Suojautuminen sähköverkon häiriön aiheuttamalta vaihekatkokselta Loviisan voimalaitoksella
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2019-03-11
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
fi
Pages
79 + 4
Series
Abstract
Ydinvoimalaitoksilla on raportoitu useita tilanteita, joissa vaihekatkos on aiheuttanut laitoksen turvallisuudelle tärkeiden laitteiden toimimattomuutta. Vaihekatkokset ovat tilanteita, joissa syöttävän sähköverkon kolmesta vaiheesta yksi tai kaksi vaihetta on avoinna. Tämä aiheuttaa sähköjärjestelmässä verkkoon kytketyille laitteille haitallista epäsymmetriaa. Vaihekatkos on osoittautunut vaikeaksi havaita nykyisillä käytössä olevilla sähköjärjestelmän suojalaitteilla, eikä suojauksella ole kyetty poistamaan vikaa verkosta. Tämän työn tavoite on selvittää vaihekatkoksen vaikutukset Loviisan ydinvoimalaitoksella ja arvioida käytössä olevien suojalaitteiden sopivuutta vaihekatkoksen havaitsemiseksi. Vaihekatkoksen vaikutuksiin voimalaitoksen sisäisessä sähköverkossa vaikuttaa erityisesti sähköjärjestelmää syöttävät muuntajat sekä verkkoon kytketty moottorikuorma. Vaihekatkoksen aikana vaihejännitteet voivat säilyä voimalaitoksen sisäsisessä sähköjärjestelmässä lähes normaalia vastaavina esimerkiksi muuntajan kolmiokytkennän tai verkkoon kytketyn moottorikuorman takia. Tällöin vaihekatkos on vaikeaa havaita käytössä olevilla suojalaitteilla, eikä vikaantunutta verkkoa välttämättä tunnisteta. Vaihekatkoksen vaikutuksien selvittämistä varten Loviisan voimalaitoksen sähköjärjestelmä on mallinnettu Simulink®-ohjelmalla. Mallia simuloimalla selvitettiin vaihekatkoksen aikaisia vaihejännitteitä ja virtoja laitoksen sähköjärjestelmässä, joiden avulla arvioitiin suojalaitteiden toimivuutta. Simuloinneilla selvitettiin myös verkkoon kytkettyjen moottoreiden käytettävyyttä. Simuloinnit kattavat yksi- ja kaksivaiheiset katkokset laitosta syöttävissä 110 kV:n sekä 400 kV:n verkoissa. Simuloitavat tilanteet rajattiin laitoksen vuosihuollon aikaisiin käyntitiloihin, joiden aikana laitoksen päägeneraattorit eivät syötä omakäyttökuormia. Simulointien tuloksista selviää, että 110 kV:n verkossa tapahtuvat vaihekatkokset havaitaan laitoksella käytössä olevien suojalaitteiden avulla kaikissa simuloiduissa tilanteissa mutta vaihekatkosta 400 kV:n verkossa ei havaita kaikissa tapauksissa. Tällöin yksivaiheisen katkoksen vaikutukset ovat kuitenkin hyvin pienet ja kaksivaiheinen katkos havaitaan suuria moottorikuormia käynnistettäessä. Suojautumista voidaan kehittää parantamalla laitoksen epäsymmetriasuojausta sekä lisäämällä virtamittaukset laitokselta lähteviin siirtolinjoihin.There have been several open phase conditions (OPCs) in nuclear power plants (NPPs) in which the condition has caused failure in safety related electrical systems. OPC is defined as a situation where one or two phases of the feeding three phase system are disconnected. This condition causes the network to become unbalanced which can be very harmful to connected equipment. Operating experience has shown that this condition may be difficult to detect using existing on-site protection systems. The objective of this thesis is to study the effects of OPC on Loviisa NPP, and to evaluate the suitability of the existing on-site protection scheme for this condition. The impact of OPC on the on-site power system depends heavily on transformers used to connect on-site and off-site networks. During OPC, phase voltages in the on-site network can be almost the same as before the fault when, for example, the transformer has a delta-connected secondary, which supports phase voltages. Additionally, the back-EMF of online induction motors in the on-site power system can support the network. Therefore, OPC can be very difficult to detect using existing undervoltage detection scheme. To study the effects of OPC on Loviisa NPP, the on-site power system has been modeled using Simulink®. Simulation results are used to determine phase voltages and currents in the on-site network and to study motor behavior during OPC. This study covers single and double OPCs in both 400 kV and 110 kV transmission lines. The focus of the simulations is the annual outage of Loviisa NPP, during which main generators are offline and are therefore not able to support the on-site network. The simulated results show that OPC during outage will be detected by the existing protection scheme or, if not, it doesn't have a significant influence on the on-site power system. When single or double OPC occurs in the feeding 110 kV transmission line, the existing protection scheme will detect the fault in all simulated scenarios. If OPC occurs in the feeding 400 kV transmission line, the influence is minor in a case of single OPC. In a case of double OPC, the condition can be detected as an undervoltage during the start-up of heavy motor loads. The detection of single and double OPCs can be improved by using additional unbalance relays in on-site network and phase current measurements in off-site transmission lines.Description
Supervisor
Lehtonen, MattiThesis advisor
Kanerva, AriKeywords
vaihekatkos, OPC, simulointi, mallinnus