl + LA ro$ x Pr S = 1 -
I
I
n
(5.6a)
(5.6b)
LA r x F I
Deze definities zijn dezelfde als die in formule (5.4) indien voor de foutkans van de relais 0,5 genomen wordt. Men kan zich afvragen wat de betekenis is van deze definities. Ben en ander is al aan
- 27 -
het begin van deze paragraaf uitgelegd. Oe betrouwbaarheid B geeft de betrouwbaarheid van het hele systeem aan voor de continui'teit van de voeding aan de fabriek in geval van een foutsituatie op een willekeurige plaats. Dit betekent eigenlijk de kans dat de fabriek in bedrijf blijft indien op een willekeurige plaats in het net een kortsluiting optreedt. De selectiviteit S geeft aan in hoeverre de maximaal mogelijke betrouwbaarheid van de continuiteit van de elektriciteitsvoeding door de werking van de beveiliging gerealiseerd is. Is S gelijk aan 1 dan kan de beveiliging niet selectiever meer te werk gaan. Het mag duidelijk zijn dat door deze definities betrouwbaarheid en selectiviteit onafhankelijke begrippen blijven. Er is nog iets op te merken over het verschil in hoogte van de beide getallen. Indien er een klein verschil is tussen B en S betekent dit dat door de opbouw van het elektriciteitsnet er voor de beveiliging in principe de mogelijkheid is selectief te werk te gaan. Uit definities (5.1) van betrouwbaarheid en selectiviteit blijkt namelijk dat dit betekent dat er een klein verschil is tussen het aantal afschakelingen en het aantal onterechte afschakelingen. Oit betekent dat er weinig terechte afschakelingen zijn en dus dat de beveiliging voor veel foutsituaties de mogelijkheid heeft selectief te zijn. Indien het verschil tussen B en S groot is geldt het omgekeerde. Oit betekent veel terechte afschakelingen en dus weinig mogelijkheden voor de beveiliging selectief te zijn. Een en ander kan duidelijk worden indien men voor zichzelf bovenstaande definities toepast op de gevallen A en B genoemd in het voorbeeld aan het begin van deze paragraaf. Voor de overige definities van betrouwbaarheid en selectiviteit «5.3) tim (5.6)) is bovenstaande opmerking niet geldig. Daar is het verschil in hoogte van de getallen B en S ook afhankelijk van de faalgraden van de componenten en de faalkansen van de relais. Uit definitie (5.6) voIgt verder dat het in principe mogelijk is dat het betrouwbaarheidsgetal meer verhoogd kan worden door de selectiviteit voor een secundaire situatie te verbeteren dan voor een primaire. Dit is afhankelijk van de faalgraad van de component en de faalkans van de relais. Oeze bepalen in de teller van de breuk in de definitie van betrouwbaarheid de weegfactor voor een foutsituatie (prim. of sec.) op een bepaalde component. Stel bijvoorbeeld een component a meteen relatieve faalgraad van 1 en een component b met een relatieve faalgraad van 1110. Component a wordt primair weI maar secundair niet selectief genoeg beveiligd om de fabriek in bedrijf te houden. Bij component b wordt ook primair niet selectief genoeg beveiligd. Is de faalkans van de relais 20 % dan is de weegfactor voor een secundaire foutsituatie op component a gelijk aan 0,2. De weegfactor voor eenprimaire foutsituatie op component b is dan gelijk aan 0,1. Het heeft het dan meer zin te proberen component a secundair dan component b primair op een selectievere manier te beveiligen zodat de fabriek bij een kortsluiting op die component in bedrijf blijft. Kosten Kosten zijn eenvoudig te quantificeren. Ze kunnen uitgedrukt worden in guldens. Indien voor slechts ren elektriciteitsnet een aantal beveiligingsconcepten bekeken wordt, kunnen de kosten van het elektriciteitsnet achterwege blijven. Deze kosten zijn dan immers voor ieder concept hetzelfde. Omdat onderhoud verwaarloosd is, zijn de hier van belang zijnde kosten de investeringskosten van de beveiliging en de onderbrekingskosten van de fabriek. De investeringskosten van de beveiliging bestaan uit de kosten van meettransformatoren, sensoren, relais en communicatie. De kosten van meettransformatoren en sensoren
- 28 -
zijn verwaarloosd. De kosten van relais zijn fabrikant van beveiligingsrelais. De gegeven De werkelijke prijs is afhankelijk van de vergelijking van belang zijnde relais (zie R8) overstroomrelais: richtinggevoelig overstroomrelais: onderspanningsrelais: differentiaalrelais: distantierelais:
afkomstig van een niet met name genoemde prijzen zijn richtprijzen voor analoge relais. uitvoering van dat relais. Voor de voor zijn de volgende prijzen te geven: /2600,-/3200,-/1300,-/3500,-/32000,--
Kosten voor het aanbrengen van de beveiliging zijn hier niet meegenomen. De kosten van een communicatieverbinding kunnen geschat worden op /20,--/meter. Voor de beveiliging van een kilometer kabel met een differentiaalrelais heeft men dus naast de kosten van twee relais ook nog /20.000,-- nodig voor de communicatie. Vermogensschakelaars worden beschouwd als horende bij het elektriciteitsnet en dus horen hun kosten dan ook hierbij. Ret eventueel besparen van vermogensschakelaars door de werking van de beveiliging wordt hier niet meegenomen. De investeringskosten kj kunnen berekend worden door de kosten van de hele beveiliging te sommeren. Wordt een investeringstermijn van t jaar aangenomen, dan zijn de totaie investeringskosten per jaar: (5.7)
De onderbrekingskosten van de fabriek kunnen berekend worden met behulp van het betrouwbaarheidsgetal B. Er is al vermeld dat het betrouwbaarheidsgetal B betekent de kans dat de fabriek in bedrijf blijft indien op een willekeurige plaats in het proefnet een driefase-aardsluiting optreedt. Ret totaal aantal uitvallen van de fabriek per jaar kan worden verkregen door het verwachte aantal kortsluitingen per jaar te vermenigvuldigen met I-B. Ret totaal aantal kortsluitingen per jaar is de faalgraad An van het hele proefnet. Deze faalgraad kan verkregen worden door de faalgraden van aIle componenten te sommeren, dus: (5.8)
Hierbij is aangenomen dat de faalgraden aIleen opgebouwd zijn uit driefase-aardsluitingen en dus niet uit eenfase-aardsluitingen. Indien de onderbrekingskosten per onderbreking leo bekend zijn, kunnen de totale onderbrekingskosten per jaar kaj berekend worden:
- 29 -
(5.9)
De totale kosten per jaar zijn de investeringskosten per jaar samen met de onderbrekingskosten per jaar: (5.10)
Snelheid Voor industriele netten is het niet alleen van belang dat er selectief afgeschakeld wordt. Belangrijk is ook dat er snel afgeschakeld wordt. Ten eerste is dit natuurlijk altijd nodig vanwege het beperken van mogelijke schade. Echter in een industrieel net is er voor de continuHeit een bijkomende handicap. Indien de motoren van de fabrieken te ver zijn teruggelopen in toerental, zuHen ze indien de spanning terugkeert een voor het net te grote stroom vragen. De motoren worden dan van het net geschakeld. Voor de continuiteit en dus de selectiviteit is het van belang dat de beveiliging zijn selectieve werk verricht voordat de motorbeveiliging de motor loskoppelt van het net. Bij DSM is een spanning-tijd-grafiek gedefinieerd de zogenaamde Spijkerscurve (Fig 5.2). t=O is hier het moment van kortsluiting. De curve is een aangepaste gemiddelde reactie van de spanning op de klemmen van de motoren bij driefase-fouten op verschillende plaatsen. De spanning aan de klemmen van de motoren moet altijd boven de spanning in de curve blijven. Indien de spanning aan de klemmen van de motoren aan het Spijkerscriterium voldoen, garandeert het elektriciteitsnet met een kans van 95% dat de voeding aan de fabriek gecontinueerd zal worden. Is dit niet het geval dan zuHen de motoren door de beveiliging van het net geschakeld worden. Un 100%
80%
60%
40%
20%
0% "--------"'"------Os O,5s
Fig 5.2: Spijkerscurve
2,5s
tijd
60s
- 30 -
In de definities voor betrouwbaarheid en selectiviteit ((5.1) en (5.3) tim (5.6) kan de Spijkerscurve opgenomen worden. De betekenis afschakeling van de fabriek moet hiervoor aangepast worden. De fabriek werd eerst aangenomen afgeschakeld te worden indien geen verbinding tussen openbare net en fabriek meer aanwezig was. De fabriek wordt nu afgeschakeld indien de spanning van de rail waarop de fabriek aangesloten is niet boven de Spijkerscurve kan blijven. Natuurlijk is hiervoor noodzakelijk dat er een verbinding . tussen openbare net en fabriek aanwezig is. Het Spijkerscriterium betekent een zwaardere eis aan de beveiliging. Voor alle componenten in het net moet in geval van kortsluiting nagegaan worden of de spanning van de rail waarop de fabriek aangesloten is boven de Spijkerscurve kan blijven. Het meenemen van deze Spijkerscurve zal voor de meeste gevallen betekenen dat het betrouwbaarheidsgetal B omlaag gaat. Er zullen immers gevallen zijn, waarbij de beveiliging selectief genoeg zal reageren om de fabriek in bedrijf te houden, maar niet snel genoeg, zodat alsnog afgeschakeld zal worden. De Spijkerscurve is afhankelijk van de werking van de conventionele beveiliging van het DSM-net. Derhalve is het niet helemaal terecht voor andere beveiligingen deze curve te nemen. Het zou beter zijn voor ieder beveiligingsconcept een nieuwe curve te maken en de curves van verschillende beveiligingen met elkaar te vergelijken. Bovenstaande is vooral van belang voor het continueren van de elektriciteitsvoorziening. Zoals al vermeld is het beperken van de schade een ander belangrijk doel van de beveiliging. Hierbij is vooral de tijd waarin afgeschakeld wordt van belang. Met het criterium snelheid wordt dus de snelheid van reageren bedoeld. Tienden van seconden kunnen al veel verschil betekenen voor de schade aan de componenten. Identiek aan de afleiding van B en S (form. (5.6» kan deze gemaakt worden voor een gemiddelde reactietijd. Voor iedere component kan in geval van een kortsluiting gekeken worden hoe snel de beveiliging het openbare net van de kortsluiting isoleert. Het gaat er in dit geval niet om of hierna de fabriek nog gevoed kunnen worden, want het betreft hier slechts het beperken van de schade aan de componenten. De uitdrukking voor de reactietijd is dan: n
LAtp T
=
n
x
fp
x
(l - Pr ) +
I
LA,. I
x
Is
x Pr (5.11)
n
LA
r
x
F
I
De grootheid t staat hier voor de tijd nodig voor het wegschakelen van de kortsluiting. Er dient opgemerkt te worden dat Alp en A,s hier in alle gevallen dus voor alle componenten meegenomen moet worden. Het aIleen meenemen in geval van (onterechte) afschakeling van de fabriek werd in andere formules immers aangegeven door de indices a en o. Alle faalgraden moeten afzonderlijk meegenomen worden, omdat zo het belang van het snel afschakelen voor bepaalde componenten in de formule betrokken wordt. Ben component met een hoge faalgraad moet liefst zo snel mogelijk afgeschakeld worden. Gebeurt dit niet, dan zal het relatief vaak voorkomen dat deze component schade ondervindt. Hoe kleiner het getal T des te sneller wordt er door de beveiliging gereageerd en hoe meer de schade aan componenten beperkt kan worden. Dit getal zou ook bij de uiteindelijke beoordeling meegenomen kunnen worden. De vraag rijst hoe dit getal omgezet kan
- 31 -
worden in kosten. Bovendien kan men zich afvragen welke weegfactoren men toekent aan de twee doelen van beveiliging: beperken van de schade en zorgdragen voor de continuiteit.
Communicatie Hierbij gaat het om relais die voor hun werking gebruik maken van een communicatieverbinding zoals bijvoorbeeld een differentiaalrelais. Er kan ook gedacht worden aan combinaties van verschillende relais die samen een zone beveiligen en daarbij dan een communicatieverbinding nodig hebben. Dit criterium is duidelijk onder te brengen bij twee andere criteria namelijk betrouwbaarheid en kosten. Wat betrouwbaarheid betreft kan opgemerkt worden dat het van belang is de faalgraad van een fysiek aanwezige communicatieverbinding te kennen. Deze faalgraad moet meegenomen worden met die van het relais om de faalgraad van relais + communicatieverbinding te bepalen. Verder kan de betrouwbaarheid dan bepaald worden op dezelfde manier als vermeld in de paragraaf betrouwbaarheid. De kosten van een communicatieverbinding zijn al besproken in de paragraaf kosten.
- 32 -
H6: Het DSM-Proefnet Het DSM-150kV-net te Geleen bestaat uit vier stations die onderling gekoppeld zijn. Het net wordt via twee verbindingen door het PLEM-net gevoed. Dit zorgt voor zo'n 50% tot 70% van de voeding van de belasting. De rest van het benodigde vermogen is afkomstig van eigen opwekking met behulp van een kolengestookte condensatie-eenheid (70MW) en enkele warmte-kracht-installaties. De belasting varH~ert tussen 210MW en 235MW en bestaat voor 98% uit motoren. Om de omvang verder duidelijk te maken kan genoemd worden dat er ongeveer 40 fabrieken op het terrein te vinden zijn en zo'n 120 middenspanningsinstallaties. Spanningsdips zijn in e1ektriciteitsnetten niet te vermijden. Deze worden zowel door de openbare elektriciteitsvoorziening als de gebruikers veroorzaakt. Deze dips kunnen in industriele netten weI als gevolg hebben dat een fabrieksinstallatie ongewenst afgeschakeld wordt. Vanwege de hoge kosten van onderbrekingen voor chemische fabrieken worden hoge eisen gesteld aan de continu'iteit van de elektriciteitsvoorziening. DSM wil voor het uitgebreide net te Geleen de netten en fabrieken zo maken dat deze bestand zijn tegen kortdurende spanningsdips. Dit noemt men het spanningsvast maken van de fabrieken. Indien in het verIeden een fabriek onterecht afgeschakeld werd, werd de oorzaak hiervoor opgezocht en de situatie verbeterd. De oorzaken, zoals bijvoorbeeld het niet goed functioneren van beveiligingsrelais, bleken vaak vrij eenvoudig op te lossen. Bij DSM zijn een aantal jaren terug twee kortsluitingen opgetreden die snel afgeschakeld werden, maar waarbij een groot aantal fabrieken onterecht werd afgeschakeld. De totale kosten van deze twee kortsluitingen bedroegen /4.000.000,--. Dit is de aanleiding geweest voor DSM om de betrouwbaarheid van het hele net eens nader onder de loep te nemen. In hoofdstuk twee is genoemd dat er een proefnet wordt gekozen waarvoor een aantal beveiligingsconcepten ontworpen zullen worden. Op het gebied van betrouwbaarheid van industriele netten werkt de vakgroep Elektrische Energiesystemen samen met de utility Elektrotechniek van het DSM-concern te Geleen. Uit het uitgebreide industriele DSM-net is een gedeelte genomen dat karakteristiek is voor het gehele DSM-net. Dergelijke netten zijn binnen deze vakgroep al meer gebruikt namelijk voor betrouwbaarheidsanalyses van netten. Het gekozen proefnet is ook weer een DSM-net. Ret is te vinden in Fig 6.1. Het eerste wat bij dit net opvalt, is dat voeding en belasting verbonden zijn via twee verbindingen. Dit geldt zowel voor de verbinding van 150kV- naar 30kV-rail als van 30kV- naar lOkV-rail. Iedere verbinding bestaat uit twee kabels en een transformator. Hier wordt een herkenbaar punt geraakt van de distributienetten van DSM. Al deze netten zijn zo gedimensioneerd dat n + I verbindingen aanwezig zijn, waar n verbindingen toereikend zouden zijn. Indien uitval van een verbinding optreedt, kunnen de overige verbindingen het gehele benodigde elektrische vermogen overbrengen. Dit wordt de enkelvoudige reserve genoemd. Voor het proefnet geldt dus ook dat over een verbinding het gehele vermogen getransporteerd kan worden. De enkelvoudige reserve stelt hoge eisen aan de beveiliging, want er moet selectief omgeschakeld kunnen worden. De enkelvoudige reserve brengt ook hoge investeringskosten met zich mee. Bij het opnieuw beschouwen van de betrouwbaarheid van het DSM-net is een studie verricht naar het economisch nut van de enkelvoudige reserve [23]. Storingen en onderhoud veroorzaken bij afwezigheid van een enkelvoudige reserve kosten zoals productieverlies en startkosten. Voor iedere fabriek is zo de waarde van de niet geleverde energie per jaar in guldens uitgedrukt. Tevens zijn de investeringskosten van de enkelvoudige reserve in
- 33 -
150kV
70MVA
30kV
20MVA
25MVA
§ I
M 12MW
4,6MW
Fig 6.1: Het DSM-proefnet
25MVA
- 34 -
2
1
3
5
6
8
7
9
10
11
12
13
~4
~5 I
I
I I
17 16
19
I
18
! 1
22
20 1
@
M
®
! 23
24
I I
I
I
I
i
~§
Fig 6.2: Plaatsnummering van het proefnet
I
- 35 -
guldens per jaar uitgedrukt. Uit vergelijking hiervan is naar voren gekomen dat de enkelvoudigereserve een investering is die zichzelf terugverdient. Beide 30kV-rails zijn verbonden met andere fabrieken. In het proefnet is alleen de belasting hiervan vermeld, omdat dit van belang is voor de stroomverdeling in het net. Hoe deze fabrieken opgebouwd zijn, zal verder buiten beschouwing gelaten worden. De motoren van het DSM-net bevatten hoog- en laagspanningsmotoren. In het proefnet zijn deze op afzonderlijke rails aangesloten. Op de linker-lOkV-rail zijn de hoogspanningsmotoren aangesloten; Op de rechter- de laagspanningsmotoren via transformatoren. Uitzondering is de 3,5MW synchrone motor die via een ac/dc-omzettingsregelsysteem aan de rechter-lOkV-rail verbonden is. Overigens zijn al deze motoren nodig voor een proces en vormen ze samen een fabriek. Een fout in een motor of op een van beide lOkV-rails betekent dat de beveiliging de hele fabriek zal uitschakelen. Hoog- en laagspanningsmotoren hebben een verschillend besturingssysteem. In geval van een spanningsdip zullen de hoogspanningsmotoren aan het net gekoppeld blijven. De laagspanningsmotoren worden van het net gescheiden indien de spanning lager wordt dan 70% van de nominale spanning. Zodra de spanning weer boven deze waarde komt, worden ze weer ingeschakeld. Ais na een spanningsdip de spanning terugkeert, vragen de motoren een grotere stroom dan de nominale stroom om opnieuw aan te lopen; Het toerental van de rotor moet weer terug naar zijn oude waarde. Dit bemoeilijkt het terugkeren van de spanning. Voor de hoogspanningsmotoren geldt dit meteen na de dip. Voor de laagspanningsmotoren is dit pas geldig indien de spanning teruggekeerd is tot 70% van de nominale spanning. Het gekozen besturingssysteem van de motoren zorgt ervoor dat de motoren weer starten als de spanning terugkeert. Bij langdurige spanningsval kan dit ongewenst zijn. In de tussentijd kunnen er mensen bij de motoren gekomen zijn of zijn de procesomstandigheden (vooral in chemische installaties) veranderd. Alle verdelers zijn aan de afgaande zijde dan ook uitgerust met een nulspanningsrelais. Indien de spanning gedurende Is onder 70% van de nominale spanning blijft, worden alle motoren definitief van het net gescheiden en moet geheel opnieuw opgestart worden. De tijd van Is is gekozen omdat men ervan uitging dat in die tijd aIle beveiligingen de fouten weI weggeschakeld zouden hebben. Bovendien zijn alle motoren dan zo ver in toerental gedaald dat weer aanlopen niet meer mogelijk is, omdat dit het net te veel stroom vraagt. De nulspanningsrelais bleken een van de oorzaken te zijn van onterechte uitschakelingen. Deze hadden een slechte terugvalverhouding. Ze spraken weI aan bij terugkomst van de spanning op 70%, maar reageerden pas op 80% of 90%. Dit effect samen met het vertraagd terugkeren van de spanning door de motoren zorgde ervoor dat vaak de nulspanningsrelais aanspraken, terwijl de kortsluiting toch in 0,2s door een differentiaalrelais afgeschakeld was. Op dit moment wordt nog onderzocht wat een goede instelling van de nulspanningsrelais zou moeten zijn. Om een duidelijke plaatsaanduiding voor het proefnet te maken zijn de belangrijke plaatsen in het net genummerd (Fig 6.2). Indien in het vervolg een verbinding aangeduid is met a-b wordt de rechtstreekse verbinding van plaats a naar plaats b genoemd. Op iedere plaats bevindt zich een vermogensschakelaar. Dit zijn de plaatsen waar de beveiligingsrelais aanwezig zijn. Het relais kan dan samenwerken met de daar aanwezige schakelaar. AIle schakelaars worden verondersteld dicht te zijn. Voor de schakelaar op plaats 17 is dit dubieus. Het blijkt afhankelijk te zijn van de betreffende fabriek of deze schakelaar open is of niet. In dit werk is aangenomen dat deze ook dicht is. Dit brengt ons bij de conventionele beveiliging van DSM. De beveiliging waar hier
- 36 -
naar gekeken is, geldt die tegen driefase-aardsluitingen vanaf de 150kV-rail tot en met beide lOkV-rails. De verbindingen 1-7, 2-9, 11-18 en 12-20 zijn al1emaal voorzien van een snelle differentiaalbeveiliging. Dit is de primaire beveiliging van de verbindingen. Verder zijn aan begin en eind van alle verbindingen overstroomtijdrelais aanwezig. Deze dienen als primaire beveiliging voor de lOkV- (18 en 20) en 30kV-rails (7 en 9); Echter ook als reservebeveiliging voor de differentiaalrelais (11 voor 11-18, 12 voor 12-20, 1 voor 1-7 en 2 voor 2-9). De aanspreektijden van de overstroomtijdrelais worden hoger naarmate men hoger in het net komt. De overstroomtijdrelais die in het net dichter bij de 150kV-stations geplaatst zijn, zijn dan ook reservebeveiliging voor die relais onder in het net. De tijden van de overstroomtijdrelais op de plaatsen 11,12,18 en 20 zijn allemaal hetzelfde namelijk 0,85s. Ze spreken dus duidelijk aan na het falen van de differentiaalrelais. Zo zijn er bij een kortsluiting op een lOkV-rail voor iedere 30kV/lOkV-verbinding twee relais die in dezelfde tijd reageren. Voor verbinding 11-18 zijn dit de overstroomtijdrelais 11 en 18. Faalt het relais op 11 dan zal dat op 18 in dezelfde tijd afschakelen. De relais op de plaatsen 7 en 9 zijn ingesteld op 1,6s. Er is aangenomen dat de tijden van de relais op de plaatsen 1 en 2 ten opzicht hiervan gestaffeld zijn. Voor deze tijden is dan 2,5s genomen. De tijdstappen tussen de aanspreektijden van de overstroomtijdrelais zijn vrij groot. De oorzaak hiervoor is dat dit proefnet en de bijbehorende beveiliging een uit zijn verband gelicht net is. Er zijn een aantal verdelers met bijbehorende relais weggelaten. DSM had in het verIeden nog meer verdelers en langere tijdstappen tussen de aanspreektijden. Er is veel last geweest met de lange afschakeltijden boven in het net (tot 7s). Indien deze relais aan moesten spreken, was al veel schade aangericht voor er afgeschakeld werd. Ret aantal verdelers is nu gereduceerd. Bovendien wordt er geprobeerd de aanspreektijden zo dicht mogelijk op elkaar te staffelen. Nu wordt gewerkt met tijdstappen van 0,5s en men is bezig deze terug te brengen tot 0,3s. In hoofdstuk 8 zullen de aanspreektijden van de overstroomtijdrelais zo aangepast worden dat er tijdstappen van 0,5s zijn. . Er is al vermeld dat de overstroomtijdrelais op 7 en 9 de 30kV-railbeveiliging vormen. In feite werken deze relais samen met het drukdoossysteem op plaats 8. In geval van een kortsluiting wordt de druk van de boogsluiting gedetecteerd door de drukopnemers. Indien in dat geval ook het overstroomtijdrelais aan de invoedende kant van de rail aanspreekt, zal de bijbehorende schakelaar geopend worden. Er is ook nog een overstroomtijdrelais aanwezig op plaats 8 dat momentaan aanspreekt op een te hoge stroom. Onduidelijk is of dit relais weI of niet v66r het drukdoossysteem met de twee overstroomtijdrelais (7 en 9) reageert. Ret momentaan aanspreken van het overstroomtijdrelais op plaats 8 heeft geen invloed op de selectiviteit. Om dit te verklaren wordt een kortsluiting aangenomen op de linker30kV-raii. Indien het overstroomtijdrelais op plaats 8 later reageert dan het drukdoossysteem, zullen de schakelaars 7 en 9 geopend worden en worden de motoren niet meer gevoed. Opent de schakelaar op 8 eerder, dan zal de stroom afkomstig van 2 verder lopen via 12,20,18 en 11 naar de plaats van kortsluiting. Uit berekeningen voIgt dat deze stroom dan nog steeds hoger is dan de aanspreekdrempel van het relais op 9. Dit betekent dat ook dan de schakelaars 7 en 9 zullen openen . Er dient vermeld te worden dat op plaats 19 geen overstroomtijdrelais aanwezig is. Ret heeft voor dit proefnet ook geen zin hier zo'n relais te plaatsen. Bij een fout op een van de beide lOkV-rails moet de fabriek toch afgeschakeld worden. Bij een kortsluiting op een van de verbindingen 16-18 of 17-20 is het voor de continuYteit en dus voor de selectiviteit van belang dat schakelaar 19 niet geopend wordt. Bij een kortsluiting op 16-
- 37 -
18 zou de differentiaalbeveiliging 11 en 18 openen. Indien ook 19 nog zou openen, kan de linker-lOkV-rail niet meer gevoed worden. De overige beveiliging betreft de beveiliging van de belasting aan de 1OkV-rails. Deze beveiliging bestaat uit overstroomtijd-, aardstroom- en onderspanningstijd-(nulspannings)relais. In hoofdstuk vijf is al genoemd dat de beveiliging van de motoren in dit werk buiten beschouwing is gelaten. De hele motorbelasting wordt gezien als een fabriek die gevoed moet worden. De hele beveiliging met instellingen is gegeven in Tab. 6.1. Tab 6.1: Tabel met de conventionele instelling van de relais voor het proefnet plaats
relais
tijd [s]
grootheid 453A (7,9)
1-7,2-9
differentiaal
0,2
7,9
overstroomtijd
1,6
2500A
8
overstroomtijd
mom.
4500A
8
overstroomtijd
5,0
1500A
differen tiaal
0,2
11,12
overstroomtijd
0,85
1200A
18,20
overstroomtijd
0,85
3600A
21,22
onderspanningstijd
1,0
7000V
11-18,12-20
160A (l0,11)
21
overstroomtijd
0,050
5000A
21
overstroomtijd
10,0
714A
21
aardstroomtijd
mom.
50A
22
overstroomtijd
0,050
1925A
22
overstroomtijd
5,0
275A
22
aardstroomtijd
mom.
20A
23
overstroomtijd
0,050
2750A
23
overstroo mtijd
0,5
23
aardstroomtijd
0,050
24,25
overstroomtijd
0,2
24,25
aardstroomtijd
0,050
26
overstroomtij d
0,2
26
aardstroomtijd
0,050
550A 30A 375A 20A 200A 20
- 38 -
H7 Netberekeningen Bij ieder concept moet bekeken worden of voor een gebruikt relais op een bepaalde plaats zo'n instelling gevonden kan worden dat er een onderscheid gemaakt kan worden tussen een gewone situatie en een kortsluiting. Veel relais reageren op de hoogte van stroom of spanning. Ret is dan ook van belang v66r het ontwerp van de beveiliging van een net inzicht te hebben in de grootte van de stromen en spanningen in dat net voor verschillende situaties. Een loadflowberekening geeft de normale belastingstromen en spanningen van een net. Verder zuBen nog kortsluitstroomberekeningen uitgevoerd worden die de stromen en spanningen geven in geval van kortsluitingen op verschillende plaatsen. Zoals al vermeld worden de kortsluitingen beperkt tot driefase-kortsluitingen. Beide berekeningen beginnen met het opstellen van een impedantienetwerk. Voor iedere component moet vastgesteld worden welke impedantie deze vormt in het net. Voor kabeis moet bepaald worden welke weerstand en inductiviteit deze hebben. De weerstand van een kabel kan bepaald worden met de volgende formule: (7.1)
soortelijke weerstand van de geleider 1: Iengte van de kabel A: doorsnede van de geleider Deze drie gegevens zijn van aBe kabels in het proefnet bekend (Tab 7.1) en dus kan de weerstand berekend worden. De inductiviteit L is voor iedere kabel gelijk genomen aan 0,I7mR/km. Deze waarde is overgenomen uit eerdere betrouwbaarheidsanalyses van DSM-netten. Dit is een aannemelijke waarde gezien de doorsnede van de kabels. Met de lengte van de kabels kan de inductiviteit bepaald worden. Er moet nog weI vermenigvuIdigd worden met w. Er is rekening gehouden met het feit dat het hier driefase-kabels betreft. Dit betekent dat er drie weerstanden en drie inductiviteiten parallel staan en dat de impedantie in het net gevormd wordt door de vervangingsweerstand en -inductiviteit hiervan. met
p:
Tab 7.1: Kabelgegevens van het proefnet kabelnr.
lengte [m]
doorsnede [mm 2]
aantal
materiaal
5-7, 6-9
20
300
9xI
Cu
11-14, 12-15
4650 450
500 500
3xI 3x1
Al Cu
16-18, 17-20
460
400
6x1
Cu
21
450
240
6x1
Cu
22
450
240
3xI
Cu
- 39 -
De impedantie die een transformator vormt in het net kan berekend worden met de volgende formule:
(7.2)
relatieve kortsluitspanning U: gekoppelde spanning aan primaire zijde P: totale vermogen van de trafo Deze impedantie is vrijwel geheel inductief. De weerstand is voor alle transformatoren geheel verwaarloosd. Voor de 70MVA-transformatoren is een ek van 16% aangenomen. Voor de overige transformatoren is een ek van 4% gesteld. Gezien het vermogen kan dit voor de 25MVA-transformatoren te weinig zijn. De impedantie van de rails is gelijk aan nul gesteld, wat heel acceptabel is. De impedantie van de belastingen is berekend met behulp van: met
Gt:
(7.3)
Voor de hoogspanningsmotoren is aangenomen dat deze een coset> gelijk aan 1 hebben. Voor de overige belastingen is een coset> van 0,8 gesteld. De impedantie van de belastingen wordt aan een kant verbonden met de component waar de belasting in het net ook mee verbonden is en aan de andere kant met aarde. De 150kV-rail van het proefnet wordt gevoed door het PLEM-net. Er zou een spanningsbron van 150kV tussen de 150kV-rail en aarde geplaatst kunnen worden. Deze bron aIleen geeft echter niet aan hoe sterk deze is, oftewel er wordt geen rekening gehouden met de sterkte van het openbare net. Dit wordt weI gedaan door het invoedend kortsluitvermogen om te zetten in een impedantie op dezelfde manier zoals ook bij de motoren gebeurd is. Deze impedantie wordt tussen de 150kV-bron en de 150kV-rail geplaatst. Ais laatste moeten alle impedanties nog omgerekend worden naar een spanning. In principe maakt het niet uit naar welke spanning er omgezet wordt. Hier is (vanwege de 150kV-bron) omgezet naar 150kV. Het impedantienetwerk met bijbehorende waarden ziet er dan uit als in Fig 7.1. Hierin is de impedantie van de kabels tussen 150kV/30kVtransformatoren en de 30kV-rails verwaarloosd. In feite is het heel onterecht een motor slechts voor te stellen door een constante impedantie. Het dynamisch gedrag van de motor is veel complexer, zodat de impedantie op zijn minst niet constant genoemd kan worden. In geval van een kortsluiting levert de motor in eerste instantie even (enkele tientallen milliseconden) stroom terug aan het net. Dit is afhankelijk van de motor in kwestie. Daarna zal de motor door een veel lagere stroom dan de nominale gevoed worden. De motoren vormen een hoge impedantie in het net. Bij een kortsluiting hebben deze grote impedanties niet veel invloed op de stroomverdeling van het net; De motoren hebben dan ook niet veel invloed op de stationaire driefase-kortsluitstroom bij een kortsluiting elders in het net. Dit rechtvaardigt het nemen
- 40 -
150kV
4,5+j0,45
j51 ,75
j51,75
7,2
7,2 +
+
900 + j675
j6,75
j6,75
j36
j36 720 + j540 2,25 + j5,63
2,25 + j5,63
20574
10285 j180
+
+
+
j8073
j8073
j16151
Fig 7.1: Impedantienetwerk van het proefnet op basis van 150kY
- 41 -
van een constante impedantie voor de motoren. De loadflowberekening moet nu uitgaande van het impedantienetwerk van Fig 7.1 de stromen en spanningen in het net opleveren. Het verschil in loadflowberekeningen zit vaak in de gebruikte berekeningsmethode. Bij de hier gevolgde methode wordt voor iedere component waardoor we de stroom willen weten de wet van Ohm opgesteld. Ook wordt voor ieder knooppunt waarop we de spanning willen weten de Kirchhofstroomvergelijking opgesteld. We nemen aan dat er m stromen en n spanningen dus x=m+n onbekenden te bepalen zijn. Er zijn echter x vergelijkingen met x onbekenden, dus het probleem is oplosbaar. De hele set vergelijkingen kan in matrixvorm geschreven worden:
=
axx
(7.4)
Yx
Het probleem is nu het oplossen van dit stelsel lineaire vergelijkingen. Dit kan heel eenvoudig gedaan worden door gebruik te maken van het wiskundig computerprogramma Matlab. Allereerst moeten matrix A en vector B ingevoerd worden. Hierna zijn de oplossingen voor de stromen en spanningen eenvoudig te bepalen. De oplossingen zijn complexe getallen. Steeds is de absolute waarde hiervan genomen om de uiteindelijke uitkomst te verkrijgen. Bovendien moeten de stromen en spanningen nog naar hun eigen spanningsniveau teruggerekend worden. De zo gevonden oplossing van de loadflow is te vinden in Bijlage A. Ia-b betekent de stroom door de verbinding tussen de plaatsen a en b. Va is de spanning op plaats a. Er zijn drie verschillende loadf1owberekeningen 11 tim 13 uitgevoerd voor het proefnet. Het betreft hier drie verschillende situaties van standen van de schakelaars in het net. De drie situaties zijn verklaard in Bijlage A. Er is vooraf gekeken welke stromen en spanningen interessant zijn. De impedantie van de kabels is in eerste instantie verwaarloosbaar t.o. v. die van de transformatoren. De spanning over de kabels is laag. In het impedantienetwerk is voor de 150kV/30kV- en voor de 30kV/lOkV-verbindingen de impedantie van de kabels opgeteld bij die van de transformator. Bij de berekening wordt de stroom door de hele verbinding meteen uitgerekend. Op deze manier worden alleen de spanningen op de rails uitgerekend. Omdat de spanning over de kabels verwaarloosd wordt kan de spanning aan een kant van de transformator ongeveer gelijk gesteld worden aan de spanning op de rail die aan die kant met de transformator verbonden is. Dit alles betekent een reductie in het aantal onbekenden en dus een kleinere matrix A. De impedanties van iedere afzonderlijke afgaande lijn van de lOkV-rails zijn ook steeds omgerekend naar een impedantie. Vermeld is al dat de beveiliging van dit deel buiten beschouwing is gelaten. In principe zou de belasting van beide lOkV-rails elk omgerekend kunnen worden naar slecht een impedantie. Omdat echter de beveiliging van deze belastingen tegen driefase-aardfouten in de toekomst ook bekeken zal moeten worden is dit niet gedaan. De matrix die zo ontstaat heeft een grootte van 16x16. Bij de kortsluitstroomberekeningen wordt in het impedantienetwerk de plaats van kortsluiting aan aarde gelegd. De stroom- en spanningsverdeling wordt verder op dezelfde manier uitgerekend als bij de loadflow. De resultaten zijn te vinden in Bijlage A. kss staat
- 42 -
hier voor de totale kortsluitstroom. De kortsluitsituaties zijn aangegeven met k 1 tim k26 • Deze codes zijn in dezelfde bijlage verklaard. Een kortsluiting heeft een hoger nummer naarmate deze lager in het net plaatsvindt. Voor kortsluitingen op gelijke plaatsen geldt dat een situatie met meer geopende schakelaars een hoger nummer heeft. Met dit in het achterhoofd is het waarschijnlijk gemakkelijker een bepaalde kortsluiting terug te vinden. De berekeningen zijn allereerst llitgevoerd voor kortsluitingen op de 150kV-, 30kV- en 10kV-rails voor alle mogelijke combinaties van open en gesloten railschakelaars tussen de 30kV-rails en tussen de lOkV-rails. Er zijn hierbij situaties waarvoor slechts een berekening nodig is. Ais voorbeeld wordt een kortsluiting op een 30kV-rail met een gesloten 30kV-railschakelaar genoemd. Het open of gesloten zijn van de 10kV-railschakelaar heeft vrijwel geen invloed op de uitkomst van de berekening. Immers voor alle afgaande lijnen van de 30kV-rails kan de stroom bij goede benadering dan gelijk aan nul gesteld worden. Dit soort situaties valt dan ook onder een kortsluitsituatie. Het net is vrij symmetrisch te noemen t.o.v. de verticale lijn door het midden van het net. Dit is ook uit de eerste kortsluitstroomberekeningen naar voren gekomen. De beide belastingen aan de linker- en rechter-30kV-rail wijken wat van elkaar af, doch dit is niet erg veel (20MVA en 25MVA). De absolute waarde van de belasting van de linker-lOkVrail is ruwweg twee keer zo groot als die van de rechter-. Zolang de lOkV-railschakelaar echter gesloten is, kllnnen de belastingen van linker- en rechter-rail samen als een belasting gezien worden. Een kortsluiting op de linker-verbinding is dan vrijwel gelijk aan een kortsluiting op dezelfde plaats op de rechterverbinding. Verdere kortsluitstroomberekeningen zijn dan ook alleen uitgevoerd voor de linker-verbinding. Voor de rechterverbinding is vervolgens aangenomen dat de situatie gelijk is aan de gespiegelde versie van de linker-verbinding. Natuurlijk is dit slechts redelijk indien de lOkV-railschakelaar gesloten is. Bij nader inzien bleek de impedantie van de kabels helemaal niet verwaarloosbaar. Met name de impedantie van de kabels tussen 30kV-rails en 30kV/lOkV-transformator hadden een impedantie met een absolute waarde van ongeveer 30% van de genoemde transformator. Er wordt dus een behoorlijke fout gemaakt indien de stroom-spanning-verdeling in het net bij een kortsluiting op de kabel dicht bij de 30kV/lOkV-transformator gelijk gesteld wordt aan die bij een kortsluiting op de 30kV-rails. Dit kan invloed hebben op de instelling van de relais, met name voor de relais die de kabel moeten beveiligen. Derhalve zijn er aanvullende berekeningen uitgevoerd voor kortsluitingen midden op de kabel en dicht bij de transformator. Verder zijn kortsluitstroomberekeningen uitgevoerd voor specifieke situaties die van belang waren voor de instelling van de relais.
- 43 -
H8 Beveiligingsconcepten; Bespreking Het proefnet is opgedeeld in twaalf componenten: 8 kabels en 4 rails. Voor de faalgraden van de kabels is O.005/jr genomen en voor de rails O.0005/jr. De faalgraad van de kabels is dus 10 keer zo hoog dan van de rails. De relatieve faalgraad van de kabels is dus I en die van de rails 1/10 (form. (5.2». De faalgraden van relais blijken in de literatuur nauwelijks terug te vinden te zijn. Bovendien ontstaat de indruk dat het grootste deel van de grote industrieen hier geen gegevens over bijhoudt. Voor het bepalen van het betrouwbaarheidsgetal B en het selectiviteitsgetal S voor dit proefnet worden form. (5.6a) en (5.6b) gebruikt. Voor de faalkans van de relais is 10% genomen. Het aantal terechte afschakelingen in dit proefnet bedraagt twee. Ben kortsluiting op een lOkV-rails betekent altijd dat de fabriek uit bedrijf zal gaan. Bij kortsluitingen op de overige componenten kan de beveiliging in principe selectief genoeg reageren. Afschakeling van de fabriek in deze gevallen wordt als onterecht beschouwd. Met al het voorafgaande kunnen een aantal beveiligingsconcepten voor het proefnet bedacht worden, de instelling van de relais bepaald worden en de concepten onderling vergeleken worden. AIle concepten zullen nu achtereenvolgens besproken worden. Nogmaals wordt vermeld dat het hier gaat om de beveiliging tegen driefase-aardfouten vanaf de 150kVrail tot en met de IOkV-rails. In bijlage B zijn voor ieder concept steeds drie bladzijden terug te vinden. Op bladzijde A is de instelling van de tijden en aanspreekwaarden van de voor het concept gebruikte relais terug te vinden. De relais zijn op volgorde van aanspreektijd gezet. Dit heeft voordelen bij het opstellen van bladzijde B. Hier wordt namelijk voor iedere component gekeken hoe de beveiliging reageert op een driefase-aardsluiting. Het is daarom eenvoudiger dat de informatie op bladzijde A in chronologische volgorde staat. De eerste kolom op bladzijde B geeft de plaats van kortsluiting aan. De tweede kolom vermeldt welke schakelaars openen in geval van bijbehorende kortsluiting en in welke tijd dit gebeurt. Kolom drie geeft aan of de fabriek al dan niet afgeschakeld wordt. Afschakelen wordt aangegeven met een hoofdletter A. Indien er onterecht afgeschakeld wordt, wordt de hoofdletter voorzien van een asterix. Ook is in de derde kolom steeds de relatieve faalgraad aangegeven. Bladzijde B is steeds uitgevoerd voor zowe1 een perfect werkende beveiliging als weI voor het geval dat het eerst aan te spreken relais faalt. Bij het ontwerp van de concepten is allereerst de plaats en instelling van een aantal relais bepaald. Vervolgens is nagegaan hoe deze beveiliging reageert op een manier zoals op bladzijde B. De instelling van een of meerdere relais is vervolgens aangepast indien dit voor kortsluitingen op een of meer componenten voordelig was. Dit is nagegaan op bladzijde B. Door de wisselwerking tussen bladzijde A en B is het uiteindelijke ontwerp van een concept ontstaan. Op deze manier zijn tijdens het ontwerpen ook alternatieve concepten bedacht die iets afwijken. Deze methode geeft inzicht in de samenwerking tussen net en beveiliging. Duidelijk wordt waar in het net met welke relais problemen optreden ten aanzien van de selectiviteit. Deze problemen zullen duidelijk worden tijdens de bespreking van de verschillende concepten. Bladzijde C toont voor iedere kortsluiting het spanningsverloop op de IOkV-rails zowel voor de primaire situatie als de secundaire situatie. Het idee om deze spanning te vergelijken met de Spijkerscurve is pas aan het eind van het werk ontstaan. Er zijn gevallen waarin de beveiliging weI selectief reageert, maar ook te langzaam reageert. Het is mogelijk dat de spanning van de IOkV-rails een korte tijd een waarde hebben die onder de Spijkerscurve
- 44 -
100pt. In dat geval zal de fabriek toch afgeschakeld worden. Dit wordt op bladzijde B in de derde kolom aangegeven met een vetgedrukte hoofdletter A. Op bladzijde C worden voor de kabels 11-14, 12-15, 16-18 en 17-20 soms twee spanningsniveaus gegeven. Ret is afhankelijk van de plaats van kortsluiting op deze kabels wat de spanning op de lOkV-rails zal zijn. De eerste spanningswaarde is de waarde bij een kortsluiting aan de voedende kant van de kabel. De tweede spanningswaarde is die bij kortsluiting aan de belastingszijde van de kabel. Er voIgt nu een qualitatieve bespreking van alle gevonden beveiligingsconcepten. Voor- en nadelen zullen besproken worden. Ret conventionele concept is al besproken in hoofdstuk 6. Dit is beveiligingsconcept 1 (Bijlage B). De reactietijden van de overstroomtijdrelais zijn echter aangepast, omdat dit proefnet een deel is van een heel uitgebreid net en de beveiliging dus afgesteld is op dit grote net en niet op het proefnet. De overstroomtijdrelais zijn ten opziehte van elkaar gestaffeld met een tijd van 0,5s staffeltijden. Dit is de staffeltijd die nu bij DSM gebruikt wordt. Vanwege deze tijd is aangenomen dat de tijd vanaf het aanspreken van het relais tot en met het openen van de schakelaar 0,2s bedraagt. Dit is zonder meer een lange tijd voor het openen van een vermogensschakelaar. De overige tijd van 0,3s is dan de veiligheidsmarge. Verder zijn de aanspreekwaarden van de overstroomtijdrelais op 11,12,18 en 20 verhoogd. Bij een kortsluiting op kabel 11-14 (k13 Bijlage A) was het bij de oude instelling afhankelijk van de plaats van kortsluiting op de kabel of naast het aanspreken van het overstroomtijdrelais op 11 ook de overstroomtijdrelais op 12,18 en 20 al dan niet zouden aanspreken. Dieht bij plaats 11 zouden deze niet aanspreken. Bij plaats 14 zou dit weI gebeuren al is de waarde dan weI vrij kritisch. Hetzelfde geldt voor een kortsluiting op kabel 12-15. Om de beveiliging bij kortsluiting op deze kabels op dezelfde manier te laten reageren, zijn de aanspreekwaarden van de overstroomtijdrelais op II en 12 verhoogd van 1200A naar 1500A en die op 18 en 20 van 3600A naar 4500A. Bij een kortsluiting op een van beide 30kV-rails spreekt het drukdoossysteem aan. De overstroomtijdrelais op 7 en 9 meten dan beide een te hoge stroom. Samen met de hoge druk van de boogontlading betekent dit dat er een aanspreeksignaal aan de vermogensschakelaars op 7 en 9 gegeven wordt. De 30kV-rails wordt dan losgekoppeld van de voeding. In dit geval wordt de fabriek niet meer gevoed. De selectieve werking van de beveiliging en dus de continuHeit van de voeding aan de fabriek in geval van kortsluiting wordt voor dit concept geheel gevormd door de differentiaalrelais. De overstroomtijdrelais dragen hier niet aan bij, doch beperken slechts de schade. De differentiaalrelais reageren snel genoeg om de spanning van de lOkV-rail boven de Spijkerscurve te houden. De motoren kunnen deze spanningsdips dus aan en de fabriek zal niet afgeschakeld worden. Er wordt op gewezen dat bij een secundaire foutsistuatie de fabriek altijd uitvalt. Ret hele conventionele concept kan qua selectiviteit eenvoudig verbeterd worden door voor iedere component te voorzien van twee onafhankelijke differentiaalbeveiligingen. Voor iedere component geldt dat beide differentiaalbeveiligingen elkaars reserve zijn. Faalt een van de differentiaalrelais in geval van kortsluiting, dan reageert de andere die dan de betreffende component van het net schakelt. Voor elk differentiaalrelais is een aparte communicatieverbinding gebruikt. Is het niet-functioneren van een van de communicatieverbindingen de oorzaak van falen van een van de differentiaalbeveiligingen, dan reageert de andere nog. Differentiaalrelais hebben als voordeel dat ze een duidelijk afgebakende zone beschermen. De benodigde communicatieverbinding maakt ze echter weI duur, met name voor lange kabels. De lOkV-rails worden elk beveiligd met een
- 45 -
overstroomtijdrelais (op 18 en 20). Ret heeft voor de selectiviteit geen zin hier een dure differentiaalbeveiliging te gebruiken, omdat bij een fout op een van beide rails de fabriek toch uit bedrijf moet. Op de plaatsen 1 en 2 zijn ook nog overstroomtijdrelais geplaatst als backup voor de overstroomtijdrelais op 18 en 20. Indien bij kortsluiting op een component beide differentiaalrelais falen, schakelen de overstroomtijdrelais op 1 en 2 de kortsluiting van het openbare net. Dit concept zorgt ervoor dat iedere onterechte afschakeling zowel voor een primaire als een secundaire foutsituatie vermeden wordt. Ret concept is echter ruim twee keer zo duur als het conventionele. Beveiligingsconcept drie is vrijwel identiek aan het eerste. Ret enige verschil zit in de raildifferentiaal die op de beide 30kV-rails is toegevoegd. Indien een kortsluiting optreedt op een van beide rails zal deze differentiaalbeveiliging de rail volledig isoleren. Dit gebeurt in dezelfde tijd als de andere differentiaalrelais reageren voor de bescherming van de kabels, dus in 0,2s. De fabriek zal hierdoor gevoed kunnen blijven en ondervindt slechts een korte spanningsdip. Deze spanningsdip voldoet aan het Spijkerscriterium, zodat de fabriek ook hierdoor niet uitvalt. Dit concept verandert niets aan de uitval van de fabriek in geval van secundaire foutsituatie. Ret betrouwbaarheids- en selectiviteitsgetal worden beide iets groter ten opzichte van die van concept 1. Beide raildifferentiaalrelais zorgen ervoor dat in geval van kortsluiting op een 30kV-rail de fabriek niet uitvalt. Omdat beide rails slechts een relatieve faalgraad van 1/10 hebben, verschillen beide getallen slechts weinig van die van concept 1. Ret toevoegen van de raildifferentiaalrelais betekent echter weI een belangrijke investering, want deze vorm van railbeveiliging is zonder meer duur. Vanwege de investeringskosten die verbonden zijn aan de raildifferentiaalbeveiliging is geprobeerd deze selectieve werking met behulp van goedkopere relais te verkrijgen. Allereerst is dit geprobeerd met overstroomtijdrelais (concept 4). Er zijn overstroomtijdrelais aangebracht op de plaatsen 7 en 8. Indien de stroom op beide plaatsen te hoog is, spreken beide relais aan en wordt de linker-30kV-rail geisoleerd. Retzelfde geldt voor de rechter30kV-rail door de werking van de overstroomtijdrdais op de plaatsen 8 en 9 indien de stroom op die plaatsen te hoog is. Op plaats 8 zijn dus twee overstroomtijdrelais aanwezig. Er zijn enige communicatieverbindingen nodig om de relais te laten samenwerken. Aangenomen is dat dit voor iedere rail 100m is. Ret verdere concept is identiek aan het conventionele. De gewenste railbeveiliging wordt zo echter niet verkregen. Bij een kortsluiting op de linker-30kV-rail zullen de samenwerkende overstroomtijdrelais op 7 en 8 aanspreken en de raillosschakelen van het net. Echter de relais van combinatie 8 en 9 zullen ook aanspreken en dus de rechter-rail isoleren. Op deze manier is geen voeding aan de fabriek meer mogelijk. Dit concept schakelt in even veel gevallen de fabriek af als in het conventionele concept. Concept 4 kan verbeterd worden door een richtinggevoeligheid toe te voegen op plaats 8. In plaats van twee overstroomtijdrelais worden nu twee richtinggevoelige overstroomtijdrelais op plaats 8 aangebracht, die elk in een verschillende richting kijken. Ret richtinggevoelig overstroomtijdrelais dat reageert op een te hoge stroom van rechts naar links werkt samen met het overstroomtijdrelais op 7. Indien beide relais aanspreken wordt de linkerrail geisoleerd. Retzelfde geldt voor het richtinggevoelig overstroomtijdrelais dat in de andere richting kijkt en samenwerkt met het overstroomtijdrelais op 9. In het geval dat beide aanspreken wordt de rechterrail geisoleert. Verder is het concept identiek aan het
- 46 -
conventionele. Toepassing van deze manier van railbeveiliging blijkt niet aIleen voordeel te bieden in geval van kortsluiting op een 30kV-rail. Deze samenwerking van overstroomtijdrelais met richtinggevoelige overstroomtijdrelais beschermt ook in geval van een secundaire foutsituatie op de kabels 1-3, 2-4, 5-7 en 6-9 op zo'n manier dat de fabriek ook dan gevoed kan blijven. Dit is dus een goede reserve-beveiliging voor de differentiaalrelais 1-7 en 2-9. Helaas blijft de spanning van de lOkV-rail voor een secundaire kortsluiting op de kabels 1-3 en 2-4 niet boven de Spijkerscurve. De fabriek wordt in deze twee gevallen toch afgeschakeld. De spanning is dan namelijk pas na 1,8s geheel teruggekeerd en de motoren zijn dan te veel vertraagd om opnieuw gezamelijk te kunnen aanlopen. Voor de kabels 5-7, 6-9, 11-14 en 12-15 is hier iets opmerkelijks aan de hand. Er zijn dan twee verschillende beveiligingen die in geval van kortsluiting onafhankelijk in deze1fde tijd een aanspreeksignaal geven. De primaire beveiliging reageert hier net zo sne1 als de secundaire. Dit heeft geen nadelige gevolgen als de secundaire beveiliging even selectief werkt ten aanzien van de continuHeit van de fabriek als de primaire. Omdat beide beveiligingen even snel reageren, is het in dit geval echter weI moeilijk onderscheid te maken naar primair en secundair. Bij de uitwerking op bladzijde B in Bijlage B is steeds aangenomen dat de differentiaalrelais de primaire relais zijn. De kabels 5-7, 6-8, 11-14 en 12-15 blijken, indien de differentiaalbeveiliging faalt, toch een verschillende uitwerking te hebben op de continuHeit van de fabriek. Bij een kortsluiting op 5-7 en falende differentiaal zorgt het overstroomtijdrelais op 7 met het richtinggevoelig overstroomtijdrelais op 8 dat schakelaar 7 geopend wordt. Hierdoor keert de spanning op de lOkV-rails terug naar ruim 9kV. Overstroomtijdrelais 1 zorgt ervoor dat Is later vermogensschakelaar 1 geopend wordt en de kabel losgeschakeld is van het net. Ben soortgelijke situatie doet zich voor bij kortsluiting op 6-9. De fabriek valt op deze manier niet uit. Bij een kortsluiting op 11-14 schakelen het overstroomtijdrelais op 7 met het richtinggevoelig overstroomtijdrelais op 8 ook de kabel aan een kant los (schakelaar 11). Hiema zoekt de stroom zich vanaf de voeding een weg via 12,20 en 18 naar de plaats van kortsluiting. Gewenst zou zijn dat aIleen het overstroomtijdrelais op 18 zou aanspreken. Omdat echter de overstroomtijdrelais op 12 en 20 op dezelfde tijd zijn ingesteld, spreken deze ook aan en gaat de fabriek uit bedrijf. De overstroomtijdrelais worden uit symmetrieoverwegingen op beide verbindingen op dezelfde manier ingesteld. Dit blijkt vaak negatief uit te werken op de continuHeit van de fabriek. Concept 6 is vrijwel identiek aan concept 5. Ook hier werken de overstroomtijdrelais op 7 en 9 samen met twee richtinggevoelige overstroomtijdrelais op 8. Het verschil is gelegen in de vermogensschakelaars die in geval van aanspreken geopend worden. Niet de schakelaars bij de rails maar bij de transformatoren worden geopend. Voor de linker-rail betekent dit dat de schakelaar op 5 en 14 geopend worden in plaats van die op 7 en 11. Niet alleen de rails wordt dan geYsoleerd, maar ook de bijbehorende kabels. Natuurlijk is hiervoor meer communicatie nodig. Deze communicatie maakt de investeringskosten van dit concept bijna twee keer zo duur als die van het conventionele. De gevolgen voor uitval van de fabriek zijn bijna hetzelfde als voor concept 5. Het verschil is gelegen in de secundaire kortsluitingen op de kabels 11-14 en 12-15. Indien bij een kortsluiting op 11-14 de differentiaalbeveiliging faalt, zal het overstroomtijdrelais op 7 met het richtinggevoelig overstroomtijdrelais op 8 ook nog op tijd afschakelen vanwege de andere plaats van de te openen schakelaars. Bij de bespreking van concept 5 is uitgelegd dat bij een fout op kabel 11-14 bij falende
- 47 -
differentiaal na het openen van schakelaar 11 het gewenst was dat aIleen de vermogensschakelaar op 18 zou openen, zonder dat die op 12 en 20 dit ook zouden doen. Concept 7 is bijna gelijk aan concept 5. In plaats van overstroomtijdrelais op 18 en 20 worden echter richtinggevoelige overstroomtijdrelais aangebracht. Deze relais kijken in de richting van de 30kV/lOkV-transformatoren. De overstroomtijdrelais op 11 en 12 worden in tijd gestaffeld ten opzichte van deze relais. De overstroomtijdrelais op 1,2,7 en 9 worden weer ten opzichte daarvan gestaffeld. De overstroomtijdrelais die onafhankelijk werken reageren zo allemaal O,5s later. Dit werkt negatief op het beperken van de schade aan primaire componenten, indien de overstroomtijdrelais hoger in het net moeten aanspreken. In dat geval staat een kortsluiting immers langer in het net. Echter bij een secundaire foutsistuatie op 11-14 of 12-15 leek dit in eerste instantie een prima concept. Bij een fout op 11-14 bij falende differentiaal spreken het overstroomtijdrelais op 7 en het richtinggevoelig overstroomtijdrelais op 8 aan zodat schakelaars 7,8,10 en 11 geopend worden. De kortsluitstrroom gaat verder via 12,20 en 18. In tegenstelling tot concept 5 reageert nu echter alleen het relais op plaats 18 en dus wordt aIleen de verbinding 11-18 gescheiden van het net. Bij een kortsluiting op 16-18 en falende differentiaal reageert allereerst het relais op 18. De kortsluitstroom zoekt daarna zijn weg via 7 en via 9 door 8. Hierop zal de linker-30kVraillosgeschakeld worden en is de kortsluiting uit het net geschakeld. Het lijkt alsof de secundaire foutsituaties op 11-14, 12-15, 16-18 en 17-20 de continuiteit in de weg staan. In al deze gevallen is in 1,4s de spanning op de IOkV-rails teruggekeerd. Toch voldoet in aIle vier gevallen het spanningsverloop niet aan het Spijkerscriterium. Het betrouwbaarheidsgetal van dit concept heeft dan ook een waarde die even hoog is als die van concept 5. Concept 8 heeft als uitgangspunt dat bij een kortsluiting op een 30kV-rail, de getroffen rail zo snel mogelijk gescheiden moet worden van de gezonde rail. Op deze manier keert de spanning al snel gedeeltelijk terug en kan de fabriek misschien gevoed blijven worden. Dit wordt gerealiseerd door een overstroomtijdrelais op plaats 8 dat bij een kortsluiting op een van deze rails in O,4s schakelaar 8 opent. De twee spanningsmeters die op de plaatsen 7 en 9 aanwezig zijn, werken samen en zijn gekoppeld via een communicatieverbinding. O,5s na het aanspreken van het relais op 8 wordt de spanning van beide rails met elkaar vergeleken. Indien er een spanningsverschil bestaat tussen beide rails dat groter of gelijk is aan 8kV, wordt de rail met de laagste spanning gei"soleerd. De aangrenzende vermogensschakelaars worden dan geopend. De benodigde communicatieverbinding is geschat op 200m. De rest van het concept is weer gelijk aan het huidige DSM-concept. De staffeltijden van de overstroomtijdrelais zijn aIleen gestaffeld ten opzichte van de genoemde manier van railbeveiliging. Ondanks het snel openen van schakelaar 8 keert de spanning op de IOkV-rails hierdoor slechts terug tot ruim 3kV. Dit samen met het nog moeten isoleren van een van de rails zorgt ervoor dat niet aan het Spijkers-criterium voldaan wordt. Hetzelfde geldt voor secundaire kortsluitingen op de kabels 1-3, 2-4, 5-7 en 6-9. De selectieve werking van de beveiliging is te traag, zodat de fabriek toch uitvalt. Met deze beveiliging valt de fabriek op dezelfde kortsluitingen uit als bij de conventionele beveiliging. Dezelfde problemen zijn er voor concept 9. Hetzelfde systeem dat bij concept 8 op de 30kV-rails was aangebracht, is bij dit concept ook aangebracht op de IOkV-rails, dus op de plaatsen 18,19 en 20. Dit systeem is niet aangebracht om de IOkV-rails bij kortsluiting hierop te redden. Immers in dat geval moet de fabriek toch uit bedrijf. Dit systeem moet er echter
- 48 -
voor zorgen dat bij falende differentiaalbeveiliging de takken 16-18 en 17-20 in bedrijf b1ijven. De overstroomtijdrelais op 11,12,18 en 20 zijn verwijderd om een se1ectieve werking niet in de weg te staan en omdat beide beveiligingen op de rails hun taak kunnen ovememen. Bovendien zorgen deze systemen op de 30kY- en lOkY-rails dat de beide parallelle verbindingen sne1 van elkaar gescheiden worden en aIleen nog via de 150kY-rail met elkaar verbonden zijn. De bedoeling hiervan is ervoor te zorgen dat er een gezonde voeding over blijft die de fabriek kan blijven voeden. Het systeem op de lOkY-rail wijkt af van dat op de 30kV-rails doordat nu niet de rail ge'iso1eerd wordt, maar slechts schakelaar 18 of 20 opent indien er een spanningsverschil tussen beide rails van 5kY of meer bestaat. Op hetzelfde moment wordt schakelaar 19 dan weer gesloten. Zou schakelaar 19 niet meer sluiten, dan zou bij een kortsluiting op kabel16-18 of 17-20 de fabriek niet meer gevoed kunnen worden. Vindt er echter een kortsluiting plaats op een van beide lOkY-rails, dan wordt door het opnieuw sluiten van 19 de kortsluiting weer terug in het net geschakeld. Daarom bepaalt het overstroomtijdrelais op 19 0,5s na het sluiten wederom of de stroom te hoog is. Is dit het geval, dan wordt 19 geopend en blijft deze geopend. Deze werking van de beveiliging kan gezien worden als een snelle wederinschakeling. Nadeel is dat deze handeling veel tijd kost. Dit geldt algemeen voor dit concept. Het is te complex en heeft hierdoor veel tijd nodig. Bij falende differentiaalbeveiliging worden voor de meeste kabels in het proefnet heel snel beide parallelle verbindingen van elkaar gescheiden door het openen van 8 en 19. De verdere werking is weI selectief, maar duurt te lang om de fabriek te redden. Dit geldt voor secundaire kortsluitingen op 5-7, 6-9, 11-14, 12-15, 16-18 en 17-20. Concept 10 wijkt geheel af van de voorafgaande concepten. De differentiaalrelais zijn verwijderd en er is geprobeerd de kabels met behulp van distantierelais te beveiligen. De impedantie van korte kabels is in het algemeen te laag om een distantierelais op in te stellen. De impedanties van de transformatoren zijn echter hoog genoeg. Bij dit concept zijn acht distantierelais gebruikt, waarvan er vier in de richting van de voeding en vier in de richting van de fabriek kijken. Er zijn nog twee overstroomtijdrelais op 1 en 2 geplaatst als backupbeveiliging. Ben distantierelais wordt ingesteld op een bepaald impedantie-waarde. Allereerst zal nu uitgelegd worden hoe deze instelling bepaald wordt. De bepaling hiervan bestaat uit twee gedeelten: -er moet vastgesteld worden tot hoe ver het distantierelais moet beveiligen. -de instelling moet bepaald worden met behulp van een kortsluitstroomberekening Voor het eerste punt wordt het impedantienetwerk omgezet in een 'kilometemetwerk'. Dit gebeurt op de volgende manier. De impedantie van de kabel van 30kY-rail naar 30kVIlOkVtransformator is genomen als referentie. De absolute waarde van deze impedantie is gedee1d door de lengte van de kabel. Dit geeft een impedantie van 1,9401km. De 30kY/lOkVtransformator wordt nu gemodelleerd door een kabel met een lengte die afuankelijk is van de absolute waarde van de impedantie van de transformator. De lengte van deze kabel is gelijk aan de absolute waarde van de impedantie van de kabel gedeeld door de eerder berekende impedantie per kilometer. De transformator en de bijbehorende gemodelleerde kabel hebben dezelfde impedantie. Dit kan zo voor iedere component gedaan worden. Het kilometemetwerk is te vinden in Fig 8.1. Hierna wordt bepaald tot hoe ver ieder distantierelais moet beschermen. Als voorbeeld wordt het relais op plaats 1 genomen. De eerste trap van het distantierelais op 1 moet beveiligen tot 80% in de 150kV/30kYtransformator. Dit is een lengte van 21,34km. Yoor de eerste volgtrap is gekozen dat deze twee keer zo ver moet kijken dan de eerste trap. In het kilometernetwerk betekent dit dat de
- 49 -
463,9
13628
Fig 8.1: Kilometernetwerk; aIle waarden in kilometers eerste volgtrap 1O,92km in de 30kV /l OkV-transformator kijkt. Indien de eerste volgtrap zo ingesteld wordt, wordt met het kilometernetwerk meteen duidelijk hoe ver het meetgebied van deze trap rijkt voor andere verbindingen. Zo kan bepaald worden tot hoe ver de belasting aan de rail op plaats 10 beschermd wordt. De afstand van distantierelais 1 tot het einde van de eerste volgtrap is 42,68km. Deze afstand vanaf plaats 1 tot in de be1asting aan de 30kVrail op plaats 10 geeft aan hoe ver de eerste volgtrap deze belasing beschermt tegen driefaseaardfouten. Er blijkt dat deze belasting (indien deze gemodelleerd wordt als kabel) dus voor 2,8 % beschermd wordt. Deze belasting is echter een andere fabriek met een eigen beveiliging. Het distantierelais op 7 kijkt in de eerste trap tot 80% in de 30kV/1OkV-transformator en in de eerste volgtrap tot 87,8% in de 30kV/1OkV-transformator vanaf de laagspanningszijde. Het distantierelais op 2 is ingesteld als dat op 1 en het relais op 9 als dat op 7. De distantierelais op 11,12,18 en 20 kijken ook allen tot 80% in bijbehorende transformator. Voor de verklaring van de instelling van het distantierelais wordt weer het distantierelais op 1 als voorbeeld genomen. Voor de plaats tot waar de eerste trap moet kijken, wordt een kortsluiting verondersteld en hiervoor wordt een kortsluitstroomberekening uitgevoerd. De stroom en spanning op plaats I zijn dan van belang. De impedantie waarop het relais ingesteld moet worden, wordt verkregen door deze spanning te delen door de stroom. Een kortsluiting op deze verbinding dichter bij plaats 1 zal op die plaats een lagere spanning en een hogere stroom betekenen en dus een lagere gemeten impedantie. De bij 1 gemeten impedantie is dan lager dan de ingestelde impedantie en dus zal het distantierelais
- 50 -
aanspreken. Op dezelfde manier kan de instelling van de volgtrap en de overige distantierelais bepaald worden. Ook hier is weer aangenomen dat het proefnet als symmetrisch te beschouwen is. De instellingen zijn allemaal bepaald voor de linkerverbindingen en zijn voor de rechterverbindingen gewoon overgenomen. Uit het oogpunt van de continuHeit van de fabriek mag dit een slecht concept genoemd worden. Slechts bij een primaire kortsluiting op de kabels 5-7 en 6-9 kan de fabriek in bedrijf blijven. Voor de overige gevallen betekent een kortsluiting uitval van de fabriek. Qua se1ectiviteit vertonen de distantierelais hetzelfde gedrag als overstroomtijdrelais. Bij kortsluitingen op bepaalde plaatsen reageert zowel een relais op de linker- als op de rechterverbinding zodat de fabriek uitvalt. Op beide kanten zijn de relais op dezelfde waarde ingesteld. Indien het distantierelais verder kijkt dan een verdeler, kijkt het relais zowel op de linker- als op de rechterverbinding. Bij een kortsluiting binnen het te beschermen gebied reageren beide distantierelais en wordt de fabriek dus gescheiden van de voeding. Dit concept blijkt weI het goedkoopst van alle concepten qua investering, ondanks de dure distantierelais. Bij dit concept zijn namelijk geen dure communicatieverbindingen gebruikt. Ben beveiligingsconcept wat hier niet verder uitgewerkt is, is een beveiliging door middel van een centraal computersysteem. Op bepaalde plaatsen in het net wordt continu een bepaalde grootheid gemeten bijvoorbeeld stroom of spanning. Deze informatie wordt via communicatieverbindingen naar een centrale computer gestuurd. De computer bepaalt aan de hand van deze informatie of er een kortsluiting optreedt in het net en zo ja waar deze zich precies bevindt. Daarna worden ook weer via communicatieverbindingen signalen gestuurd naar de vermogensschakelaars die geopend moeten worden. Voordeel van dit alles is dat iedere component op een snelle manier beveiligd wordt. Ben nadeel is de kwetsbaarheid van het systeem. Yalt de centrale computer uit dan is geen beveiliging meer aanwezig. De vraag is dus hoe de reservebeveiliging gerealiseerd moet worden. Er kunnen twee overstroomtijdrelais op de plaatsen 1 en 2 aangebracht worden. Faalt de computer en treedt een kortsluiting op, wordt de fabriek gewoon afgeschakeld. Bij een goedwerkend computersysteem mag de kans dat deze situatie optreedt als klein beschouwd worden. Ret computersysteem kan ook tweevoudig uitgevoerd worden. Valt een systeem uit dan functioneert het andere nog. Ook kan een twee-uit-drie-systeem gekozen worden. In dat geval zijn er drie computers die informatie binnenkrijgen. Interpreteert een computer een signaal anders dan de twee andere computers, dan wordt aangenomen dat de interpretatie van het signaal van de twee computers de juiste is. Er kan ook nagedacht worden of de communicatieverbindingen en meettoestellen meervoudig uitgevoerd moeten worden. Bij een enkele uitvoering kan eventueel met foutcodes vastgesteld worden of de verbinding en/of het meettoestel faalt. Feit is dat dit concept zeer duur zal zijn vanwege de benodigde communicatieverbindingen, zelfs indien deze enkelvoudig uitgevoerd worden. Ret is niet duidelijk of door toepassing van glasvezelverbindingen de investeringskosten van dit concept omlaag gebracht kunnen worden.
- 51 -
H9: Beveiligingsconcepten; Vergelijking Ieder concept is nu besproken en bij ieder concept zijn de foutsituaties waarop de fabriek uitvalt bepaald (zowel primair als secundair). Voor ieder concept kan het betrouwbaarheidsgetal B en het selectiviteitsgetal S bepaald worden. De faalkansen van de relais zijn helaas nauwelijks bekend. Voor de faalkans van ieder relais is een waarde van 10% aangenomen. De resultaten van berekeningen van het betrouwbaarheids- en selectiviteitsgetal voor de verschillende concepten zijn te vinden in Fig 9.1. Betrouwbaarheid en selectiviteit zijn uitgedrukt in procenten. De betrouwbaarheid van concept 2 is het grootst. Dit is bet concept met dubbele differentiaalbeveiliging voor iedere component. Het concept met distantierelais (concept 10) is qua betrouwbaarheid duidelijk het slechtst. Het DSM-concept (1) is met een betrouwbaarheid van 87% geen slecht concept te noemen. De overige concepten hebben een getal B dat even hoog is of tot 8% hoger. Opvallend is dat bet verschil in de getallen B en S steeds ongeveer even hoog is namelijk ongeveer 2 %. Het verschil wordt veroorzaakt door het aantal terechte afschakelingen van de fabriek. Deze betreffen kortsluitingen op twee van de twaalf beschouwde netcomponenten namelijk de twee IOkV-rails. Omdat deze rails een lage relatieve faalgraad heeft (0,1) hoort bij deze terechte afschakelingen ook een lage relatieve faalgraad. Het aantal terecbte afschakelingen en de faalgraden van de componenten zijn afhankelijk van het beschouwde net en dus voor ieder beveiligingsconcept hetzelfde. Verschillende faalkansen van de relais zouden voor de verschillende concepten nog variatie kunnen opleveren in het verscbil in de getallen B en S. Dit is echter hier niet het geval, omdat voor ieder re1ais dezelfde faalkans aangenomen is en steeds aangenomen is dat een secundaire foutsituatie betekent dat slechts een relais faalt. Het mag echter duidelijk zijn dat de betrouwbaarheid van de voeding aan de fabriek bepaald wordt door de (selectieve) werking van de
Betrouwbaarheid en Selectiviteit
in%
120 110
Legenda
~
100
betrouwbaarheid
90
III
80
faalgraad kabel: 0.005
70
faalgraad rail: 0.0005
60
selectlvltelt
faalkans relais: 10%
50 40
30 20 10 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
conceptnr.
Fig 9.1: Vergelijking betrouwbaarheid en selectiviteit van de concepten
- 52 -
in guldens
Onderbrekingskosten van de fabriek
13000 12000
Legenda
11000
~ min. ond.kosten/jaar
10000 9000
faalgraad kabel: 0.005
8000
faalgraad rail: 0.0005
7000
faalkans relals: 10%
6000 5000
4000 3000 2000
1000
o
.J....L£f-"---I£f-'''-------J<¥"------lLf-''---JL.f''''----~-
2
3
4
5
6
7
8
9
10
conceptnr.
in guldens
Onderbrekingskosten van de fabriek
28000 26000
Legenda
24000 22000
~ max.ond.kosten/jaar
20000 18000
faalgraad kabel: 0.005 faalgraad rail: 0.0005
16000 14000
faalkans relais: 10%
12000 10000 8000 6000
4000 2000
o.J....L£f-"---JL.f""----~-----U'f'd---___lLf_"----~2
3
4
5
6
7
8
9
10
conceptnr.
Fig 9.2: Vergelijking van de min. en max. onderbrekingskosten van de fabriek voor de verschillende concepten . beveiliging. In hoofdstuk 5 is al uitgelegd hoe de onderbrekingskosten van de fabriek per jaar
- 53 -
uitgerekend kunnen worden met behulp van het betrouwbaarheidsgetal B. De ontbrekende informatie betreft de uitvalkosten van de fabriek per onderbreking. Deze zijn verkregen uit het artikel "De enkelvoudige reserve" van ir. J. Fransen. Hierin worden de onderbrekingskosten genoemd van een aantal fabrieken. Deze kosten bestaan uit een vast bedrag + een bedrag dat afhankelijk is van de reparatieduur. De reparatieduur is in dit geval gesteld op 24 uur. Deze tijdsduur wordt ook aangenomen in het artikel. Omdat er nogal wat spreiding bestaat in de verschillende onderbrekingskosten van de fabrieken zijn de minimale en maximale onderbrekingskosten genomen. Voor ieder concept zijn dus steeds de minimale en maximale onderbrekingskosten per jaar uitgerekend. De minimale onderbrekingskosten per onderbreking van de fabriek bedragen 1266000,-- en de maximale /488000,--. Het geval waarbij de fabriek geen onderbrekingskosten heeft is buiten beschouwing gelaten. In dat geval zijn er voor ieder concept geen onderbrekingskosten en zijn de totale kosten per jaar gelijk aan de investeringskosten per jaar. In dat geval zou gezocht moeten worden naar het goedkoopste concept dat het hele net afschakelt in geval van kortsluiting. De minimale en maximale onderbrekingskosten van de fabriek per jaar zijn voor ieder concept te vinden in Fig 9.2. Het is duidelijk dat de onderbrekingskosten van een concept hoger zijn naarmate het betrouwbaarheidsgetal B lager is. Het distantieconcept (concept 10) springt er dan ook uit. Het mag duidelijk zijn dat het verschil in minimale en maximale onderbrekingskosten per jaar een schaalfactor is. De onderbrekingskosten van de fabriek per jaar zijn dus afhankelijk van drie soorten parameters: -de faalgraad van de componenten -de faalkans van de relais -de onderbrekingskosten van de fabriek per onderbreking in guldens
Investeringskosten van de beveiIiging
75000 70000
Legenda
65000
~ lnv.-kostenfiaar
60000
inv.-termijn: 10jaar
55000 50000 45000 4ססoo
35000 30000 25000 20000 ..L..L<'fA----'L.f""---~'---'LfA__-----'L.p"_---"4""-2 3 4 5 6 7 conceptnr.
8
9
10
Fig 9.3: Vergelijking van de investeringskosten van de concepten
- 54 -
De investeringskosten per jaar zijn ook besproken in hoofdstuk 5. Deze zijn afhankelijk gesteld van de kosten van de gebruikte relais + benodigde communicatie. Echter ook de investeringstermijn is van belang. Hiervoor is een termijn van 10 jaar genomen. De investeringskosten per jaar voor de verschillende concepten zijn te vinden in Fig 9.3. Opvallend is dat voor ieder concept deze kosten per jaar aanzienlijk hoger zijn dan de onderbrekingskosten per jaar. Uitzondering is concept 10. Voor het conventionele concept geldt dat de investeringskosten per jaar een factor zes hoger zijn dan de maximale onderbrekingskosten per jaar. Wordt een investeringstermijn van 30 jaar gekozen dan zijn de investeringskosten nog steeds een factor twee hoger. Met uitzondering van concept 10 blijkt dat concept 1 nog de laagste verhouding investeringskosten / maximale onderbrekingskosten heeft. De concepten 2 en 6 steken in investeringskosten sterk af ten opzichte van de andere concepten. Concept 2 bestaat uit dubbele differentiaalbeveiligingen, die veel communicatieverbindingen nodig hebben. Concept 6 heeft een railbeveiliging met bijbehorende vermogensschakelaars bij de transformatoren. Voor beide gevallen betekent dit een dubbele communicatieverbinding voor de twee 5,lkm lange kabels van de 30kVrails naar de 30kV/lOkV-transformatoren. Deze kabels zijn duidelijk langer dan de overige kabels. Omdat een communicatieverbinding /20,-- per meter kost, is voor twee kabels van elk 5,lkm dus /204000,-- nodig. Bij een investeringstermijn van 10 jaar betekent dit een investeringsbedrag per jaar van /20400,--. Voor concept 2 is dit al bijna eenderde deel van de totale investeringskosten per jaar. Omdat de beveiliging van deze kabels dubbel is uitgevoerd is dus tweederde deel van de investeringskosten per jaar hierop terug te voeren. Voor het conventionele DSM-concept betekent de differentiaalbeveilging van beide kabels 75 % van de investeringskosten. Het mag duidelijk zijn dat voor alle concepten de totale kosten hoofdzakelijk bepaald worden door de investeringskosten van de communicatieverbindingen nodig voor de differentiaalbeveiliging van de twee kabels van de 30kV-rails naar de 30kV/ lOkVtransformatoren. Uitzondering is beveiligingsconcept 10 waar door middel van distantierelais communicatieverbindingen vermeden zijn. De totale kosten zijn te vinden in Fig 9.4. Er zijn steeds twee situaties berekend voor de totale kosten namelijk met minimale en maximale onderbrekingskosten. Omdat de investeringskosten per jaar en met name de investeringskosten van de communicatie ter beveiliging van de twee kabels met een lengte van 5,lkm hoger zijn dan de onderbrekingskosten per jaar is er geen sprake van een groot verschil tussen minimale en maximale totale kosten. Uitzondering is concept 10. Reden hiervoor is dat ten eerste dit het concept is met de laagste investeringskosten vanwege het ontbreken van communicatieverbindingen. Ten tweede heeft het concept een laag betrouwbaarheidsgetal B en dus hoge onderbrekingskosten. Het huidige DSM-concept blijkt de laagste totale kosten te hebben. Bij de aHernatieve concepten is steeds extra gelnvesteerd om selectiev€r te werk te kunnen gaan. Gezien de waarde van de betrouwbaarheidsgetallen van de verschillende concepten leverde dit geen groot verschil op. Het is voor de totale kosten beter een goedkoper alternatief te zoeken voor de differentiaalbeveiliging van de kabels dan overige componenten selectiever te beveiligen. Ben rigoureuzer idee is een concept met twee overstroomtijdrelais op de plaatsen 1 en 2 in het proefnet. Dit concept wordt aangeduid met nummer 11. De investeringskosten worden hierdoor aanzienlijk omlaag gebracht. Dit levert weI een betrouwbaarheidsgetal van 0 op. Dat wil zeggen dat een kortsluiting in dit geval altijd een onderbreking betekent. In feite heeft het proefnet in dat geval geen parallelverbinding nodig. Ben kortsluiting leidt immers altijd tot een onderbreking van de fabriek. Door een parallelverbinding weg
- 55 -
Totale kosten
in guldens
75000 70000
Legenda
65000
~ min. tot.kosten/jaar
60000
inv.-termijn: 10jaar
55000
faalgraad kabel: 0.005
50000 faalgraad rail: 0.0005
45000
faalkans relais: 10%
40000 35000 3ססoo
25000 20000 1
2
3
4
5 6 conceptnr.
7
8
9
10
Totale kosten
in guldens
70000 Legenda
65000
~ max. tot.kosten/jaar
60000
inv.-termijn: 10jaar
55000
faalgraad kabel: 0.005
50000
faalgraad rail: 0.0005
45000 faalkans relais: 10%
40000 35000 3ססoo
25000 2
3
4
5 6 conceptnr.
7
8
9
10
Fig 9.4: Vergelijking van de totale kosten (min. en max.) van de concepten
te laten wordt de totale faalgraad van het net twee keer zo klein. Dit betekent dat de onderbrekingskosten twee keer zo laag kunnen worden en dat een overstroomtijdrelais uitgespaard wordt. Dit concept wordt aangegeven met nummer 12.
- 56 -
Totale kosten
in guldens
33000 31000 29000 27000 25000 23000 21000 19000 17000 15000 13000 11000
Legenda
~ min. tot.kosten/jaar inv.-termijn: 10jaar faalgraad kabel: 0.005 faalgraad rail: 0.0005 faalkans relais: 10%
9000
7000 5000 3000 ..I...-----"-LL
1
in guldens
conceptnr.
11
12
Totale kosten
36000 34000
Legenda
32000 30000 28000 26000 24000 22000 20000
~ max. tot.kosten/jaar inv.-termijn: 10jaar faalgraad kabel: 0.005 faalgraad rail: 0.0005 faalkans relais: 10%
18000 16000 14000
12000 10000 ..I...-----"-LL.L..l~ conceptnr.
11
12
Fig 9.5: VergeIijking van de totale kosten van concepten 1,11 en 12 De totale kosten van de beveiligingsconcepten 11 en 12 kunnen vergeleken worden met die van het conventionele DSM-concept. Het resuitaat is te vinden in Fig 9.5. DuideIijk is dat in het geval van minimale onderbrekingskosten van de fabriek voor concept 12 de
- 57 -
totale kosten een factor vijf lager kunnen zijn dan voor het huidige DSM-concept.
- 58 -
HIO: Conclusies en aanbevelingen Met behulp van de lijsten opgesteld in hoofdstuk 2 is een aanpak voorgesteld voor het onderzoek naar de wisselwerking tussen elektriciteitsnetten en de bijbehorende beveiliging. Er is een methode ontwikkeld om een aantal belangrijke eigenschappen van beveiligingsconcepten met name systeembetrouwbaarheid en selectiviteit te quantificeren. Op deze manier is het eenvoudiger verschillende beveiligingsconcepten onderling te vergelijken. De beschouwde foutsituaties zijn beperkt tot driefase-aardsluitingen. Verder is het dynamisch gedrag van motoren buiten beschouwing gelaten. Het getal voor de systeembetrouwbaarheid voor een DSM-proefnet met de huidige DSM-beveiliging is gelijk aan 87%. Deze getallen zijn voor de meeste alternatieve concepten gelijk of tot 8% hoger. Deze getallen zijn dus niet aanzienlijk hoger. De huidige DSM-beveiliging levert al een hoge betrouwbaarheid op. Met behulp van het gedefinieerde betrouwbaarheidsgetal kunnen de onderbrekingskosten van een of meer fabrieken die door het industriele elektriciteitsnet gevoed worden berekend worden. Voor het beschouwde DSM-proefnet zijn deze kosten berekend en vergeleken met de investeringskosten van de conventionele beveiliging. Met de gemaakte beperkingen en aannames voor de faalgraden van de componenten en de faalkansen van de relais blijken de investeringskosten van de beveiliging van het proefnet een factor vijf hoger te liggen dan de onderbrekingskosten. Met uitzondering van een concept blijken bij de overige acht alternatieve beveiligingsconcepten de investeringskosten ook duidelijk te overheersen. De hoge investeringskosten zijn vooral te wijten aan lange communicatieverbindingen nodig voor een aantal samenwerkende relais met name voor differentiaalbeveiliging. Het lijkt echter beter te zijn te besparen op de investeringskosten van de beveiliging dan te proberen de systeembetrouwbaarheid te vergroten. De totale kosten van een beveiligingsconcept met slechts twee overstroomtijdrelais boven in het net blijken duidelijk lager te zijn dan de totale kosten met het huidige DSM-concept. In dat geval wordt het aanwezig zijn van de enkelvolldige reserve overbodig, wat ook een fikse besparing betekent en minder kans op kortsluitingen geeft vanwege het kleinere aantal componenten. Ret is zonder meer mogelijk de voorgestelde aanpak voor onderzoek naar de wisselwerking net - beveiliging voort te zetten. De definities voor systeembetrouwbaarheid en selectiviteit bieden de mogelijkheid llitgebreid te worden zodat meer aspecten (b. v. eenfase-fouten en onderholld) hierin opgenomen worden. De aanpak kost weI tijd maar leidt weI tot inzicht in de beveiligingsproblematiek. Er zou tijd bespaard kunnen worden door de voorgestelde aanpak om te zetten in een compllterprogram rna. Op deze manier zou snel een indruk verkregen kunnen worden van de systeembetrouwbaarheid van een net en de invloed hierop van de toegepaste beveiliging. Voor netontwerp zou het voordelen bieden het te ontwikkelen programma samen met Reanipos te gebruiken. In de voorgestelde methode wordt rekening gehouden met de precieze instelling van de relais en de gevolgen in geval van foutsituaties. Steeds wordt echter de gemiddelde waarde van de betrollwbaarheid over een bepaalde tijd uitgerekend, oftewel de invloed van verolldering is (nog) niet meegenomen. Dit is weI te vinden in Reanipos doch dit programma hOlidt geen rekening met de precieze instelling van de relais. Met het te ontwikkelen programma zou snel voor een aantal netontwerpen +
- 59 -
beveiligingsontwerpen de systeembetrouwbaarheid bepaald kunnen worden. Voor de ontwerpen met het hoogste betrouwbaarheidsgetal lOU dan nog een betrouwbaarheidsanalyse met Reanipos gemaakt kunnen worden. Ret is ook mogelijk het betrouwbaarheidsgetal voor een bepaalde periode te berekenen waarbij steeds na een bepaalde tijdstap de faalparameters aangepast worden. Op deze manier lOU de invloed van de veroudering in de ontwikkelde methode meegenomen kunnen worden.
Literatuurlijst 1. IEEE recommended practice for protection and coordination of industrial and commercial power systems - Chichester: Wiley - Interscience, 1986, 588p, ISBN 0-471-85392-5
2. Power system protection, Vol. 1,2,3 - J.H. Naylor, G.S.H. Jarrett, J. Rushton: Elektricity Council - UK; Peregrinus, 1991, ISBN 0-906048-47-8 3. Computer relaying for power systems - A.G. Phadke, J.S. Thorp - Taunton; Research Studied Press, 1988, 289p, ISBN 0-86380-074-2 4. Protection of industrial power systems - T. Davies - Oxford; Pergamon Press, 1984, 233p, ISBN 0-08-029321-2 5. Protective relaying for power systems - S.H. Horowitz - S.l.: IEEE Press, 1980, 575p 6. Vergelijking van drie beveiligingsconcepten - Taakgroep Nieuwe Beveiligingsconcepten; juni 1989 7. PATO-cursus "Beveiliging van Hoogspanningsnetten; Trend of Keerpunt?" - VDEN, T.U. Eindhoven, T.U. Delft; november 1986 8. Openbare netten voor elektriciteitsdistributie - VDEN - Deventer; 1986, 257p, ISBN 90-201-1887-0 9. Elektriciteitsopwekking, transmissie en distributie, Vol 1,2 - prof.ir. M.Antal - T.U. Eindhoven; Collegedictaat, 1986 10. Grondslagen Elektromechanica - profjr. J.A. Schot - T. U. Eindhoven; Collegedictaat, 1986
11. Betrouwbaarheidsanalyse van industriele elektriciteitsnetten - H.W.P.J. van Gerven Hogeschool Eindhoven; Afstudeerverslag, december 1990 12. Back-up beveiliging in middenspanningsnetten - RM.M. Pijls - H. T.S. Heerlen; Afstudeerverslag, april 1988 13. Betrouwbaarheid van industriele elektriciteitsnetten: Stand van zaken en punten van aandacht - drjr. M. Bollen - T.U. Eindhoven, K.U. Brabant; Elektrotechniek, Vol. 68, no.9, 1990 14. Energiesystemen - dr.ir. P. Massee - T. U. Eindhoven; Collegedictaat, 1986 15. A classification of failures of the protection - drjr. M.H.J. Bollen, dr.ir. P. Massee T.U. Eindhoven; 1990 16. Betrouwbaarheidsanalyse van en industrieel elektriciteitsnet bij DSM - dr.ir. P. Massee, ir. J.E.H. Voncken - T.U. Eindhoven, DSM Geleen; Elektrotechniek, Vol. 68, no.9, p767-72, 1990
17. Bedrijfszekerheidsanalyse van elektriciteitsvoorzieningssystemen; Simulatiemodel met toepassing bij DSM - R.W.E. Cerfonteijn - T.U. Eindhoven; Afstudeerverslag, 1989 18. Beveiliging van de middenspanningsnetten bij DSM - if. H.J. Fransen, ? 19. Spanningsvastheid fabrieksinstallaties en kosten betrouwbaarheid versus W.N.G.E. ir. P.H. Giesbertz - DSM Geleen; Elektrotechniek, vo1.67, no.8, p699-701, 1989 20. Het gedrag van elektrische installaties tijdens spanningsdalingen - ir.J.E.H. Voncken DSM Geleen; Elektrotechniek, Vol. 67, no.8, p702-5, 1989 21. Het gedrag van motoren en regelbare aandrijvingen bij kortdurende spanningsdalingen - dr.ir. C. Schreurs - DSM Geleen; Elektrotechniek, Vo1.67, no.8, p706-14, 1989 22. Spanningsvastheid elektrische installaties - ing. P.J.J.M.E. Spijkers - DSM Geleen; Elektrotechniek, Vol. 67, no.8, p715-8, 1989 23. De enkelvoudige reserve in de elektriciteitsvoorziening van een chemische industrie ir. H. Fransen - DSM Geleen; Elektrotechniek, Vol. 67, no.8, p719-22, 1989 24. Conclusies uit de DSM-studies - ir. P.H. Giesbertz; Elektrotechniek, Vol. 67, no.8, p723-4, 1989 25. Norme International! International Standard, International Electrotechnical Vocabulary, Chapter 488: Power system protection - Geneve; CEI, 1987
Bijlage A: Netberekeningen Verklaring loadflow- en kortsluitsituaties II: loadflow 12: loadflow; 1,8,19 open 13 : loadflow; 8,11,18 open k l: kortsluiting op kabel 1-3 k2: kortsluiting op kabel 1-3; 1 open k3 : kortsluiting op kabel 1-3; 1,8 open k.t: kortsluiting op kabel 5-7; 7,8,11 open ks: kortsluiting op rail 7-11 ~: kortsluiting op rail 7-11; 8 open k7 : kortsluiting op rail 7-11; 8,19 open kg: korts1uiting op rail 9-12; 8 open ~: korts1uiting op rail 9-12; 8,19 open k lO : korts1uiting op kabe1 11-14; 11 open k ll : korts1uiting op kabel11-14; 7,8,11 open k 12 : korts1uiting op kabe1 11-14 (midden) k 13 : korts1uiting op kabel 11-14 (onder) k 14 : kortsluiting op kabel 11-14 (onder); 8 open k ls : kortsluiting op kabel 11-14 (onder); 8,19 open k 16 : kortsluiting op kabel 11-14 (onder); 7,8,11 open k 17 : kortsluiting op kabel 16-18 (boven) klg: kortsluiting op kabel 16-18 (boven); 18 open k 19 : kortsluiting op kabel 16-18 (boven); 8,19 open k20 : kortsluiting op kabel 16-18 (onder); 18 open k21 : kortsluiting op rail 18 k22 : kortsluiting op rail 18; 8 open k23 : kortsluiting op rail 18; 19 open k24 : kortsluiting op rail 18; 8,19 open k2S : kortsluiting op rail 20; 19 open k26 : kortsluiting op rail 20; 8,19 open
Loadflowberekeningen X
VI2
V7
Vs
VIS
V20
11_3
12-4
15_7
16-9
110
II
I49,3kV
28,7kV
28,7kV
9,6kV
9,6kV
I22A
I22A
610A
610A
367A
12
I49,2kV
0
28,6kV
0
9,45kV
0
118A
0
590A
0
13
I48,3kV
28,8kV
28,3kV
9,27kV
9,27kV
74A
I70A
370A
850A
370A
x
111 - 14
112-15
113
116-1S
117-20
121
122
123
124
125
126
11
2I5A
2I5A
459A
644A
644A
654A
25IA
I9IA
94A
94A
47A
12
0
135A
460A
0
405A
0
0
I95A
90A
90A
45A
13
0
420A
455A
0
1,26kA
645A
240A
I80A
90A
90A
45A
Kortsluitstroomberekeningen VIS
V20
11_:\
12-4
I S_7
~9
110
0
0
0
0
0
0
0
14,3kV
4,74kV
4,74kV
800A
863A
4,OkA
4,3kA
185A
7,20kV
21,5kV
4,73kV
4,73kV
401 A
479A
2,OlkA
2,40kA
90A
146,9kV
0
28,OkV
9,19kV
9, 19kV
1,64kA
169A
8,64kA
845A
0
16,4kA
145,3kV
0
0
0
0
1,63kA
1,63kA
8,2kA
8,2kA
0
~
1O,9kA
146,4kV
0
18,8kV
3,lOkV
3,lOkV
1,63kA
602A
8,2kA
3,OlkA
0
k7
8,2kA
147,3kV
0
28,3kV
0
9,34kV
1,64kA
117A
8,2kA
585A
0
ks
II,OkA
146,5kV
18,9kV
0
3,13kV
3,13kV
595A
1,63kA
2,98kA
8,2kA
240A
~
8,2kA
147,2kV
28,5kV
0
9,34kV
0
127A
1,64kA
635A
8,2kA
365A
klO
3,32kA
147,8kV
22,9kV
22,9kV
3,78kV
3,78kV
390A
390A
1,95kA
1,95kA
295A
kll
2,77kA
148,6kV
0
19,1kV
3,15kV
3,15kV
0
6 lOA
0
3,05kA
0
kl2
14,lkA
143,7kV
4,59kV
4,59kV
729V
729V
1,41kA
1,41kA
7,07kA
7,07kA
60A
k13
12,6kA
143,2kV
7,76kV
7,76kV
1,19kV
1,19kV
1,26kA
1,26kA
6,28kA
6,28kA
lOOA
k14
9,96kA
145,6kV
4,84kV
18,lkV
2,75kV
2,75kV
1,43kA
622A
7,14kA
3,l1kA
60A
k15
7,12kA
146,3kV
4,86kV
28,lkV
0
9,27kV
1,44kA
116A
7,27kA
580A
60A
k16
2,93kA
148,8kV
0
18,5kV
2,82kV
2,82kV
0
635A
0
3,18kA
0
k 17
24,9kA
146,7kV
14,lkV
14,lkV
593V
593V
860A
860A
4,3kA
4,3kA
180A
x
kss
V I.2
V7
kl
19,2kA
0
0
k2
800A
148,8kV
14,3kV
k3
401 A
148,8kV
~
8,64kA
ks
V9
Kortsluitstroomberekeningen
x
kss
V I ,2
V7
V9
V I8
V20
1 _ 13
12-4
I So7
16-9
1 10
kl8
13,4kA
147,7kV
13,2kV
28,3kV
0
9,36kV
919A
117A
4,60kA
585A
170A
kl9
18,OkA
147,lkV
18,OkV
18,OkV
5,90kV
5,90kV
650A
650A
3,25kA
3,25kA
230A
k20
16,6kA
147,OkV
18,9kV
18,9kV
6,18kV
6,18kV
606A
606A
3,03kA
3,03kA
230A
k21
24,8kA
146,7kV
14,lkV
14,lkV
0
0
858A
858A
4,3kA
4,3kA
180A
k22
24,8kA
146,7kV
14,2kV
14,2kV
0
0
856A
856A
4,28kA
4,30kA
180A
k23
16,6kA
147,2kV
18,9kV
18,9kV
0
6,25kV
601A
601A
3,OkA
3,OkA
245A
k24
12,5kA
147,7kV
14,3kV
28,3kV
0
9,36kV
862A
117A
4,31kA
585A
185A
k25
16,6kA
602A
602A
3,OlkA
3,OlkA
245A
k26
12,6kA
128A
865A
640A
4,3kA
365A
147,5kV
28,6kV
14,2kV
9,46kV
0
Kortsluitstroomberekeningen X
11l-14
112- 1S
113
116- 1S
117-20
121
122
123
124
12s
126
k1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
k2
110A
110A
230A
330A
330A
330A
120A
90A
45A
45A
30A
k3
2,07kA
2,13kA
345A
6,20kA
6,38kA
330A
120A
90A
45A
45A
30A
~
0
420A
450A
0
1,26kA
630A
240A
180A
90A
90A
45A
ks
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
~
2,73kA
2,78kA
300A
8,18kA
8,33kA
2 lOA
75A
60A
30A
30A
15A
k7
0
135A
455A
0
405A
0
0
195A
90A
90A
45A
ks
2,79kA
2,75kA
0
8,36kA
8,25kA
2 lOA
90A
60A
45A
45A
15A
~
300A
0
0
900A
0
660A
2SSA
0
0
0
0
klO
3,32kA
3,38kA
36SA
9,96kA
1O,13kA
25SA
lOSA
7SA
4SA
45A
lSA
kll
2,77kA
2,82kA
30SA
8,30kA
8,4SkA
22SA
90A
60A
30A
30A
lSA
k12
13,4kA/ 69SA
70SA
7SA
2,09kA
2,12kA
0
0
0
0
0
0
k13
11,4kA
1,24kA
12SA
3,71kA
3,71kA
0
0
0
0
0
0
kl4
7,08kA
2,90kA
290A
8,63kA
8,70kA
19SA
7SA
60A
30A
30A
lSA
klS
7,12kA
130A
4S0A
0
390A
0
0
180A
90A
90A
4SA
kl6
0
2,96kA
29SA
8,79kA
8,87kA
0
0
0
0
0
0
k17
4,69kA
3,61kA
22SA
14,lkA
1O,8kA
0
0
0
0
0
0
Kortsluitstroomberekeningen x
111 - 14
I 12-1S
113
116-18
117-20
121
122
123
124
12s
126
kl8
4,47kA
135A
455A
0
405A
0
0
195A
90A
90A
45A
k l9
6,OkA
270A
290A
0
810A
405A
150A
120A
60A
60A
30A
k20
5,52kA
280A
300A
16,6kA
840A
420A
165A
120A
60A
60A
30A
k21
4,14kA
4,14kA
225A
12,4kA
12,4kA
0
0
0
0
0
0
k22
4,15kA
4,13kA
225A
12,4kA
12,4kA
0
0
0
0
0
0
k23
5,54kA
90A
305A
16,6kA
270A
0
0
120A
60A
60A
30A
k24
4,18kA
135A
455A
12,5kA
405A
0
0
195A
90A
90A
45A
k2S
200A
5,54kA
305A
600A
16,6kA
435A
165A
0
0
0
0
k26
300A
4,2kA
225A
900A
12,6kA
660A
255A
0
0
0
0
Bijlage B: Beveiligingsconcepten
Bladzijde B verklaring afkortingen tweede kolom: diff: rdif: ostt: rost: dist:
differentiaalrelais raildifferntiaalrelais overstroomtijdrelais richtinggevoelig overstroomtijdrelais distantierelais
verklaring derde kolom: A betekent afschakeling van de fabriek. De aangegeven waarde geeft de relatieve faalgraad van de component aan. Indien geen waarde gegeven is, is de relatieve faalgraad gelijk aan l.Een vetgedrukte A betekent dat het beveiligingsconcept bij kortsluiting op de betreffende component weI selectief is, maar dat niet aan het Spijkerscriterium voldaan wordt. Een asterix * staat voor een onterechte afschakeling.
Bladzijde C Indien in de laatste kolom twee spanningsniveau's genoemd worden betekent dit dat het hier een kortsluiting op een kabel betreft. De eerst genoemde spanning is de spanning op de lOkY-rail bij kortsluiting aan het begin van de kabel (boven). De tweede waarde is de spanning op de lOkY-rail bij kortsluiting aan het eind van de kabel (onder)
Beveiligingsconcept 1; A; Instelling relais
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
aanspreekwaarde
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal
1,7 2,9 11,18 12,20
0,2 0,2 0,2 0,2
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20)
overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd
11 12 18 20
0,7 0,7 0,7 0,7
1500A 1500A 4500A 4500A
7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
7 9
1,2 1,2
2500A 2500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,7 1,7
500A 500A
11 12 18 20
Beveiligingsconcept 1; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - 0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 - 0,4s;
6-9
2,9 - 0,4s;
7-11
7,9 - 0,9s;
1/lOA*
9-12
7,9 - 0,9s;
1/10 A*
11-14
11,18-0,4s;
12-15
12,20 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - 1,9s; 7,9 - 3,3s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,9s; 7,9 - 3,3s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 7,9 - 1,4s;
A*
6-9
diff2-9 faalt; 7,9 - 1,4s;
A*
7-11
ostt7,9 faalt; 1,2 - 1,9s;
1/lOA*
9-12
ostt7,9 faalt; 1,2 - 1,9s;
1/lOA*
11-14
diffll-18 faalt; 11 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
12-15
diffl2-20 faalt; 12 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
16-18
diffll-18 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
20
ostt20 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
fabriek
I
Beveiligingsconcept 1; C; Spanningsverloop 10kV-rails kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV;
8-12
OV;
11-14
OV/l,19kV - Os; 10kV - 0,4s;
12-15
OV/l, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV/593V - Os; 10kV - 0,4s
18
OV;
20
OV
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV;
2-4
OV;
5-7
OV;
6-9
OV;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 2; A; Instelling relais aanspreekwaarde
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 7-11 raildifferentiaal 9-12 raildifferentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal 18 raildifferentiaal 20 raildifferentiaal
1,7 2,9 7,8,10,11 8,9,12,13 11,18 12,20 18,21,22 20,23,24,25,26
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
18 overstroomtijd 20 overstroomtijd
18 20
0,7 0,7
4500A 4500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,2 1,2
500A 500A
453A (7) 453A (9)
480A (18) 480A (20)
Beveiligingsconcept 2; B; Kortsluitingen en afschakelingen korts1uiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - 0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 - 0,4s;
6-9
2,9 - 0,4s;
7-11
7,8,10,11 - 0,4s;
9-12
8,9,12,13 - 0,4s;
11-14
11,18 - 0,4s;
12-15
12,20 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
18,20 - 0,9s;
1/10 A
20
18,20 - 0,9s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1,7 - 0,4s;
2-4
diff2-9 faalt; 2,9 - 0,4s;
5-7
diffl-7 faalt; 1,7 - 0,4s;
6-9
diff2-9 faalt; 2,9 - 0,4s;
7-11
rdif7-11 faalt; 7,8,10,11 - 0,4s;
9-12
rdif9-12 faalt; 8,9,12,13 - 0,4s;
11-14
diffll-18 faalt; 11,18 - 0,4s;
12-15
diffl2-20 faalt; 12,20 - 0,4s;
16-18
diffll-18 faalt; 11,18 - 0,4s;
17-20
diffl2-20 faalt; 12,20 - 0,4s;
18
ostt18 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A
20
ostt20 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A
fabriek
Beveiligingsconcept 2; C; Spanningsverloop lOkV-rails korts1uiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; 10kV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
8-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV1593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV1593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV;
korts1uiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os; 10kV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
9-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV11, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 3; A; Instelling relais aanspreekwaarde
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal 7-11 raildifferentiaal 9-12 raildifferentiaal
1,7 2,9 11,18 12,20 7,8,10,11 8,9,12,13
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20)
overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd
11 12 18 20
0,7 0,7 0,7 0,7
1500A 1500A 4500A 4500A
7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
7 9
1,2 1,2
2500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,7 1,7
500A 500A
11 12 18 20
50DA 50DA
250DA
Beveiligingsconcept 3; B; Kortsluitingen en afschakelingen korts1uiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7-0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 - 0,4s;
6-9
2,9 - 0,4s;
7-11
7,8,10,11 - 0,4s;
9-12
8,9,12,13 - 0,4s;
11-14
11,18 - 0,4s;
12-15
12,20 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
korts1uiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - 1,9s; 7,9 - 3,3s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,9s; 7,9 - 3,3s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 7,9 - 1,4s;
A*
6-9
diff2-9 faalt; 7,9 - 1,4s;
A*
7-11
diff7,l1 faalt; 7,9 - 1,4s;
1/10 A*
9-12
diff9,12 faalt; 7,9 - 1,4s;
1/10 A*
11-14
diffll-18 faalt; 11 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
12-15
diffl2-20 faalt; 12 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
16-18
diffll-18 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
18
osttl8 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
20
ostt20 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
fabriek
Beveiligingsconcept 3; C; Spanningsverloop lOkV-rails kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
8-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s
18
OV;
20
OV
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV;
2-4
OV;
5-7
OV;
6-9
OV;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
I
,
Beveiligingsconcept 4; A; Instelling relais
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
aanspreekwaarde
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal
1,7 2,9 11,18 12,20
0,2 0,2 0,2 0,2
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20)
0,7
2500A
0,7
2500A
overstroomtijd 7 + overstroomtijd 8 overstroomtijd 8 + overstroomtijd 9
7,8,10,11 8,9,12,13
11 overstroomtijd 12overstroomtijd 18 overstroomtijd 20 overstroomtijd
12 18 20
1,2 1,2 1,2 1,2
1500A 1500A 4500A 4500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd 7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
1 2 7 9
1,7 1,7 1,7 1,7
500A 500A 2500A 2500A
11
Beveiligingsconcept 4; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - O,4s;
2-4
2,9 - O,4s;
5-7
1,7 - O,4s;
6-9
2,9 - 0,4s;
7-11
7,8,9,10,11,12,13 - O,9s;
1/10 A*
9-12
7,8,9,10,11,12,13 - O,9s;
1/10 A*
11-14
11,18 - O,4s;
12-15
12,20 - O,4s;
16-18
11,18 - O,4s;
17-20
12,20 - O,4s;
18
11,12,18,20 - l,4s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - l,4s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tij d
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - l,9s; 7,8,9,10,11,12,13 - 2,8s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - l,9s; 7,8,9,10,11,12,13 - 2,8s;
A*
5-7
diffl-7 faa1t; 7,8,9,10,11,12,13 - O,9s; 1 - l,9s;
A*
6-9
diff2-9 faalt; 7,8,9,10,11,12,13 - O,4s; 2 - 1,9s;
A*
7-11
ostt7+8 faa1t; 8,9,12,13 - O,9s; 1 - 1,9s;
1/10 A*
9-12
ostt8+9 faalt; 7,8,10,11 - 0,9s; 2 - l,9s;
1/10 A*
11-14
diffll-18 faalt; 7,8,9,10,11,12,13 - O,9s;
A*
12-15
diffl2-20 faa1t; 7,8,9,10,11,12,13 - O,9s;
A*
16-18
diffll-18 faa1t; 11,12,18,20 - l,4s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 11,12,18,20 - l,4s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - l,4s;
1/10 A
20
ostt20 faalt; 11,12,18 - l,4s;
1/10 A
fabriek
Beveiligingsconcept 4; C; Spanningsverloop lOkV-rails I
kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV;
8-12
OV;
11-14
OV 11, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV11, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV1593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV 1593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV;
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV;
2-4
OV;
5-7
OV;
6-9
OV;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 5; A; Instelling relais aanspreekwaarde
schakelaars
reactietijd [s]
1,7 2,9 11,18 12,20 7,8,10,11
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
8,9,12,13
0,2
overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd
11 12 18 20
0,7 0,7 0,7 0,7
1500A 1500A 4500A 4500A
7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
7 9
1,2 1,2
2500A 2500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,7 1,7
500A 500A
plaats 1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal overstroomtijd 7 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 overstroomtijd 9 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 11 12 18 20
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20) 2500A (7) 2500A (8) 2500A (9) 2500A (8)
Beveiligingsconcept 5; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7-0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 en 8,10,11 - O,4s;
6-9
2,9 en 8,12,13 - 0,4s;
7-11
7,8,10,11 - 0,4s;
9-12
8,9,12,13 - 0,4s;
11-14
11,18 en 7,8,10 - 0,4s;
12-15
12,20 en 8,9,13 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - 1,4s; 7,8,10,11 - 1,8s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,4s; 8,9,12,13 - 1,8s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 7,8,10,11 - 0,4s; 1 - 1,4s;
6-9
diff2-9 faalt; 8,9,12,13 - 0,4s; 2 - 1,4s;
7-11
ostt7+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,4s;
1/10 A*
9-12
ostt9+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,4s;
1/10 A*
11-14
diffll-18 faalt; 7,8,10,11 - 0,4s; 12,18,20 - 1,3s;
A*
12-15
diffl2-20 faalt; 8,9,12,13 - 0,4s; 11,18,20 - 1,3s;
A*
16-18
diffll-18 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1110 A
20
ostt20 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
fabriek
Beveiligingsconcept 5; C; Spanningsverloop lOkV-rails kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; 10kV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
8-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV/1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; 4,74kV - 1,4s; lOkV - 1,8s;
2-4
OV - Os; 4,74kV - 1,4s; lOkV - 1,8s;
5-7
OV - Os; 9, 19kV - 0,4s; lOkV - 1,4s;
6-9
OV - Os;9, 19kV - 0,4s; lOkV - 1,4s;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 6; A; Instelling relais
plaats
aanspreekwaarde
schakelaars
reactietijd [s]
1,7 2,9 11,18 12,20 5,8,10,14
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
6,8,13,15
0,2
overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd
11 12 18 20
0,7 0,7 0,7 0,7
1500A 1500A 4500A 4500A
7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
7 9
1,2 1,2
2500A 2500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,7 1,7
500A 500A
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal overstroomtijd 7 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 overstroomtijd 9 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 11 12 18 20
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20) 2500A (7) 2500A (8) 2500A (9) 2500A (8)
Beveiligingsconcept 6; B; Kortsluitingen en afschakelingen korts1uiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7-0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 en 5,8,10,14 - 0,4s;
6-9
2,9 en 6,8,12,15 - 0,4s;
7-11
5,8,10,14 - 0,4s;
9-12
6,8,12,15 - 0,4s;
11-14
11,18 en 5,8,10,14 - 0,4s;
12-15
12,20 en 6,8,13,15 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - 0,9s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7faalt; 1- 1,4s; 5,8,1O,14-1,8s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,4s; 6,8,13,14 - 1,8s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 5,8,10,14 - 0,4s;
6-9
diff2-9 faalt; 6,8,13,14 - 0,4s;
7-11
ostt7+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,4s;
1/10 A*
9-12
ostt9+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,4s;
1/10 A*
11-14
diffll-18 faalt; 5,8,10,14 - 0,4s;
12-15
diffl2-20 faalt; 6,8,13,14 - 0,4s;
16-18
diffll-18 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
20
ostt20 faa1t; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
fabriek
Beveiligingsconcept 6; C; Spanningsverloop 10kV-raiis kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
8-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OVI1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV11, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV 1593V - Os; lOkV - 0,4s;
17-20
OV 1593V - Os; lOkV - 0,4s
18
OV;
20
OV
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; 4,74kV - 1,4s; lOkV - 1,8s;
2-4
OV - Os; 4,74kV - 1,4s; lOkV - 1,8s;
5-7
OV - Os; 9, 19kV - 0,4s; lOkV - 1,4s;
6-9
OV - Os;9,19kV - 0,4s; 10kV - 1,4s;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OVI1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OVI1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 7; A; Instelling relais plaats 1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal overstroomtijd 7 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 overstroomtijd 9 + richtinggevoelig overstroomtijd 8 18 richtinggevoelig overstroomtijd 20 richtinggevoelig overstroomtijd
schakelaars
reactietijd [s]
1,7 2,9 11,18 12,20 5,8,10,14
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
6,8,13,15
0,2
18 20
aanspreekwaarde 453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20) 2500A (7) 2500A (8) 2500A (9) 2500A (8)
0,7
6000A
0,7
6000A
11 overstroomtijd 12 overstroomtijd
11 12
1,2 1,2
1500A 1500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd 7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
1 2 7 9
1,7 1,7 1,7 1,7
500A 500A 2500A 2500A
Beveiligingsconcept 7; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - 0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7 en 7,8,10,11 - 0,4s;
6-9
2,9 en 8,9,12,13 - 0,4s;
7-11
7,8,10,11 - 0,4s;
9-12
8,9,12,13 - 0,4s;
11-14
11,18 en 7,8,10,11 - 0,4s;
12-15
12,20 en 8,9,12,13 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 1,4s;
1/10 A
20
11,12,18,20 - 1,4s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - 1,9s; 7,8,10,11 - 2,3s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,9s; 8,9,12,13 - 2,3s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 7,8,10,11 - 0,4s; 1 - 2,3s;
6-9
diff2-9 faalt; 8,9,12,13 - 0,4s; 2 - 2,3s;
7-11
ostt7+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,9s;
1/IOA*
9-12
ostt9+rost8 faalt; 1,2,7,9 - 1,9s;
1/10 A*
11-14
diffll-18 faalt; 7,8,10,11 - 0,4s; 18 - 1,3s;
A*
12-15
diffl2-20 faalt; 8,9,12,13 - 0,4s; 20 - 1,3s;
A*
16-18
diffll-18 faalt; 18 - 0,9s; 7,8,10,11 - 1,3s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 20 - 0,9s; 8,9,12,13 - 1,3s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 1,4s;
1110 A
20
ostt20 faalt; 11,12,18 - 1,4s;
1110 A
fabriek
I
Beveiligingsconcept 7; C; Spanningsverloop lOkV-rails kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; lOkV - 0,4s;
8-12
OV - Os; lOkV - 0,4s;
11-14
OV/1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OV/l,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; 10kV - 0,4s;
17-20
OV/593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; 4,74kV - 1,9s; lOkV - 2,3s;
2-4
OV - Os; 4,74kV - 1,9s; lOkV - 2,3s;
5-7
OV - Os; 9,19kV - 0,4s; lOkV - 2,3s;
6-9
OV - Os;9,19kV - 0,4s; lOkV - 2,3s;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV/l,19kV - Os; 2,82kV/3,15kV - 0,4s; lOkV - 1,3s;
12-15
OV/l,19kV - Os; 2,82kV/3,15kV - 0,4s; lOkV - 1,3s;
16-18
OV/593V - Os; 5,90kV/6,18kV - 0,4s; lOkV - 1,3s;
17-20
OV/593V - Os; 5,90kV/6,18kV - 0,4s; lOkV - 1,3s;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 8; A; Instelling relais
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
aanspreekwaarde
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal 8 overstroomtijd
1,7 2,9 11,18 12,20 8
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20) 2500A
onderspanningssysteem 7 + 9 reageert op aanspreken 8;
7,10,11 of 9,12,13
0,5
overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd overstroomtijd
11 12 18 20
1,2 1,2 1,2 1,2
1500A 1500A 4500A 4500A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd 7 overstroomtijd 9 overstroomtijd
1 2 7 9
1,7 1,7 1,7 1,7
500A 500A 2500A 2500A
11 12 18 20
8000V spanningsverschil tussen beide rails
Beveiligingsconcept 8; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - 0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7,8 - 0,4s; 10,11 - 0,9s;
6-9
2,9,8 - 0,4s; 12,13 - 0,9s;
7-11
8 - 0,4s; 7,10,11 - 0,9s;
1110 A*
9-12
8 - 0,4s; 9,12,13 - 0,9s;
1110 A*
11-14
8,11,18 - 0,4s;
12-15
8,12,20 - 0,4s;
16-18
11,18-0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
11,12,18,20 - 1,4s;
1110 A
20
11,12,18,20 - 1,4s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faa1t; 1 - 1,9s; 8 - 2,3s; 7,10,11 - 2,8s;
A*
2-4
diff2-9 faa1t; 2 - 1,9s; 8 - 2,3s; 9,12,13 - 2,8s;
A*
5-7
diffl-7 faa1t; 8 - 0,4s; 7,10,11 - 0,9s; 1 - 1,9s;
A*
6-9
diff2-9 faa1t; 8 - 0,4s; 9,12,13 - 0,9s; 2 - 1,9s;
A*
7-11
ostt8 faalt; 1,2,7,9 - 1,9s;
1/10 A*
9-12
ostt8 faa1t; 1,2,7,9 - 1,9s;
1110 A*
11-14
diffll-18 faa1t; 8 - 0,4s; 7,10,11 - 0,9s; 12,18,20-1,8s;
A*
12-15
diffl2-20 faa1t; 8 - 0,4s; 9,12,13 - 0,9s; 11,18,20 - 1,8s;
A*
16-18
diffll-18 faa1t; 11,12,18,20 - 1,4s;
A*
17-20
diffl2-20 faa1t; 11,12,18,20 - 1,4s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 1,4s;
1/10 A
20
ostt20 faa1t; 11,12,18 - 1,4s;
1110 A
fabriek
Beveiligingsconcept 8; C; Spanningsverloop lOkV-rails kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - as; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - as; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - as: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - as; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - as; 3,lOkV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
8-12
OV - as; 3,lOkV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
11-14
OV11, 19kV - as; lOkV - 0,4s;
12-15
OVI1,19kV - as; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - as; lOkV - 0,4s;
17-20
OV 1593V - as; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV;
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - as; 4,74kV - 1,9s; lOkV - 2,8s;
2-4
OV - as; 4,74kV - 1,9s; lOkV - 2,8s;
5-7
OV - as; 3,10kV - 0,4s; 9,19kV - 0,9s; lOkV - 1,9s;
6-9
OV - as; 3,lOkV - 0,4s; 9,19kV - 0,9s; lOkV - 1,9s;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
Beveiligingsconcept 9; A; Instelling reJais
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
aanspreekwaarde
1-7 differentiaal 2-9 differentiaal 11-18 differentiaal 12-20 differentiaal 8 overstroomtijd 19 overstroomtijd
1,7 2,9 11,18 12,20 8 19
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
453A (7) 453A (9) 480A (18) 480A (20) 2500A 4000A
onderspanningssysteem 7 + 9 reageert op aanspreken 8;
7,10,11 of 9,12,13
0,5
18 of 20; 19 wordt weer gesloten
0,5
19 overstroomtijd; reageert op opnieuw sluiten 19
19
0,5
4000A
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,7 1,7
500A 500A
onderspanningssysteem 18 + 20 reageert op aanspreken 19;
8000V spanningsverschil tussen beide rails; 5000V spanningsverschil tussen beide rails
Beveiligingsconcept 9; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
1-3
1,7 - 0,4s;
2-4
2,9 - 0,4s;
5-7
1,7,8 - 0,4s; 10,11 - 0,9s;
6-9
2,8,9 - 0,4s; 12,13 - 0,9s;
7-11
8 - 0,4s; 19 - 0,8s; 7,10- 0,9s; 18, 19dicht - 1,3s;
1110 A*
9-12
8 - 0,4s; 19 - 0,8s; 9,12 - 0,9s; 20, 19dicht - 1,3s;
1110 A*
11-14
11,18 - 0,4s;
12-15
12,20 - 0,4s;
16-18
11,18 - 0,4s;
17-20
12,20 - 0,4s;
18
19 - 0,4s; 8 - 0,8s; 18, 19dicht - 0,9s; 2 - 1,4s;
1/10 A
20
19 - 0,4s; 8 - 0,8s; 20, 19dicht - 0,9s; 1 - 1,4s;
1/10 A
korts1uiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
diffl-7 faalt; 1 - 1,4s; 8 - 1,8s; 19 - 2,2s; 7,10,11 - 2,3s; 18, 19dicht - 2,7s; 2 - 2,8s;
A*
2-4
diff2-9 faalt; 2 - 1,4s; 8 - 1,8s; 19 - 2,2s; 9,12,13 - 2,3s; 20, 19dicht - 2,7s; 1 - 2,8s;
A*
5-7
diffl-7 faalt; 8 - 0,4s; 19 - 0,8s; 7,10,11 - 0,9s; 1,18, 19dicht-1,4s;
A*
6-9
diff2-9 faalt; 8 - 0,4s; 19 - 0,8s; 9,12,13 - 0,9s; 2,20, 19dicht - 1,4s;
A*
7-11
ostt8 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A*
9-12
ostt8 faalt; 1,2 - 1,4s;
1110 A*
11-14
diffll-18 faalt; 8 - 0,4s; 19 - 0,8s; 7,10,11 - 0,9s; 18, 19dicht - 1,4s;
A*
12-15
diffl2-20 faalt; 8 - 0,4s; 19 - 0,9s; 9,12,13 - 0,9s; 20, 19dicht - 1,4s;
A*
16-18
diffll-18 faalt; 19 - OAs; 8 - 0,8s; 18, 19dicht - 0,9s; 1,7,10,11 - 1,4s;
A*
17-20
diffl2-20 faalt; 19 - 0,4s; 8 - 0,8s; 20, 19dicht - 0,9s; 2,9,12,13 - 1,4s;
A*
fabriek
Beveiligingsconcept 9; C; Spanningsverloop lOkV-rails
kortsluiting prim.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; lOkV - 0,4s;
2-4
OV - Os; lOkV - 0,4s;
5-7
OV - Os: lOkV - 0,4s;
6-9
OV - Os; lOkV - 0,4s;
7-11
OV - Os; 3,lOkV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
8-12
OV - Os; 3,lOkV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
11-14
OV11, 19kV - Os; lOkV - 0,4s;
12-15
OVI1,19kV - Os; lOkV - 0,4s;
16-18
OV/593V - Os; 10kV - 0,4s;
17-20
OV 1593V - Os; lOkV - 0,4s;
18
OV;
20
OV;
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV - Os; 4,74kV - 1,9s; 10kV - 2,8s;
2-4
OV - Os; 4,74kV - 1,9s; lOkV - 2,8s;
5-7
OV - Os; 3,lOkV - 0,4s; 9, 19kV - 0,9s; lOkV - 1,9s;
6-9
OV - Os; 3,10kV - 0,4s; 9, 19kV - 0,9s; lOkV - 1,9s;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
I
18
ostt19 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A
20
ostt19 faalt; 1,2 - lAs;
1/10 A
Beveiligingsconcept 10; A; Instelling relais
plaats
schakelaars
reactietijd [s]
aanspreekwaarde
1 distantie 2 distantie 7 distantie 9 distantie 11 distantie 12 distantie 18 distantie 20 distantie
1 2 7 9 11 12 18 20
0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2
49,570 49,570 1,650 1,650 1,560 1,560 0,180 0,180
1 distantie 2 distantie 11 distantie 12 distantie
1 2 11 12
0,7 0,7 0,7 0,7
90,610 90,610 3,200 3,200
1 overstroomtijd 2 overstroomtijd
1 2
1,2 1,2
500A 500A
Beveiligingsconcept 10; B; Kortsluitingen en afschakelingen kortsluiting prim.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
1 - 0,4s; 2 - 1,4s;
A*
2-4
2 - 0,4s; 1 - 1,4s;
A*
5-7
7 - 0,4s; 1 - 0,9s;
6-9
9 - O,4s; 2 - 0,9s;
7-11
1,2 - 0,9s;
1/10 A*
9-12
1,2 - 0,9s;
1/10 A*
11-14
11 - 0,4s; 1,2 - 0,9s;
A*
12-15
12 - 0,4s; 1,2 - 0,9s;
A*
16-18
18 - 0,4s; 11,12 - 0,9s;
A*
17-20
20 - 0,4s; 11,12 - 0,9s;
A*
18
11,12 - 0,9s;
1/10 A
20
11,12 - 0,9s;
1/10 A
kortsluiting sec.
afschakeling - tijd
fabriek
1-3
distl faalt; 1 - 1,4s; 2 - 2,8s;
A*
2-4
dist2 faalt; 2 - 1,4s; 1 - 2,8s;
A*
5-7
dist7 faalt; 1,2 - 1,4s;
A*
6-9
diff9 faalt; 1,2 - 1,4s;
A*
7-11
ostt7,9 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A*
9-12
ostt7,9 faalt; 1,2 - 1,4s;
1/10 A*
11-14
diff11-18 faalt; 11 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
12-15
diff12-20 faalt; 12 - 0,9s; 7,9 - 1,4s;
A*
16-18
diff11-18 faa1t; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
17-20
diff12-20 faalt; 11,12,18,20 - 0,9s;
A*
18
ostt18 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
20
ostt20 faalt; 11,12,20 - 0,9s;
1/10 A
Beveiligingsconcept 10; C; Spanningsverloop 10kV-rails kortsluiting prim.
spanning - tij d
1-3
OV;
2-4
OV;
5-7
OV - Os: 9, 19kV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
6-9
OV - Os; 9, 19kV - 0,4s; lOkV - 0,9s;
7-11
OV;
8-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
kortsluiting sec.
spanning - tijd
1-3
OV;
2-4
OV;
5-7
OV;
6-9
OV;
7-11
OV;
9-12
OV;
11-14
OV;
12-15
OV;
16-18
OV;
17-20
OV;
18
OV;
20
OV;
