Prosessiteollisuuden pienjännitepääkeskuksen suojaus osana teollisuuden jakeluverkkoa
Kurki, Antti (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022061647178
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022061647178
Tiivistelmä
Teollisuusverkon ominaispiirteenä on suuri tehonkulutus maantieteellisesti pienellä alueella, mikä näkyy verkon rakenteessa lyhyinä kaapelipituuksina ja suurina poikkipintoina sekä edelleen suurina oikosulkuvirtoina myös pienjännitepääkeskuksilla. Tässä työssä selvitettiin pienjännitepääkeskuksen suojaukseen vaikuttavia seikkoja ja esiteltiin toimintapa pienjännitepääkeskuksen selektiivisyyden toteamiseen. Tapaustutkimuksessa toimintatapa jalkautettiin erään teollisuuslaitoksen jakeluverkkoon.
Suojauksen haasteiksi havaittiin suuret oikosulkuvirtatasot ja oikosulkuvirtojen pienet erot teollisuusverkon eri osien välillä. Suojauksen selektiivisyydessä hyödynnettävissä olevia oikosulkuvirtaeroja muodostuu lähinnä muuntajien kohdalla jännitetasosta toiseen siirryttäessä. Pienten virtaerojen vuoksi pienjännitepääkeskuksen selektiivisyydessä on käytettävä suojien aikaporrastusta tai energiaselektiivisyyttä virtaselektiivisyyden sijaan. Suuret oikosulkuvirrat puolestaan kasvattavat viassa syntyviä vaurioita, mikä pakottaa nopeaan suojaukseen ja rajoittaa aikaporrastuksen käytön lähinnä varasuojaukseen. Menetelmänä selektiivisyyden tarkasteluun käytetään selektiivisyyskäyrästöä, jolla voidaan todeta suojauksen kattavuus, selektiivisyys ja aikaporrastus myös eri valmistajien tuotteiden välillä.
Tapaustutkimuksessa tarkasteltiin erään teollisuuslaitoksen pienjännitepääkeskuksia selektiivisyyskäyrästön avulla. Tarkasteltavassa verkossa ei havaittu ongelmia pienjännitepääkeskusten ja keskijänniteverkon välillä, mutta pienjännitekeskuksen pääkatkaisijan ja lähtöjen etukojeiden suojauksen selektiivisyys havaittiin ongelmalliseksi, joskin tältäkin osin suojaus oli aukotonta ja nopeaa. Ratkaisuksi ongelmaan esitetään pääkatkaisijan toiminnan hidastamista tai lukituksia katkaisijan ja lähtöjen etukojeiden välille. A typical feature of industrial electricity distribution networks is large power demand inside a geographically small area. Because of this the network consists from short cables with large cross-sectional area. Moreover, the short-circuit currents of the network are large even in the low-voltage switchboards. This thesis focuses on the factors affecting the protection of industrial low voltage main switchboards and a method for determining the selectivity of a low voltage main switchboard is applied to industrial network. In the case review the method is applied to the network of one factory.
The high short-circuit current levels and small differences between short-circuit currents between faults occurring in different parts of the network was found challenging. The short-circuit current differences that can be utilized in the selectivity of the protection are mainly formed at the transformers when switching from one voltage level to another. Because of the small current differences, the selectivity of the low-voltage switchgear must use time staggering or energy selectivity instead of current selectivity. The high short circuit currents make fast tripping times a priority, which limits the use of delays mainly for back-up protection. The method for examining selectivity, a time-current curve is used, which can be used to determine the coverage, selectivity and time staggering between different products of different manufacturers.
In the case review low-voltage main switchboards of one industrial plant were analyzed with the figure described above. No problems were detected between the protection devices of the medium and low-voltage networks, but the selectivity between the feeder and load circuit breakers of the main low-voltage switchboard was found problematic. Increasing the tripping time of the feeding circuit breaker or interlock between the circuit breakers is proposed as solution.
Suojauksen haasteiksi havaittiin suuret oikosulkuvirtatasot ja oikosulkuvirtojen pienet erot teollisuusverkon eri osien välillä. Suojauksen selektiivisyydessä hyödynnettävissä olevia oikosulkuvirtaeroja muodostuu lähinnä muuntajien kohdalla jännitetasosta toiseen siirryttäessä. Pienten virtaerojen vuoksi pienjännitepääkeskuksen selektiivisyydessä on käytettävä suojien aikaporrastusta tai energiaselektiivisyyttä virtaselektiivisyyden sijaan. Suuret oikosulkuvirrat puolestaan kasvattavat viassa syntyviä vaurioita, mikä pakottaa nopeaan suojaukseen ja rajoittaa aikaporrastuksen käytön lähinnä varasuojaukseen. Menetelmänä selektiivisyyden tarkasteluun käytetään selektiivisyyskäyrästöä, jolla voidaan todeta suojauksen kattavuus, selektiivisyys ja aikaporrastus myös eri valmistajien tuotteiden välillä.
Tapaustutkimuksessa tarkasteltiin erään teollisuuslaitoksen pienjännitepääkeskuksia selektiivisyyskäyrästön avulla. Tarkasteltavassa verkossa ei havaittu ongelmia pienjännitepääkeskusten ja keskijänniteverkon välillä, mutta pienjännitekeskuksen pääkatkaisijan ja lähtöjen etukojeiden suojauksen selektiivisyys havaittiin ongelmalliseksi, joskin tältäkin osin suojaus oli aukotonta ja nopeaa. Ratkaisuksi ongelmaan esitetään pääkatkaisijan toiminnan hidastamista tai lukituksia katkaisijan ja lähtöjen etukojeiden välille.
The high short-circuit current levels and small differences between short-circuit currents between faults occurring in different parts of the network was found challenging. The short-circuit current differences that can be utilized in the selectivity of the protection are mainly formed at the transformers when switching from one voltage level to another. Because of the small current differences, the selectivity of the low-voltage switchgear must use time staggering or energy selectivity instead of current selectivity. The high short circuit currents make fast tripping times a priority, which limits the use of delays mainly for back-up protection. The method for examining selectivity, a time-current curve is used, which can be used to determine the coverage, selectivity and time staggering between different products of different manufacturers.
In the case review low-voltage main switchboards of one industrial plant were analyzed with the figure described above. No problems were detected between the protection devices of the medium and low-voltage networks, but the selectivity between the feeder and load circuit breakers of the main low-voltage switchboard was found problematic. Increasing the tripping time of the feeding circuit breaker or interlock between the circuit breakers is proposed as solution.