110 kV:n päämuuntajalähtöjen suojausselvitys Kymijoen vesivoimalaitoksilla

Abstract

Sähkövoimajärjestelmän relesuojaus on merkittävässä roolissa koko voimajärjestelmän luotettavan ja turvallisen käytön varmistamisessa. Suojauksen on oltava jatkuvasti toimintakuntoinen ja valmiina erottamaan vikaantuneet verkon osat muusta verkosta. Jotta voidaan varmistua suojauksen toimivuudesta, on suojausasetteluiden oltava oikeanlaiset. Suojausasetteluiden tulee suojata suojausalueensa erilaisia vikoja vastaan kaikissa verkon kytkentätilanteissa. Määräaikaisissa relekoestuksissa koestetaan suojareleiden toiminta, mutta asettelujen oikeellisuus ja ajantasaisuus ovat verkon haltijan vastuulla.

Tässä insinöörityössä keskityttiin UPM Kymmene Oyj, Energian Kymijoen vesivoimalaitosten Voikkaan, Kuusankosken ja Keltin 110/10,5 kV:n päämuuntajasuojauksiin. Päätavoitteena oli tarkastaa ja korjata relekoestuksissa havaitut puutteet sekä tarkastaa ja päivittää asetteluiden oikeellisuus nykyhetken kuormilla. Samalla tarkastettiin standardien sekä dokumentoinnin oikeellisuus ja alettiin tehdä suur- ja keskijänniteverkkojen yhteistä suojauskaaviota. Työn ulkopuolelle jätettiin johto-osuuksien suojaus ja maasulkusuojaus, jotka lisätään suojauskokonaisuuteen ja UPM Energian käyttöön myöhemmin.

Tehomuuntajien sekä suojalaitteiden teoriaan perehdyttiin ja koottiin riittävä määrä materiaalia selvitystyön lähtötiedoiksi. Muuntajille luotiin muuntajakortit ja suojausasetteluja vertailtiin eri menetelmillä niin toisiinsa kuin muihin vastaaviin muuntajasuojiin. Teoriaan pohjautuen koottiin muutosehdotukset ja kerrottiin taustat, jotka johtivat näihin ehdotuksiin.

Työn tuloksena saatiin konkreettisia muutosehdotuksia suojausasetteluihin ja suojalaitehankintoihin. Lisäksi työ käynnisti muita tarpeellisia suojausselvityksiä kohti ajantasaista voimansiirtoverkon suojausta. Kokonaisuutena työ oli onnistunut ja opetti paljon muuntajasuojauksesta, suojareleistä, dokumentoinnista ja voimalaitoksen liittymisestä sähkövoima-järjestelmään.

The protection of electrical power system has a crucial role in making the whole power system reliable and safe. Ideally protection should be operational, continuous and be ready for cutting off the failure parts selectively from the working system. It is important to configure the right settings for the protection relays. The settings have to be prepared for all switching situations and for protecting its own area from different kinds of failures. By periodic relay testing the actions of the relay is tested, but the power system holder is responsible for protective settings.

The focus of this thesis was 110/10 kV main transformer protection in UPM Kymmene Oyj Energy hydropower plants Voikkaa, Kuusankoski and Keltti along the Kymijoki river. The main goal was to check and correct the deficiencies of the relay testing conducted in summer 2015 and furthermore to check and update the settings for relays according to the power burden nowadays. During the process, the validation of standards and documents were checked. In addition, creation of a protection diagram of high- and medium voltage systems was started. The protection of 110 kV power lines and the earth fault protection were not part of this thesis, but will be added to UPM Energy protection package later.

The theory of power transformers and protection devices was reviewed first and the materials and the initial data for the analysis were collected. Then the transformer cards were made with all the necessary information. The protection settings were compared with different techniques and with different transformers. According to the theory and tests, suggestions for setting changes were collected and the backgrounds were clarified.

The results of this thesis are concrete suggestions for protection setting changes and future purchases of devices. The project started also a few other important protection analyses. The project was a success and gives a lot of information on transformer protection, protection relays, documentations and about joining a power plant to a power system.