Detta examensarbete har utförts på uppdrag av Sandviken Energi Elnät AB, i syfte att kontrollera och uppdatera selektivplanerna för en utav deras mottagningsstationer. Tidigare reläskyddsinställningar för stationerna på nätet är något som följt med sedan gammalt och insyn i huruvida dessa stämt överens med de verkliga förhållandena har saknats. Data för arbetet har samlats in främst från Sandviken Energis kartsystem Meldis vad gäller ledningslängder, transformatordata och underliggande nät. Data har även samlats in från tidigare selektivplansberäkningar på det aktuella nätet samt de aktuella reläskyddsinställningarna. I arbetet så förklaras de grundläggande principerna för reläskyddsteori, aktuella regler och standarder inom ämnet samt grundprinciperna för selektivitet. Arbetet förklarar även de beräkningar som behöver genomföras för att kunna ta fram styrparameterar att använda vid framtagning utav reläskyddsinställningar. Beräkningar för kortslutningsströmmar i nätet har skett enligt SS-EN 60909-0 och har genomförts i Excel. Utifrån de framräknade maximala och minimala kortslutningsströmmar, samt insamlad data över nätet har ett förslag för nya reläskyddsinställningar tagits fram. Dessa sammanställs i log-log diagram för att kunna ge en snabb överblick av selektiviteten i anläggningar samt en tabell med samtliga inställningar. Resultatet visar på att de tidigare reläskyddsinställningarna uppvisar brister, då kortslutningsinställningarna i vissa fall skiljt sig mer än 1000 ampere mot för lägsta förekommande kortslutningsströmmar. De framtagna inställningsförslagen kan dock inte tillämpas direkt, då resultaten pekar på att liknande fel förekommer i underliggande stationer, vilket behöver ses över innan nya inställningar kan implementeras. / This thesis project has been carried out on behalf of Sandviken Energi Elnät AB, in oder to verify and update the selectivity coordination for one of their receiving stations. Current settings for the relay protection system in the station is mostly old settings, inherited since old, and Sandviken Energi has been lacking insight into whether the settings are consistent with regard to the actual conditions in the network. Data has been collected mainly from Sandviken Energi’s GIS-system, Meldis in terms of line lengths, transformer data and details about the underlying network. Data has also been collected from previous coordination calculations as well as the current relay settings. In the project the basic principles of relay protections theory, current laws, regulations and standards on the subject as well as basic selectivity principles are explained. The project also details the calculations that must be performed in order to produce relevant control parameters to use when detailing the settings for the protective relays. Calculations of the short-circuit currents in the network has been made in accordance with SS-EN 60909-0 and has been implemented using Excel. Based on the calculated maximum and minimum short-circuit currents as well as the previously collected network data, a draft for new relay settings has been developed. These settings are compiled in log-log graphs over current and time to provide a quick overview of the selectivity coordination in the facilities as well as a table containing a list of all proposed settings. The results of the project indicate that the previous relay settings are inadequate, as the short-circuit settings in some cases differ more than 1000 amperes from the lowest occurring short-circuit currents. However, the proposed settings cannot be applied immediately as the results also indicated that similar errors exists in the underlying stations as well, which needs to be reviewed before implementing changes to ensure proper protective function.

Målsättningen med detta examensarbete har varit att kontrollera och uppdatera selektivplan för en del av Boliden Rönnskärs 30 kV nät (”Blå-nät”). Syftet är att jämföra dessa beräkningar med tidigare genomförda selektivplaner, med hänsyn taget till ny data och förändringar i nätet. Dessutom har kabeldata uppdaterats gällande maximal kontinuerlig belastning. Data har samlats in dels från tidigare, mer omfattande selektivplanberäkningar, dels som ny data avseende matningstransformatorer och det överliggande nätet. Reläskyddsinställningar har sammanställts i form av log-log diagram för att ge en enkel överblick av selektiviteten i anläggningen. Impedansdata för komponenter samt reläskyddsinställningar redovisas i Excel-dokument. Felströmsberäkningar har genomförts i enlighet med SS-EN 60909-0 där fokus har legat på att ta fram underlag för maximala respektive minimala kortslutningsströmmar. Kortslutningsberäkningar är genomförda i MATLAB. Resultatet visar ett flertal fall där selektivitet bör ses över i nätet, särskilt där skydd ligger i varsin ände av kabeln. Selektivplanberäkningar redovisas med hänsyn till de två olika scenarier som det matande nätet beskrivs befinna sig i. Slutsatser och rekommendationer ges för framtida arbeten samt en sammanställning av parametrar som bör uppmärksammas vid ändring av reläinställningar. / The goal of this thesis project is to check and update the selectivity coordination for a part of the Boliden Rönnskär’s 30 kV network. The purpose of the project is to compare the new calculations with the earlier version of such coordination, with particular respect to new data and changes in the network itself. Furthermore, cable data concerning maximum continuous load has also been updated. Data has been gathered partly from earlier selectivity calculations with a broader coverage, and partly as new data regarding the conditions of the feeding network and subsequent power transformers. Relay protection settings have been compiled into log-log diagrams in order to give a simple overview of the coordination in the industrial plant. Data for impedances of the components and the relay protection settings are summarized in an Excel document. Fault current calculations have been made in accordance with IEC-60909-0, where the main focus was aimed towards maximum and minimum short circuit currents. Short-circuit calculations have been made in MATLAB. The results show several cases where the selectivity coordination should be reconsidered, especially where the relays are located at the respective end of the feeding cables. The selectivity coordination calculations are presented for the two different operating scenarios of the feeding network. Parameters that should be considered when relay settings are to be modified are presented together with conclusions and recommendations for future work.

Detta examensarbete är utfört på uppdrag av Rejlers Ingenjörer i Göteborg. Syftet med arbetet är att genom en projektering övergripande presentera utförandet, komponenter, funktioner, ekonomi och situationsplaner för två förslag på stationsutformningar i samband med en ombyggnation och utvidgning av en transformatorstation. Transformatorstationen har i nuläget två spänningsnivåer på 40 kV och 10 kV. I samband med ombyggnationen skall stationen kompletteras med ytterligare en spänningsnivå på 20 kV, för anslutning av ett antal vindkraftverk. För att anläggningen skall uppfylla grundläggande krav, utförs projekteringen genom att sortera och sammanställa relevant information från gällande föreskrifter, standarder och tekniska riktlinjer. Vidare inhämtas ytterligare information från litteratur, kataloger, produktblad och muntlig kontakt med uppdragsgivaren. I arbetet presenteras två förslag på stationsutformningar i enlighet med syftet. Stationens högspänningsapparater dimensioneras och presenteras, och dess reläskyddsfunktioner identifieras. I båda alternativen är transformatorerna placerade utomhus med en stationsbyggnad som rymmer 10 kV-, 20 kV-ställverket, ett batterirum och ett kontrollrum. Skillnaden mellan alternativen ligger främst i att ett av alternativen har ett utomhusbyggt luftisolerat 40 kV-ställverk medan det andra alternativet har ett kompaktare inomhusbyggt luftisolerat 40 kV-ställverk. Den totalt beräknade kostnaden, inklusive drift- och underhållskostnader, under en 25-årsperiod beräknas uppgå till 22,7 Mkr för utomhusalternativet och 22,4 Mkr för inomhusalternativet. Skillnaden mellan alternativen förväntas stiga till inomhusalternativets fördel, om även samhällskostnader vid avbrott vägs in i kalkylen. Rekommendationen är att transformatorstationen uppförs enligt inomhusalternativet, eftersom detta torde anses ge bäst totalekonomi, driftsäkerhet och skydd mot obehörigt tillträde. / This bachelor´s thesis is carried out on behalf of Rejlers Ingenjörer in Gothenburg. The work aims to overall present the realization of two station design proposals, including components, functions, financial aspects and plans, in connection with a reconstruction and expansion of a substation. The substation currently has two voltage levels of 40 kV and 10 kV. In connection with the reconstruction, the station is supplemented by a further voltage level of 20 kV, for connection of a number of wind turbines. For the installation to meet basic requirements, the work is performed by sorting and putting together relevant information from applicable regulations, standards and technical guidelines. Further information is obtained through additional information from literature, catalogues, product sheets and verbal contact with the job requestor. In the thesis the two station design proposals are presented in compliance with the aim. The high voltage equipment is dimensioned and presented, and the relay protection functions are identified. In both options, the transformers are located outdoors with a station building that houses 10 kV, 20 kV switchgear, a battery room and a control room. The main difference between the alternatives is that one of the options has an outdoor air insulated 40 kV switchgear, while the second one has a more compact indoor air insulated switchgear. The total estimated cost, including operation and maintenance costs, over a 25-year period is estimated at 22.7 million Swedish kronor for the outdoor option and 22.4 million Swedish kronor for the indoor alternative. The difference in costs is expected to rise to the advantage of the indoor option if social costs during a power failure also are taken into account in the calculation. It is recommended that the substation be built according to the indoor option, since this is considered to provide the best overall economy, safety of operation and protection against unauthorized access.

Kortslutningar och jordfel förekommer dagligen i elnätet, därför är personsäkerhet och skydd av utrustning avgörande vid utformning av skyddssystem. Medan dagens samhälle blir mer och mer beroende av elektricitet så ökar även kraven på driftsäkerhet, vilket ställer högre krav på felbortkopplingen. Skellefteå Krafts målsättning är därför att upprätthålla en hög leveranssäkerhet genom att minimera antalet avbrott som sker varje år. För att koppla bort fel i nätet används reläskydd. Korrekt inställda reläskydd är därför en förutsättning för ett väl fungerande elnät. Genom att koordinera reläskyddens inställningar kan en snabb bortkoppling och isolering av felbehäftad del säkerställas. Målet med rapporten är att utforma ett förslag på en strategi för reläskyddsinställningar i Skellefteå Kraft Elnäts fördelningsstationer (30/10 kV). Arbetet är uppdelat i en teoretisk och en praktisk del. Den teoretiska delen behandlar generell strategi och filosofi för reläskyddsinställningar. I den praktiska delen konfigureras reläskydd i en av Skellefteå Krafts fördelningsstationer, utifrån den framtagna strategin.  I rapporten redogörs för de olika delar som påverkar reläskyddsinställningar, bland annat: kortslutningsströmmar, faktorer som påverkar reläer, skyddsfilosofi, jordningsmetod och reservdriftsläggning. Beräkningar har dels gjorts i nätberäkningsprogram för uppskattning av kortslutningsströmmar, dels manuellt vid beräkning av jordslutningsström. Arbetet utgår från de krav och rekommendationer som anges i ELSÄK-FS 2008:1 och SS-EN 61936–1.  Resultatet påvisar bland annat att transient överräckning och återgångsförhållande är mer framträdande när det gäller äldre elektromekaniska strömreläer, än modernare numeriska reläer. Dessutom uppmärksammas att jordfelsskyddens känslighetsinställningar bör väljas utifrån ledningstyp, då bortkoppling ska initieras för övergångsresistanser upp till 3000 ohm i nät med oisolerad luftledning och 5000 ohm i nät med belagd luftledning. Därför uppdaterades inställningarna för samtliga jordfelsskydd som skyddar utgående ledningar i undersökt 30/10 kV-station.

Stator inter-turn short circuit (ITSC) faults are one of the common sources for induction machine failure affecting their reliable operation. In this thesis, a finite element (FE) model is developed to study the ITSC fault. The FE model is developed for a prototype induction machine that has the potential to emulate an ITSC fault in the stator. With the developed FE model of the prototype machine, a simulation study is performed to understand the behaviour of various electrical and magnetic quantities in time- and frequency-domain. The investigated quantities are potentially good signatures of the stator winding faults and they are therefore suitable to use in a condition monitoring system. The prototype machine with ITSC faults has been tested in an experimental setup and the results are compared to the simulation and also to analytical results. For the fault current it was found a good agreement between analytical results, FE simulations and experimental results. Moreover, the FE simulation results of the negative-sequence stator current amplitude present a minor mismatch with the analytical and experimental results. The reason for this mismatch is due to an inaccurate knowledge of the prototype machine geometrical parameters. / Kortslutning mellan varven i en asynkronmotors statorlindning (ITSC) är en av de vanligaste källorna för fel som påverkar dess drifttillförlitlighet. I detta examensarbete utvecklas en finit-element (FE) modell för att studera ITSC- fel. FE-modellen är utvecklad för en asynkronmotorprototyp som kan emulera ITSC-fel. Med den utvecklade modellen utförs en simuleringsstudie för att förstå beteendet hos olika elektriska och magnetiska egenskaper både i tids- och frekvensdomän. Dessa egenskaper är goda indikatorer av statorlindningsfel och kan därför med fördel användas i ett tillståndsövervakningssystem. Prototypmaskinen har testats experimentellt och de erhållna resultaten jämförs med FE-simuleringen och analysresultaten. Det analytiska resultatet, FEM- simuleringarna och den experimentella utvärderingen uppvisade god överrensstämmelse vad gäller felströmmen. Dock finns det en mindre avvikelse när det gäller amplituden hos statorströmmens negativa fasföljd. Orsaken till denna avvikelse är att prototypmaskinens geometri inte är helt känd.

Condition monitoring techniques can be employed to enhance reliability of electric machinery. The stator winding fault is one of the dominant causes for the failure of induction machines. In this work, the condition monitoring of an inverter-fed induction machine using high-frequency signal injection based technique is investigated. Initially, an analytical model of the induction machine with a stator inter-turn fault is developed. Subsequently, the behaviour of the induction machine in the presence of stator inter-turn fault is analyzed using the symmetrical component theory. Because of their use for fault diagnosis purposes, the analytical expressions for the fundamental and high-frequency symmetrical component currents are derived. The high-frequency signal injection is performed by adding a balanced three-phase high-frequency low-magnitude voltage to the fundamental excitation voltage. The resulting high-frequency negative-sequence current component can be used as reliable fault indicator to detect stator inter-turn faults. The effectiveness of the high-frequency negative-sequence current as a fault indicator is compared with the fundamental negative-sequence current, which is one of the traditionally used fault indicators for detecting these faults. The high-frequency signal injection technique proposed in this work is tested experimentally on a prototype machine in a laboratory set-up. The use of the proposed fault indicator is found to be advantageous when compared to the use of the traditional fault indicator for variable-frequency drives. In particular, it is shown that the proposed fault indicator is less dependent from the drive operating conditions than the traditional fault indicator. / Tillståndsövervakning är en teknik som kan användas för att förbättra tillförlitligheten hos elektriska maskiner. För asynkronmaskiner är fel i statorlindningen en av de dominerande orsakerna som leder till problem. I detta arbete undersöks tillståndsövervakning av en omriktarmatad asynkronmotor med hjälp av en högfrekvent signalinjektionsbaserad teknik. Inledningsvis utvecklas en analytisk modell av en asynkronmaskin med korsslutningsfel mellan varven i statorn. Därefter analyseras beteendet hos maskinen med hjälp av teorin för symmetriska komponenter. Analytiska uttryck för både grund- och övertoner härleds för de symmetriska komponenterna. Den högfrekventa signalinjektionen utförs genom att addera en liten högfrekvent trefasspänning till den matningsspänningen. Den resulterande högfrekventa negativa strömkomponenten kan användas som en tillförlitlig indikator för att upptäcka eventuella kortslutningar i statorlindningen. Förmågan som felindikator hos den högfrekventa negativa sekvensströmmen jämförs med den grundläggande negativa strömkomponentens förmåga, vilken är den traditionella indikatorn för att detektera dessa fel. Den högfrekventa signalinjiceringsmetoden som föreslås i detta arbete undersöks experimentellt på en prototypmaskin. Den föreslagna felindikatorn har visat sig vara fördelaktig jämfört med användningen av den traditionella felindikatorn för frekvensomriktare. I synnerhet visas att den föreslagna felindikatorn är mindre beroende av frekvensomriktarens driftsförhållanden än den traditionella felindikatorn.

In response to the present and projected growth of the EV industry, the development of a large-scale, reliable and efficient lithium-ion battery recycling sector is vital to ensure circularity of the embedded valuable metals and ensure overall sustainability of the technology. One of the main recycling procedures under development is based on hydrometallurgy. As a pretreatment step before lithium-ion batteries can undergo this process, they have to be deactivated to prevent uncontrolled release of the contained electrical energy. This deactivation step is often performed by deep discharging batteries to 0.0 V, instead of the usual lower cut-off around 3.0 V. Usually, deep discharging is performed by connection to resistors or through submersion in a salt solution. However, due to the discharge current derating proportionally to the terminal voltage, this procedure can be quite slow, especially if considerable rebound voltages are to be prevented. This work explores the feasibility of a faster discharge procedure in terms of discharge speed, effectiveness, and safety. The proposed procedure entails deep discharging at constant current using a controllable load, followed by applying an external short-circuit immediately. The C-rate during constant current discharging is varied to study its effects. The short-circuit is applied at a terminal voltage of 0.0 V or 1.0 V. The safety of both process steps is assessed experimentally. The main safety risks that are reviewed are the temperature rise and subsequent risk of thermal runaway, as well as the risk of electrolyte leakage due to pressure increase and swelling. In the experimental work, two types of large format prismatic NMC811 cells are deep discharged starting from an SoC of 0%. The experiments are limited to single cells. It is found that an additional 4% of additional capacity is available in the deep discharging region for a stationary cell at 0% SoC. The risk of thermal runaway is assessed as low based on the temperature measurements and a literature review. To investigate the rise in pressure, the thickness of all cells are measured, and the in situ pressure is measured for three samples. The risk for electrolyte leakage is assessed as low. The rebound voltage and cell thickness are followed up to one week after the discharge procedure. After a short-circuit of 30 minutes, the rebound voltage of all cells is near 2.0 V, but a slightly longer short circuit duration would be necessary to reliably achieve this threshold. The total procedure time is much shorter than those of alternative discharge procedures, while still remaining safe. / Som svar på den nuvarande och förväntade tillväxten inom elbilsindustrin är utvecklingen av en storskalig, tillförlitlig och effektiv återvinningssektor för litiumjonbatterier avgörande för att säkerställa cirkularitet för de inbäddade värdefulla metallerna och säkerställa teknikens övergripande hållbarhet. En av de viktigaste återvinningsmetoderna som är under utveckling baseras på hydrometallurgi. Som ett förbehandlingssteg innan litiumjonbatterier kan genomgå denna process måste de avaktiveras för att förhindra okontrollerad frisättning av den elektriska energi som de innehåller. Detta deaktiveringssteg utförs ofta genom djupurladdning av batterierna till 0.0 V, istället för den vanliga lägre gränsen runt 3.0 V. Vanligtvis utförs djupurladdning genom anslutning till resistorer eller genom nedsänkning i en saltlösning. Eftersom urladdningsströmmen avtar proportionellt mot terminalspänningen kan denna procedur dock vara ganska långsam, särskilt om man vill förhindra stora återkopplingsspänningar. I detta arbete undersöks genomförbarheten av en snabbare urladdningsprocedur när det gäller urladdningshastighet, effektivitet och säkerhet. Det föreslagna förfarandet innebär djupurladdning vid konstant ström med en kontrollerbar belastning, följt av omedelbar applicering av en extern kortslutning. C-hastigheten under urladdning med konstant ström varieras för att studera dess effekter. Kortslutningen appliceras vid en terminalspänning på 0.0 V eller 1.0 V. Säkerheten för båda processtegen bedöms experimentellt. De huvudsakliga säkerhetsriskerna som granskas är temperaturökningen och den efterföljande risken för termisk rusning, samt risken för elektrolytläckage på grund av tryckökning och svullnad. I det experimentella arbetet djupurladdas två typer av prismatiska NMC811-celler i storformat från en SoC på 0%. Experimenten är begränsade till enstaka celler. Det visade sig att ytterligare 4% kapacitet finns tillgänglig i djupurladdningsområdet för en stationär cell vid 0% SoC. Risken för termisk urladdning bedöms som låg baserat på temperaturmätningarna och en litteraturgenomgång. För att undersöka tryckökningen mäts tjockleken på alla celler och in situ-trycket mäts för tre prover. Risken för elektrolytläckage bedöms som låg. Återkopplingsspänningen och cellernas tjocklek följs upp upp till en vecka efter urladdningsproceduren. Efter en kortslutning på 30 minuter är returspänningen för alla celler nära 2.0 V, men en något längre kortslutningstid skulle vara nödvändig för att tillförlitligt uppnå detta tröskelvärde. Den totala tiden för proceduren är mycket kortare än för alternativa urladdningsprocedurer, samtidigt som den fortfarande är säker.