Kort reläskyddshistoria

Början på reläskyddets utvekling går tillbaka ända till första halvan på 1800-talet. I en rapport från den Franska vetenskapsakademin beskrev fransmanen Breguet utseendet på tunna ledare nära telegrafstationer efter ett åsknedslag. Han såg att de tunna ledarna hade upplösts efter åsknedslaget och lämnade endast spår av vad som en gång funnits där.

Breguets rapport, daterad den 3 maj, 1847, uppgav att "... för att skydda apparater och särskilt för att skydda de anställda i stationen rekommenderar jag användningen av elektriska ledare, 3-4 mm i diameter, gjorda av järn och vilka placeras 5-6 m från apparaterna." Rapporten fortsatte, "Vi ansluter trådar av större diameter med samma metalliska beteende till de tunnare ledarna. Detta gör att endast den mängd ström som kan flytta genom den tunna tråden som kan föras vidare till stationerna. Vid en felström kommer trådsäkringen att bryta strömmen utanför byggnaden, inte inne." Breguet rapport anses vara födelsen av smältsäkringen.

I de distributionsnät föreslagna av Edison och hans företag för elektriskta belysningssystem använde sig av smältsäkringar. På 1880-talet användes remsor av bly i säkringen (”Edison Lead Switch”)

Det kommunala energibolaget i Hannover ett av första dokumenterade tillfälle där det införts färgkoder för identifiering av säkringar år var 1910. Energibolaget hade specificerat hur säkringar skulle användas på varje ledning för att uppnå selektivitet i deras system. I ett försök att göra det enklare att komma ihåg säkringssorlekarna använde myndigheterna i Hannover färgkoder baserade på färgen på frimärken utfärdade av det tyska postverket.





År 1904 föreslogs idén om tidsfördröjda självåterkopplande säkringar. Denna teknik används ofta i dag i mellan- och högspänningsnät och kallas automatisk återinkoppling eller återinkoppling.

Den första reläet för skyddsändamål föreslogs av Lewis B. Stillwell år 1900 dess tillämpning var dock begränsad eftersom det inte fanns några tillförlitliga brytare för att bryta av kortslutningsströmmar vid den tidpunkten.

ASEA utvecklade i början på 1900-talet överstömsenheter inbyggda i högspänningsbrytare. Det första överstömsskyddet från ASEA inverttidkarakteristik kom 1905.
RI-reläet som fortfarande är vanligt förekommande anläggningar utvecklades 1918 och är ett så kallat elektromekaniskt relä. Tillverkningen av RI-relät upphörde först år 1985. Det bygger i korthet på att en ström som passerar en spole lindad runt en järnkärna alstrar en kraft som är proportionell mot strömmen i kvadrat. Genom att kombinera flera spolar som matas av olika strömmar samt använda rörliga spolar kan man med elektromekaniska komponenter även konstruera riktade skydd, differential skydd och distansskydd. Främst under 20-talet introducerads flera olika nya reläer som känsliga jordfelsskydd, diffrentialskydd,
frekvensskydd, termiska skydd, tidur m.m.



Fig 1. ASEA, RI-relä, (utan skyddskåpa)

Första distansskyddet från ASEA introducerades på 40-talet, RYZK vilket slutade tillverkas först 1985. På 30-talet introducerades första plug-in-systemet vilket kallades RR.
Eftersom energin till reläskydden tas från mätstorheterna fås en hög effektförbrukning som kan uppgå till 10VA per fas.

Elektromekaniska skydd har oftast dåliga återgångsvärden, funktionstiden är lång och tiden kan variera väldigt mycket. För att minska effektförbrukningen kan separata tidreläer användas.

I mitten på 60-talet började statiska reläskydd utvecklas med hjälp av elektronik som transistorer och dioder. Utvärderingen av mätstorheterna sker fortfarande i analog form men transformeras ner på en nivå där elektroniken kan behandla dem. I alla statiska reläskydd måste ingången separeras galvaniskt från mättransformatorerna för att skydda elektroniken från skadliga transienter. Den statiska teknologin möjliggjorde nya funktioner och lägre effektförbrukning, mindre utrymmeskrav och bättre långtidsstabilitet.

På 60-talet introducerades även det nya plug-in-systemet Combiflex, vilket ersatte det gamla RR-systemet. Både elektromekaniska, statiska, och numeriska skydd har implementerats under årens lopp.
Exempel på statiska skydd RACIC (ledningsskydd), RAZOA (distansskydd), RADSS.

Utvecklingen av mikroprocessortekniken gjorde att på 1980-talet började numeriska skydden ersätta de statiska. Till att börja med kom hybrider ut där mikroprocessortekniken fördes in i de statiska skydden, t.ex. RACID, RACIF.



Fig 2. ASEA, RACIB, monterat på ASEA COMBIFLEX-system

I de numeriska skydden omvandlas den analoga signalen via en A/D omvandlare till ett rent siffervärde i form av binär kod genom att sampla mätvärdet med en samplingsfrekvens på ca 10-40ggr per period. Den numeriska tekniken med mikroprocessorer har möjliggjort en större intergering där de funktioner som tidigare krävde ett flertal reläskåp nu ryms i en liten låda.
Exempel på mikroprocessorbaserade skydd är SPAA, SPAJ ur SPACOM-serien, RAHL, Siemens Siprotec-serie, ABB 500-serie och ABB 600-serie.



Fig 3. Modernt ABB skydd för linjefack, REF 620


(Lit. Elkraftsystem 1, Liber, 1997; Kurslit SIFU Reläskyddskurs 2005, 100 years of relay protection, the Swedish ABB relay history, ABB, PAC-World summer 2007)

Figur 1 och 2 från gamla manualer.
Figur 3, abbmvit.blogspot.se/2013_01_01_archive.html

Kopplingen till frimärkens färg har jag aldrig sett förr, finns alltid något samband långt bak i dimmorna. Och de tidiga reläerna, ännu mer ursprungliga än de mer industriellt tillverkade ASEA RI var rena konstverk instrumenttekniskt, hantverksmässigt.

När vattenkraftverket i Untra byggdes under första världskriget ställdes man inför ett speciellt reläskyddsproblem. Transformatorerna skulle ju ha differentialskydd, men ingen svensk tillverkare klarade av att göra strömtransformatorer för 100 kV. Pga kriget var det också omöjligt att importera strömtransformatorer.
Lösningen blev att göra ett differentialrelä där mätorganet för 100 kV-sidan (en ferrarisskiva) ställdes upp isolerat på en stödisolator och sedan användes en lång isolerande axel (troligen en porslinsstång) för att överföra dess vridmoment till den den andra sidans mätorgan och utlösningskretsarna.
Det finns beskrivet i ett nummer av Teknisk Tidskrift från ca 1919, det verkar inte som om den har hunnit bli inscannad på runeberg.org än.

Vad är ett differentialskydd ?

Claes Börjesson skrev: Vad är ett differentialskydd ?

Ett skydd som mäter differentialströmmen mellan 2 eller flera punkter, exempelvis mellan upp och nedsidan på en transformator. Så länge transformatorn är felfri så går lika mycket in i transformatorn som går ut när skillnaden i ström skiljer över inställt värde löser skyddet (givetvis måste hänsyn tas till omsättning, förluster och mätfel mm).
Detta är ett mycket känsligt skydd och kan detektera mycket små felströmar som kan uppstå i transformatorn pga tex lindningskortslutning.

Ett annat ställe där differentialskydd är vanliga är på samlingsskenor i högspänningsställverk och längs en kabel eller luftledning, brukar då kallas längsdifferentialskydd. I det sistnämnda krävs även någon form av kommunikation mellan ledningsändarna exempelvis radio, opto eller vanlig koppartråd.

Mikael Malmgren skrev:

Claes Börjesson skrev: Vad är ett differentialskydd ?

Ett annat ställe där differentialskydd är vanliga är på samlingsskenor i högspänningsställverk och längs en kabel eller luftledning, brukar då kallas längsdifferentialskydd. I det sistnämnda krävs även någon form av kommunikation mellan ledningsändarna exempelvis radio, opto eller vanlig koppartråd.

Vilka är fördelarna med längsdifferentialskydd på samling skenor?

Undrar också hur riktade jord eller överströmsskydd funkar?

Mikael Malmgren skrev:

Claes Börjesson skrev: Vad är ett differentialskydd ?

Ett skydd som mäter differentialströmmen mellan 2 eller flera punkter, exempelvis mellan upp och nedsidan på en transformator. Så länge transformatorn är felfri så går lika mycket in i transformatorn som går ut när skillnaden i ström skiljer över inställt värde löser skyddet (givetvis måste hänsyn tas till omsättning, förluster och mätfel mm).
Detta är ett mycket känsligt skydd och kan detektera mycket små felströmar som kan uppstå i transformatorn pga tex lindningskortslutning.

Är detta för att man i mycket tidigt stadium vill få indikationer om begynnande fel innan det blir dyrt/omöjligt att reparera?
Annars låter det lite "sådär" att t.ex. en hel stad matas genom ett "mycket känsligt skydd".

Fördelen med längsdifferentialskydd på samlingsskenor är att det kan lösa ut omedelbart, utan tidsfördröjning, vid en samlingsskenekortslutning. Om man skulle lita till bara överströmsskydd så måste ju de ha en viss fördröjning för att man ska få selektivitet i nätet, och med stora kortslutningseffekter kan man få stora skador i ställverket innan ett sådant skydd hinner lösa ut.

Riktade jordfels- eller överströmsskydd mäter fasläget mellan spänning och ström för att avgöra effektriktningen.

Electrum skrev:

Mikael Malmgren skrev:

Claes Börjesson skrev: Vad är ett differentialskydd ?

Ett skydd som mäter differentialströmmen mellan 2 eller flera punkter, exempelvis mellan upp och nedsidan på en transformator. Så länge transformatorn är felfri så går lika mycket in i transformatorn som går ut när skillnaden i ström skiljer över inställt värde löser skyddet (givetvis måste hänsyn tas till omsättning, förluster och mätfel mm).
Detta är ett mycket känsligt skydd och kan detektera mycket små felströmar som kan uppstå i transformatorn pga tex lindningskortslutning.

Är detta för att man i mycket tidigt stadium vill få indikationer om begynnande fel innan det blir dyrt/omöjligt att reparera?
Annars låter det lite "sådär" att t.ex. en hel stad matas genom ett "mycket känsligt skydd".

Precis. Om man väntar länge med att lösa ut en transformator som har ett begynnande fel (t ex kortslutet varv i någon lindning) så brukar det sluta med oljebrand. Och då blir det inte bara frågan om kostnaden att byta transformator utan förmodligen andra skador på anläggningen, saneringskostnader mm innan det hela är klart.

Differentialskydd för transformatorer brukar ställas in så de är "lagom" okänsliga för att inte reagera på transformatorns normala tomgångsström eller andra förluster, inte ens om de någon gång är ovanligt höga t ex beroende på överbelastning, överspänning på nätet, osymmetri, övertoner etc. Ofta har de en fördröjningsfunktion så att de är ännu okänsligare de första sekunderna efter spänningssättning av transformatorn, detta för att inte råka lösa ut för tillslagsströmstöten.
Det är ju ganska sällan en hel stad matas via en enda transformator. Om transformatorn är så stor och dyr att den är värd att skydda med differentialskydd, så har man förmodligen ändå två parallellkopplade och då klarar man driften även om den ena skulle lösa ut.

Värt att nämna historiskt nu när differentialskydd för transformatorer, ledningar och maskiner varit uppe är det klassiska Buchholzreläet som skyddar oljeisolerade transformatorer. En ganska sinnrik apparat som fångar gas vid mindre fel och ger varning, steg två skyddar vid kraftigare inre fel som ger mer skjuts ut och då även kan lösa ut brytarna.

Lite oegentligt med ordet relä kanske där vi nu ofta ser på det som den elektromekaniska varianten, men tidigt använt för de flesta apparater där någon annan storhet utlöste funktion i tex manöverkretsar.

Tomas Karlsson skrev: Värt att nämna historiskt nu när differentialskydd för transformatorer, ledningar och maskiner varit uppe är det klassiska Buchholzreläet som skyddar oljeisolerade transformatorer. En ganska sinnrik apparat som fångar gas vid mindre fel och ger varning, steg två skyddar vid kraftigare inre fel som ger mer skjuts ut och då även kan lösa ut brytarna.

Lite oegentligt med ordet relä kanske där vi nu ofta ser på det som den elektromekaniska varianten, men tidigt använt för de flesta apparater där någon annan storhet utlöste funktion i tex manöverkretsar.

Får väl säga att Buchholzreläet eller gasvakten som det också kallas är huvudskyddet för internfel i en transformator (oljeisolerad), historiskt har differentialskydden varit mycket dyra och nästa bara använts på större transformatorer, dvs över 40 MVA. Så är det i alla fall här i södra Sverige.

Torbjörn Forsman skrev: Fördelen med längsdifferentialskydd på samlingsskenor är att det kan lösa ut omedelbart, utan tidsfördröjning, vid en samlingsskenekortslutning. Om man skulle lita till bara överströmsskydd så måste ju de ha en viss fördröjning för att man ska få selektivitet i nätet, och med stora kortslutningseffekter kan man få stora skador i ställverket innan ett sådant skydd hinner lösa ut.

Riktade jordfels- eller överströmsskydd mäter fasläget mellan spänning och ström för att avgöra effektriktningen.

Kan ju dock säga att det är långt ifrån alla samlingsskenor i regionnätet som är skyddade av ett samlingsskenskydd (=differentialskydd), nu har jag bara erfarenet från Södra Sverige. Huvudskydden här är (ledingarnas) distansskydd (impedansmätande) och 4-stegs jordfelsskydd och så länge dessa klarar att lösa ut vid fel på även samlingsskena utan att göra för stora hål så finns det inget samlingskenskydd.