Olkiluodon ydinvoimalaitoksen blokkisuojan uusinta
Juhala, Riku (2020)
Juhala, Riku
2020
Sähkötekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Electrical Engineering, MSc (Tech)
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-04-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202003302963
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202003302963
Tiivistelmä
Olkiluodon ydinvoimalaitokset tuottavat sähköä lähes viidenneksen koko Suomen sähköntuotannosta. Tämä työ käsittelee Olkiluodon ydinvoimalaitoksen blokkisuojan uusintaa. Blokkisuojan suojalaitteiden avulla suojataan päägeneraattoria, pää- ja omakäyttömuuntajia sekä generaattorikiskoa erilaisilta vika- ja häiriötilanteilta. Nykyiset suojalaitteet ovat asennettu voimalaitoksille vuosina 1996–1998. Laitteiden tekninen elinikä on tullut umpeen ja varaosien saatavuus on myös heikentynyt. Suojalaitteiden uusinta on suunniteltava tarkasti, sillä voimalaitoksen komponentit ovat suuria investointeja sekä sähköntuotannon keskeytykset hyvin kalliita. Työssä selvitetään uusinnan kannalta keskeisimmät tekijät sekä pohditaan uusinnan eri vaihtoehtoja. Työssä tarkastellaan voimalaitoksen suojauksen perusteita, vaatimuksia sekä teoriaa. Blokkisuojauksen nykytoteutus käydään läpi, jonka avulla saadaan selville uusinnan rajapinnat sekä liitynnät muihin järjestelmiin. Työn ratkaisuosassa pohditaan uusinnan eri vaihtoehtoja laitetasolla voimalaitoksen suojauksen teorian sekä nykytoteutuksen avulla.
Suojausjärjestelmän kannalta keskeisimmäksi vaatimukseksi nousi luotettavuus ja sen kaksi eri näkökulmaa. Suojauksen täytyy pystyä poistamaan vika, vaikka sen yksi komponentti olisi vioittunut. Tämä saadaan aikaiseksi rinnakkaisilla järjestelmillä ja komponenttien kahdennuksella. Luotettava järjestelmä ei myöskään saa aiheuttaa tarpeettomia laukaisuja. Voimalaitoksen vika- ja häiriötilanteita tutkimalla saatiin selville tilanteiden vaikutukset järjestelmään ja eri komponentteihin. Työssä tarkasteltiin ainoastaan Olkiluodon ydinvoimalaitoksen verkkoliityntäkaavion ja komponenttien mukaista teknistä ratkaisua.
Voimalaitoksen suojauksen teorian sekä nykytoteutuksen toiminnan avulla pohdittiin parannusehdotuksia, jotka pitäisi ottaa huomioon järjestelmän uusinnassa. Uusinnan toteutusvaihtoehdot käsiteltiin laitetasolla. Laitevikaantumisanalyysin avulla esitettiin sopivin ratkaisu suojalaitteille ja suojaustoimintojen sijoittamiselle. Samassa yhteydessä pohdittiin myös staattorin 100 % ja roottorin maasulkusuojauksen kahdentamisen mahdollisuuksia. Toteutusvaihtoehdoissa vertailtiin myös tiedonsiirto- ja kommunikointitapoja sekä laukaisumatriisin toteutusta. Tiedonsiirrossa käsiteltiin IEC 61850 ja IEC 60870-5-103 protokolliin perustuvia ratkaisuja. Laukaisumatriisin osalta vertailtiin fyysisen laitteen ja releisiin ohjelmoitavan matriisin eroja.
Työn avulla pystytään pohtimaan suurien voimalaitosten generaattorin ja blokkimuuntajan suojauksen uusintaan vaikuttavia tekijöitä. Suojauksen teoria soveltuu myös teknisiltä ominaisuuksiltaan samanlaisiin voimalaitoksiin. Suojauksen uusinta täytyy kuitenkin käsitellä tapauskohtaisesti, sillä jokaiselle voimalaitoksella on omat ominaispiirteensä ja vaatimuksensa. Olkiluoto nuclear power plants generate almost one fifth of the Finland's total electricity production. This thesis is focusing on the renewal of the generator-transformer unit protection at Olkiluoto nuclear power plant. Main generator, main and auxiliary transformers and generator busbar are protected by the protection devices of the generator-transformer protection unit from different kind of fault conditions. The present protection devices have been installed during the years 1996-1998. The technical lifetime of devices has come to an end and availability of the spare parts has weakened. Renewal of the protection must be designed carefully because the components of the power plant are big investments and the interruptions of the electricity production cost a lot. The thesis examines the main factors of the renewal and consider different options for the renewal. In the thesis, basics, demands and theory for the protection of the power plant are examined. Generator-transformer unit protection system operation is figured out and with help of that we find out the interfaces and the connections to other systems. Last part of the thesis is focusing on the comparing the different options of the renewal in the device level.
Reliability and its two perspectives became the most important requirement for the protection system. First of all, the protection system must be able to remove the fault even if one of its component is damaged. This is achieved by using redundancy principle and duplication of the components. Other perspective is that protection system shall not cause unwanted trip-ping during the normal operation. By examining the power plant fault and disturbance situations, their effects on the system and the components were identified. In the thesis, only the technical solution according to the network interface diagram and components of the Olkiluoto nuclear power plant was considered.
With help of power plant protection theory and present implementation of the protection system, suggestions for the improvement were considered. These suggestions should be taken into account when modernizing the system. Options of the protection system renewal were considered in device level. The best possible option for the protection relays and protection function were found with the help of device fault analysis. Also, possibilities of the redundancy of stator 100 % and rotor earth fault protection were considered. Other device level options focus on communication method and tripping matrix. Communication solutions are based on IEC 61850 and IEC 60870-5-103 protocols. For the tripping matrix, the difference between physical device and the matrix programmable in the relays were compared.
The thesis provides the main factors to be considered in the renewal of the generator and step-up transformer protection of large power plants. The theory of power plant protection also applies to solutions with similar technical specification. However, the renewal of protection system must be dealt with on a case by case, because each power plant has its own characteristics and requirements.
Suojausjärjestelmän kannalta keskeisimmäksi vaatimukseksi nousi luotettavuus ja sen kaksi eri näkökulmaa. Suojauksen täytyy pystyä poistamaan vika, vaikka sen yksi komponentti olisi vioittunut. Tämä saadaan aikaiseksi rinnakkaisilla järjestelmillä ja komponenttien kahdennuksella. Luotettava järjestelmä ei myöskään saa aiheuttaa tarpeettomia laukaisuja. Voimalaitoksen vika- ja häiriötilanteita tutkimalla saatiin selville tilanteiden vaikutukset järjestelmään ja eri komponentteihin. Työssä tarkasteltiin ainoastaan Olkiluodon ydinvoimalaitoksen verkkoliityntäkaavion ja komponenttien mukaista teknistä ratkaisua.
Voimalaitoksen suojauksen teorian sekä nykytoteutuksen toiminnan avulla pohdittiin parannusehdotuksia, jotka pitäisi ottaa huomioon järjestelmän uusinnassa. Uusinnan toteutusvaihtoehdot käsiteltiin laitetasolla. Laitevikaantumisanalyysin avulla esitettiin sopivin ratkaisu suojalaitteille ja suojaustoimintojen sijoittamiselle. Samassa yhteydessä pohdittiin myös staattorin 100 % ja roottorin maasulkusuojauksen kahdentamisen mahdollisuuksia. Toteutusvaihtoehdoissa vertailtiin myös tiedonsiirto- ja kommunikointitapoja sekä laukaisumatriisin toteutusta. Tiedonsiirrossa käsiteltiin IEC 61850 ja IEC 60870-5-103 protokolliin perustuvia ratkaisuja. Laukaisumatriisin osalta vertailtiin fyysisen laitteen ja releisiin ohjelmoitavan matriisin eroja.
Työn avulla pystytään pohtimaan suurien voimalaitosten generaattorin ja blokkimuuntajan suojauksen uusintaan vaikuttavia tekijöitä. Suojauksen teoria soveltuu myös teknisiltä ominaisuuksiltaan samanlaisiin voimalaitoksiin. Suojauksen uusinta täytyy kuitenkin käsitellä tapauskohtaisesti, sillä jokaiselle voimalaitoksella on omat ominaispiirteensä ja vaatimuksensa.
Reliability and its two perspectives became the most important requirement for the protection system. First of all, the protection system must be able to remove the fault even if one of its component is damaged. This is achieved by using redundancy principle and duplication of the components. Other perspective is that protection system shall not cause unwanted trip-ping during the normal operation. By examining the power plant fault and disturbance situations, their effects on the system and the components were identified. In the thesis, only the technical solution according to the network interface diagram and components of the Olkiluoto nuclear power plant was considered.
With help of power plant protection theory and present implementation of the protection system, suggestions for the improvement were considered. These suggestions should be taken into account when modernizing the system. Options of the protection system renewal were considered in device level. The best possible option for the protection relays and protection function were found with the help of device fault analysis. Also, possibilities of the redundancy of stator 100 % and rotor earth fault protection were considered. Other device level options focus on communication method and tripping matrix. Communication solutions are based on IEC 61850 and IEC 60870-5-103 protocols. For the tripping matrix, the difference between physical device and the matrix programmable in the relays were compared.
The thesis provides the main factors to be considered in the renewal of the generator and step-up transformer protection of large power plants. The theory of power plant protection also applies to solutions with similar technical specification. However, the renewal of protection system must be dealt with on a case by case, because each power plant has its own characteristics and requirements.