Thermal overload protection and automated protection relay setting value calculations for high voltage asynchronous motors

Abstract

High voltage asynchronous, i.e. induction, motors are popular in various industrial processes and applications. They are popular because of the simple operating principle and easy formability for various application requirements. As the rated power of a motor increases, so does the expectation of reliability. Thus, costly and prolonged process stoppages due to motor failure should be avoided. However, motors are exposed to many different disturbances during their lifetime. Usually, a disturbance will result in high thermal stress, resulting in damage to motor insulation and shortening motor lifetime. Potential motor disturbances are detected at the earliest possible stage by protection relays, which are used to prevent possible motor failures.

The main focus in this thesis is on automating the protection setting value calculations for high voltage asynchronous motor protection. Nowadays, the calculations require knowledge of setting value calculations and time. As a solution, calculation applications were developed using Matlab and Octave software. Different calculation applications were developed for different ABB units. The calculation applications automatically calculate the protection relay setting values by utilizing the motor performance data and user-defined values. Finally, the applications will store the calculated protection relay setting values on a ready-made report template.

Additionally, this thesis studies how to improve ABB motor protection relays' thermal overload protection. The study presents five different development proposals to improve ABB motor protection relays' motor thermal overload protection model. The first proposal seeks to take advantage of the RTD measurements and bring additional functionality to the current-based thermal overload protection. The second proposal aims to consider the asynchronous machine's slip when calculating the rotor's thermal overload. The third proposal allows starting high inertial loads better by modifying the motor's thermal limit curves. The fourth proposal is to provide a new opportunity to identify a locked-rotor situation during motor start-up from the motor's impedance. The fifth proposal introduces a fourth thermal time constant that considers the motor cooling after overloading the situation when the motor is still running.

Suurjännitteiset epätahti- eli induktiomoottorit ovat suosittuja teollisuuden eri prosesseissa ja sovelluksissa. Niiden suosion perustana on niiden yksinkertainen toimintatapa ja helppo muokattavuus eri käyttötarkoituksiin. Moottorikoon kasvaessa kasvaa myös moottorin toimintavarmuuden odotus. Moottorin vikaantumisesta johtuvia kalliita ja pitkäkestoisia prosessien seisahduksia halutaan välttää. Moottorit joutuvat kuitenkin alttiiksi useille eri häiriöille elinkaarensa aikana. Usein häiriötilanteen seurauksena moottoriin aiheutuu suurta termistä rasitusta, mikä edesauttaa moottorin eristeiden ennenaikaista vanhenemista, joka lyhentää moottorin elinikää. Moottorin mahdolliset häiriöt pyritään havaitsemiseen mahdollisimman aikaisessa vaiheessa suojareleleillä, joilla pyritään estämään moottorin vikaantumisia.

Tässä opinnäytetyössä päätavoite on automatisoida suurjännitteisten epätahtimoottoreiden suojaukseen tarkoitettujen suojareleiden asetteluarvojen laskenta. Nykyisin laskenta vaatii paljon kokemusta asetteluarvojen laskennasta ja aikaa. Ratkaisuna kehitetään laskentatyökalut käyttäen Matlab:n ja Octave:n sovelluksia. Eri laskentatyökalut kehitetään eri ABB yksiköiden käyttöön. Molemmat laskentatyökalut laskevat suojareleiden asetteluarvot automaattisesti moottorin suorituskykytietojen ja käyttäjän määrittämien arvojen perusteella. Lopuksi sovellukset tulostavat suojareleen asetteluarvot valmiille raporttipohjalle.

Lisäksi tässä opinnäytetyössä tutkitaan, miten ABB:n moottorisuojareleiden moottorin termistä ylikuormitussuojausta voitaisiin parantaa. Tutkimuksen lopputuloksena esitetään viisi eri kehitysehdotusta. Ensimmäinen ehdotus pyrkii hyödyntämään nykyistä enemmän RTD-lämpötilamittauksia ja täten tuomaan lisätoiminnallisuuksia nykyisin käytössä olevalle virtapohjaiselle moottorin termiselle ylikuormitussuojaukselle. Toinen ehdotus pyrkii ottamaan huomioon epätahtikoneen jättämän laskettaessa roottorin termistä ylikuormitusta. Kolmas ehdotus sallii suuri-inertisten kuormitusten käynnistyksen entistä paremmin muokkaamalla moottorin termisiä lämpörajakäyriä. Neljäs ehdotus tarjoaa uuden mahdollisuuden tunnistaa lukkiutuneen roottorin moottorin impedanssista käynnistystilanteessa. Viidentenä ehdotuksena on ottaa käyttöön terminen aikavakio, joka ottaa huomioon käyvän moottorin jäähtymisen ylikuormituksen jälkeen.