PETRI SALMINEN TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON MALLINTAMINEN … julkiset dtyot/Salminen_Petri_julk.pdf ·...

PETRI SALMINEN TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON MALLINTAMINEN JA VIKAVIRTATARKASTELUT Diplomityö

Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Tarkastaja ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunnan kokouksessa 3. joulukuuta 2008

II

TIIVISTELMÄ

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma SALMINEN, PETRI : Teollisuussähköverkon mallintaminen ja

vikavirtatarkastelut Diplomityö, 77 sivua, 13 liitesivua Kesäkuu 2009 Pääaine: Teollisuuden sähkönkäyttötekniikka Tarkastaja: professori Pertti Järventausta Avainsanat: oikosulku, maasulku, oikosulkukestoisuus, kuormitus,

teollisuussähköverkko, mallinnus, Neplan Tarkastelun kohteena tässä diplomityössä oli Oulun Nuottasaaren teollisuusalueen säh-köverkko. Tarkoituksena oli selvittää kyseisessä verkossa eri vika- ja kytkentätilanteissa esiintyvät vikavirrat. Vikavirtojen laskennassa hyödynnettiin Neplan 5-ohjelmaa, jolla mallinnettiin tarkasteltavana oleva verkko. Verkkomallin luomisessa hyödynnettiin teh-dasverkon ajantasaisia laitetietoja sekä kuormituksia. Laskentaa ja mallinnustyötä tehtä-essä tutustuttiin lisäksi Neplan 5-ohjelman tarjoamiin mahdollisuuksiin verkostolasken-nassa sekä sen käytettävyyteen. Työssä tarkastellaan eri vikatyyppejä, jotka ovat mahdollisia sähköverkossa ja eri-tyisesti keskitytään teollisuussähköverkkoihin sekä niiden erityispiirteisiin. Eri vikati-lanteista esitellään niiden laskentaperusteet sekä tarvittavat laitetiedot. Laskenta ja sii-hen liittyvä teoria perustuu pääosin IEC909-standardiin, jota hyödynnetään Neplan 5-ohjelmassa. Neplan 5-ohjelma havaittiin verkkojen mallinnuksen sekä laskennan kannalta hy-väksi ja kohtuullisen helposti omaksuttavaksi. Verkkomallinnuksessa ongelmallisim-maksi muodostui eri laitetietojen syöttäminen. Laskennan tekeminen ohjelmalla oli koh-tuullisen helppoa mutta vaatii tarkkuutta asetuksien määrittämisessä. Ohjelman laajuu-den takia olisi suotavaa järjestää perusteet läpikäyvä koulutus aloitettaessa sen käyttöä. Kaiken kaikkiaan ohjelman hyödynnettävyys on hyvä ja moduulipohjaisuutensa ansios-ta se on helposti laajennettavissa vastaamaan kulloistakin tarvetta. Kiitettävää on myös ohjelmalla luodun mallin helppo päivitettävyys. Nuottasaaren laskettujen vikavirtojen osalta voitiin todeta muutaman verkon kytkin-laitoksen oikosulkukestoisuuden vaarantuvan maksimioikosulkuvirroilla tietyissä kyt-kentätilanteissa. Samoin myös muutamalla vanhimmalla kaapeliyhteydellä saattaa ylit-tyä niiden dynaaminen kestoisuus kaapeleiden sisäisissä vioissa. Minimitilanteessa ver-kon oikosulkukestoisuus pysyy riittävällä tasolla kaikissa osissa. Verkon kuormitetta-vuus on normaalissa käyttötilanteessa riittävä ja erityisesti kaapeliverkosto on melko pienellä kuormituksella. Tiettyjen kytkentätilojen kohdalla on kuitenkin mahdollista päämuuntajien ylikuormittuminen ilman kuormitusten rajoittamista. Tulevaisuuden kannalta tulee kiinnittää huomiota verkon vikavirtojen rajoittamiseen sekä suojauksen tarkistamiseen kriittisten kytkinlaitosten osalta.

III

ABSTRACT

TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master’s Degree Programme in Electrical Engineering SALMINEN, PETRI: Modeling of an industrial network and fault current analysis Master of Science Thesis, 77 pages, 13 Appendix pages June 2009 Major: Utilization of electrical energy Examiner: Professor Pertti Järventausta Keywords: short circuit, earth fault, short-circuit withstand, loading, industrial

network, modelling, Neplan The industrial network of Nuottasaari located in Oulu was examined in this M. Sc. the-sis. The aim was to solve occurring fault currents in different faults and configurations. The calculus of fault currents was made with the help of computer program Neplan 5 which was used to model the network. Up-to-date device and loading data were used to create the network model. During the calculus and modeling work one aim was also to learn more about the possibilities and usefulness of the Neplan 5-program. Different fault types which are possible in electric networks were studied in this work. Industry networks and their specific characteristics were taken into special con-sideration. The principles of calculus and the needed instrument data is introduced for each fault type. The computing and the theory behind it is based on the IEC909-standard which is used by Neplan 5-program. Neplan 5-program was noticed to be good for modeling networks and to calculate them. It was also quite easy to learn to how to use it. The most problematic thing during the modeling process was the entering of device data. The calculus was easy to do but accuracy is needed when modifying the computing settings. It would be advisable to organize a basic course before starting to use the program because it is quite compre-hensive. Overall the usefulness of the program is good and it is easy to expand to match the occurring demands because the program is module based. The possibility to update the created model afterwards is also a very good feature in the program. After the calculation of the fault currents in the network of Nuottasaari, it could be stated that the short-circuit withstand is endangered on couple of switching stations. This occurs in certain switching situations when maximum short-circuit currents are at present. It is also possible that the dynamic withstand can be exceeded in some of the oldest cable connections. This can happen with the inner faults of the cables. At the minimum situation the short-circuit withstand of the network was not exceeded in any part of it. The load capacity of the network is at sufficient level in the normal situation and especially the cable net is under a quite little loading. When using certain switching situations it is however possible that certain main transformer will be overloaded with-out limiting of the loads. For the future use of the network the magnitude of the short-circuit currents should be reduced and the protection of the critical switching stations should be checked.

IV

ALKUSANAT

Diplomityö on tehty Oulussa Efora Oy:lle. Työn tarkoituksena on selvittää Nuottasaaren tehdasalueen sähköverkossa esiintyvät vikavirrat sekä tutustua verkostolaskennan mah-dollistavaan ohjelmaan.

Työn tarkastajana on toiminut professori Pertti Järventausta, jolle kiitokset työn oh-jaamisesta. Efora Oy:n puolelta haluan kiittää työn ohjaajana toiminutta Timo Kujanpe-rää, jonka ansiosta työn tekeminen on ollut mahdollista. Lisäksi haluan kiittää Timo Kärsämää, jonka avustuksella verkon tiedot on saatu kerättyä.

Suuret kiitokset haluan lausua myös avopuolisolleni, joka on jaksanut olla tukena työn edetessä. Kiitokset kuuluvat myös vanhemmilleni, jotka ovat mahdollistaneet opis-keluni ja avustaneet aina tarvittaessa. Oulussa 13. toukokuuta 2009 Petri Salminen

V

SISÄLLYS

TIIVISTELMÄ...............................................................................................................II ABSTRACT.................................................................................................................. III MERKINNÄT .............................................................................................................VII LYHENTEET.................................................................................................................X

1. JOHDANTO............................................................................................................1

2. VIKAVIRRAT SÄHKÖVERKOSSA...................................................................3 2.1. Oikosulun aiheuttajat ........................................................................................3 2.2. Vikatyypit..........................................................................................................4

2.2.1. Kolmivaiheinen oikosulku ...................................................................4 2.2.2. Kaksivaiheinen oikosulku ....................................................................5 2.2.3. Kaksivaiheinen oikosulku maasululla..................................................6 2.2.4. Maasulku ..............................................................................................7

2.3. Oikosulkuvirran luonne...................................................................................11 2.4. Oikosulkuvirran komponentit ja vaimeneminen.............................................13

2.4.1. Tasavirtakomponentin vaimeneminen ...............................................14 2.4.2. Vaihtovirtakomponentin vaimeneminen............................................15

2.5. Verkon mitoituksessa käytettävät oikosulkusuureet .......................................19 2.5.1. Alkuoikosulkuvirta I’’ k ......................................................................19 2.5.2. Sysäysoikosulkuvirta is ......................................................................19 2.5.3. Muutostilan oikosulkuvirta I’ k ...........................................................22 2.5.4. Pysyvän tilan oikosulkuvirta Ik ..........................................................22 2.5.5. Katkaisuhetken oikosulkuvirta Ib .......................................................24 2.5.6. Ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta Ith.......................................27

2.6. Teollisuusverkon erityispiirteet.......................................................................28

3. VIKAVIRTOJEN LASKENTA...........................................................................30 3.1. Yleistä .............................................................................................................30 3.2. Ominaisoikosulkuteho-menetelmä..................................................................31 3.3. Theveninin menetelmä....................................................................................33

3.3.1. Vikaantuneen verkon sijaiskytkentä ..................................................33 3.3.2. Kolmivaiheinen oikosulku .................................................................35 3.3.3. Kaksivaiheinen oikosulku ..................................................................37 3.3.4. Kaksivaiheinen oikosulku maasululla................................................37 3.3.5. Maasulku ............................................................................................38

VI

4. NUOTTASAAREN TEOLLISUUSVERKKO...................................................39 4.1. Verkon rakenne ...............................................................................................39 4.2. Verkon komponentit ja oikosulkuimpedanssit................................................40

4.2.1. Muuntajat ...........................................................................................40 4.2.2. Tahtigeneraattorit ...............................................................................43 4.2.3. Epätahtimoottorit................................................................................45 4.2.4. Kuristimet...........................................................................................46 4.2.5. Tasasuuntaajat ....................................................................................46 4.2.6. Kompensointilaitteistot ......................................................................46 4.2.7. Avojohdot ja kaapelit .........................................................................47 4.2.8. Kytkinlaitokset ...................................................................................48 4.2.9. Muut komponentit..............................................................................48

5. NEPLAN 5-OHJELMISTO.................................................................................49 5.1. Laskentamoduulit ............................................................................................49

5.1.1. Tehonjakolaskenta..............................................................................50 5.1.2. Oikosulkulaskenta ..............................................................................50

5.2. Ohjelman käyttö ..............................................................................................51

6. NUOTTASAAREN VIKAVIRTOJEN LASKENTA................. .......................54 6.1. Laskettavat tapaukset ......................................................................................54 6.2. Nuottasaaren tehdasverkon oikosulkuvirrat....................................................56

6.2.1. Vertailu vuoden 1996 laskennan tuloksiin.........................................58

7. JOHTOPÄÄTÖKSET..........................................................................................60 7.1. Kuormitettavuus..............................................................................................60 7.2. Oikosulkukestoisuus .......................................................................................61 7.3. Muutokset verrattuna vuoden 1996 laskentaan...............................................61

8. YHTEENVETO ....................................................................................................63

LÄHTEET .....................................................................................................................65

LIITTEET 68

VII

MERKINNÄT

α jännitteen vaihekulma nollakohdasta laskettuna oikosulun alkuhetkellä c jännitekerroin cmax maksimi jännitekerroin C0 verkon maakapasitanssi E generaattorin pysyvän tilan sähkömotorinen voima E” generaattorin alkutilan sähkömotorinen voima E’ generaattorin muutostilan sähkömotorinen voima fc ekvivalenttinen taajuus

ϕk oikosulkupiirin impedanssin vaihekulma

ϕrG generaattorin nimellisvirran sekä -vaihejännitteen välinen vaihekulma Ib katkaisuhetken oikosulkuvirta If maasulkuvirta Ik jatkuvan tilan oikosulkuvirta Ikmax maksimi jatkuvan tilan oikosulkuvirta Ik2 kaksivaiheisen oikosulun virta Ik3 kolmivaiheisen oikosulun virta ILR moottorin käynnistysvirta InG generaattorin nimellisvirta IrM moottorin nimellisvirta IrT muuntajan nimellisvirta joko ylä- tai alajännitepuolella is sysäysoikosulkuvirta is vaihtovirtakomponentti isM moottoreiden sysäysoikosulkuvirrat isPSU generaattoreiden sysäysoikosulkuvirrat isT syöttävien haarojen sysäysoikosulkuvirrat i t tasavirtakomponentti Ith ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta Ik” alkuoikosulkuvirta I” kE2E maahan kulkeva vikavirta kaksoismaasulussa I” kG generaattorin alkuoikosulkuvirta I” kM moottorilähdön alkuoikosulkuvirta I” kT syöttävän haaran alkuoikosulkuvirta I” k2 alkuoikosulkuvirta kaksivaiheisessa oikosulussa I” k2E vaiheessa kulkeva vikavirta kaksoismaasulussa I” k3 alkuoikosulkuvirta kolmivaiheisessa oikosulussa I’ k muutostilan oikosulkuvirta KT,PSU muuntajan oikosulkuimpedanssin korjauskerroin

VIII

l kaapelin pituus Lc ekvivalenttinen induktanssi Lk piirin oikosulkuinduktanssi m tasavirtatekijä

µ katkaisukerroin n vaihtovirtatekijä

ω kulmataajuus PkrT muuntajan käämeissä syntyneet kokonaispätötehohäviöt nimellisvirralla q korjauskerroin moottoreiden katkaisuoikosulkuvirran laskentaa varten Rc ekvivalenttinen resistanssi Rd generaattorin resistanssi RF vikaresistanssi RG generaattorin fiktiivinen resistanssi Rk oikosulkuresistanssi Rm kaapelin suojavaipan resistanssi Rn verkon resistanssi vikapaikan ja generaattorin välillä RV kaapelin vaihejohtimen resistanssi R0 kaapelin nollaresistanssi

ΣPnM vikapaikkaan liittyvien moottoreiden nimellistehojen summa

ΣSnT moottoreita syöttävien muuntajien näennäistehojen summa Sk ominaisoikosulkuteho S”k vikapaikan ominaisoikosulkuteho ilman moottoreiden vaikutusta Sn komponentin nimellisteho SrM moottorin nimellisnäennäisteho SrT muuntajan nimellisnäennäisteho SrTAB kolmikäämimuuntajan nimellisnäennäisteho haarojen A ja B välillä SrTAC kolmikäämimuuntajan nimellisnäennäisteho haarojen A ja C välillä SrTBC kolmikäämimuuntajan nimellisnäennäisteho haarojen B ja C välillä tf muuntajan fiktiivinen muuntosuhde tmin katkaisuviive tr muuntajan nimellinen muuntosuhde käämikytkimen perusasennolla

τ oikosulkupiirin aikavakio

τ” oikosulkupiirin alkuaikavakio

τ’ oikosulkupiirin muutostilan aikavakio

τ”d0 tyhjäkäyntitilan alkuaikavakio

τ’d0 tyhjäkäyntitilan muutosaikavakio û sinimuotoisen jännitteen huippuarvo u(t) jännite ajanhetkellä t ukr muuntajan oikosulkujännite prosentteina ukrAB kolmikäämisen muuntajan haarojen A ja B välinen oikosulkujännite ukrAC kolmikäämisen muuntajan haarojen A ja C välinen oikosulkujännite

IX

ukrBC kolmikäämisen muuntajan haarojen B ja C välinen oikosulkujännite UL1...UL3 vaihejännitteet ennen vikaa U’ L1...U’ L2 vaihejännitteet vian aikana Un nimellispääjännite Ung tahtikoneen nimellinen vaihejännite ur oikosuljetun piirin resistiivisten komponenttien yli vaikuttava jännite UrG tahtikoneen nimellispääjännite UrHLV muuntajan nimellinen yläjännite UrM moottorin nimellisjännite uRr muuntajan resistanssin aikaansaama oikosulkujännite prosentteina UrT muuntajan nimellisjännite joko ylä- tai alajännitepuolelta UrTLV muuntajan nimellinen alajännite ux oikosuljetun piirin reaktiivisten komponenttien yli vaikuttava jännite U0 nollajännite Xc ekvivalenttinen reaktanssi Xd generaattorin pysyvän tilan reaktanssi xdsat kyllästyneen tilan tahtireaktanssin arvo X” d generaattorin alkureaktanssi X’ d generaattorin muutostilan reaktanssi Xk piirin oikosulkureaktanssi Xn verkon reaktanssi vikapaikan ja generaattorin välillä Zc impedanssi, kun syöttävänä lähteenä on ekvivalenttinen jännitelähde zd tahtikoneen impedanssin suhteellisarvo ZG generaattorin oikosulkuimpedanssi ZG,PSU generaattorin korjattu oikosulkuimpedanssi Zk oikosulkupiirin impedanssi zk oikosulkuimpedanssin suhteellisarvo ZPSU voimalayksikön oikosulkuimpedanssi ZTHV muuntajan oikosulkuimpedanssi yläjännitepuolelta nähtynä ZTLV muuntajan oikosulkuimpedanssi alajännitepuolelta nähtynä Z0 verkon nollaimpedanssi Z1 verkon myötäimpedanssi Z2 verkon vastaimpedanssi

κ sysäyskerroin

λmax tahtikoneen suurinta mahdollista magnetointia vastaava kerroin

X

LYHENTEET

ANSI American National Standards Institute CAD computer aided design Dy muuntajan kolmio-tähti-kytkentä Dyn muuntajan kolmio-tähti-kytkentä, toisio maadoitettu Dz muuntajan kolmio-hakatähti-kytkentä IEC International Electrotechnical Commission NTS Nuottasaaren 110 kV kytkinkenttä PEX ristisilloitettu polyeteeni, käytetään kaapeleiden eristeenä PK6 & PK7 paperikone 6 & 7 PM2, PM3, … päämuuntaja 2, päämuuntaja 3, … SAP liiketoiminnan ohjausjärjestelmä SFS Suomen Standardisoimisliitto Yz muuntajan tähti-hakatähti-kytkentä 1A Nuottasaaren 110 kV kytkinkenttä 2D, 3D, … Kytkinlaitos 2D, kytkinlaitos 3D, …

1

1. JOHDANTO

Häiriötön sähkönsyöttö on tärkeää etenkin teollisuuden sähköverkoissa, joissa prosessi-en yllättävä keskeytyminen voi aiheuttaa suuria kustannuksia ja myös mahdollisia vaa-ratilanteita. Jotta teollisuuden sähköverkot olisivat mahdollisimman luotettavia, tulee jakeluverkon komponentteihin ja suojaukseen kiinnittää erityistä huomiota. Eräs tärkeä osa sähköverkon luotettavuuden kannalta on sen kyky selviytyä siinä ilmenevistä vika-virroista. Verkossa voi vikatyypeistä riippuen ilmetä erisuuruisia virtoja, jotka pitää pys-tyä tunnistamaan ja rajoittamaan niiden vaikutusalue mahdollisimman pieneksi haittojen eliminoimiseksi.

Tässä työssä tarkastellaan Oulun Nuottasaaren tehdasalueen sähköverkkoa. Verkon tila on selvitetty viimeksi vuonna 1996 tehdyssä laskennassa. Tämän jälkeen on verkos-sa tapahtunut muutoksia etenkin kuormitusten osalta, minkä takia koettiin tarpeelliseksi selvittää verkon nykytila. Nuottasaaren alueella toimii sellutehdas, kaksi paperikonetta, kolme eri kemian tehdasta sekä alueen kunnossapidosta ja suunnittelutyöstä vastaava yritys. Lisäksi verkkoon on kytkeytyneenä tehdasalueen oma voimalaitos. Etäisyydet verkon eri osien välillä ovat pienet ja siihen on liittyneenä paljon pyöriviä kuormia sekä kaksi generaattoria. Työn tavoitteena on selvittää verkon nykyinen kuormitusaste ja vi-katilanteissa vaikuttavat vikavirrat.

Teollisuussähköverkoille on ominaista niiden varsin korkeat oikosulkuvirrat. Tämä johtuu lyhyistä etäisyyksistä ja verkkoa syöttävistä generaattoreista sekä pyörivistä säh-kömoottoreista, jotka entisestään nostavat oikosulkuvirtojen suuruutta. Verkon toimin-nan takaamiseksi pitäisikin oikosulkuvirtojen suuruutta pystyä rajoittamaan sekä rajaa-maan virtojen vaikutusaluetta. Myös mahdolliset maasulut tulee huomioida verkon toi-minnassa. Maasulkuvirrat eivät ole suuruudeltaan isoja, mutta ne voivat aiheuttaa lait-teiston vääriä toimintoja, joista seuraa häiriöitä prosesseihin. Mahdollisia ovat myös lai-terikot sekä vaarallisten kosketusjännitteiden esiintyminen vikapaikan läheisyydessä.

Teollisuusverkon toiminnan takaamiseksi on olennaista tietää verkon oikosulkuvir-tojen suuruudet sekä verkon eri komponenttien oikosulkukestoisuudet. Verkon eri osien tulisi kestää mahdollisen vian synnyttämien virtojen aikaansaamat termiset sekä mekaa-niset vaikutukset. Suojauksen suunnittelu lähtee liikkeelle selvittämällä tarkasteltavana olevan verkon vikavirrat eri vikatapauksissa ja käytettävissä olevilla yhteyksillä. Selvi-tettyjen vikavirtojen avulla voidaan suunnitella verkon suojaus huomioiden verkon eri komponenttien oikosulkukestoisuudet. Komponenttien kestoisuudet antavat ehdot vika-virtojen suuruudelle ja kestolle. Tarvittaessa saatetaan joutua rajoittamaan vikavirtojen suuruutta erillisillä laitteistoilla kuten kuristimilla tai kiinnittämään erityistä huomiota vikavirtojen poiskytkentäajoille.

JOHDANTO 2

Työssä hyödynnetään tietokonepohjaista verkon mallinnusta ja vikavirtojen lasken-taa. Mallinnus ja laskenta tehdään Neplan 5 laskentaohjelmistolla. Työssä selvitetään ohjelman käytettävyyttä verkon mallintamiseen sekä laskentaan. Neplan 5-ohjelmasta pyritään saamaan käyttökokemuksia ja luomaan päivitettävissä oleva verkkomalli, jota olisi helppo käyttää jatkossa verkon eri kytkentätilojen nopeaan mallintamiseen.

3

2. VIKAVIRRAT SÄHKÖVERKOSSA

Sähköverkossa voi esiintyä sen normaalista kuormituksesta poikkeavia virtoja erilaisten vikojen ja häiriöiden synnyttämänä. Verkon häiriöttömän toiminnan takaamiseksi pyri-tään vikoja ehkäisemään jo ennakolta ja syntyneet häiriöt poistamaan mahdollisimman nopeasti haittojen pienentämiseksi. Jotta vikoihin voitaisiin puuttua, tulee ensin tunnis-taa niiden syntymekanismit ja vaikutukset sähkönverkkoon. Tämän työn painopiste on oiko- ja maasulkuvirroissa, verkon muiden vikailmiöiden jäädessä tarkastelun ulkopuo-lelle.

2.1. Oikosulun aiheuttajat

IEC 909-standardin [1] mukaan oikosulku on vahingossa tai tarkoituksellisesti tapahtu-va järjestelmän kahden tai useamman eri jännitteisen osan kytkeytyminen pienen resis-tanssin tai impedanssin kautta. Oikosululle sähköverkossa voi olla useita syitä mutta pääpiirteissään ne on mahdollista jakaa kolmeen eri pääryhmään. Oikosulku voi tapah-tua pääeristyksen heiketessä, ylijännitteiden aiheuttamana tai virheellisten kytkentätoi-menpiteiden aikaan saamana [2].

Verkon komponenttien eristys voi perustua ilmaväliin, kiinteään eristeeseen tai näi-den molempien yhdistelmään. Eristyksen heikkeneminen voi edetä hitaasti esimerkiksi kiinteän tukieristimen likaantuessa ajan myötä. Yhdessä kosteuden kanssa eristeen pin-nalla oleva lika alkaa johtaa vuotovirtoja, jotka voivat lopulta saada aikaan oikosulun syntymisen eristeen yli. Eristys voidaan menettää myös äkillisesti, kuten tilanne usein on ilmaeristeisillä rakenteilla. Hyvänä esimerkkinä mainittakoon avojohdoille kaatuvat puut tai pylväsmuuntamoiden päälle laskeutuvat eläimet. Tällöin voi olla mahdollista eri vaiheiden suora kytkeytyminen yhteen tai vian alkaminen ensin maasulkuna, joka johtaa lopulta vaiheiden väliseen oikosulkuun. [2]

Verkossa voi syntyä oikosulkuja myös ylijännitteiden seurauksena. Ylijännitteet jae-taan niiden muodon perusteella neljään eri kategoriaan:

• pienitaajuiset ylijännitteet

• loivat transienttiylijännitteet

• jyrkät transienttiylijännitteet

• erittäin jyrkät transienttiylijännitteet. Jyrkät transienttiylijännitteet ovat tavallisimpia sähköverkossa esiintyviä ylijännit-

teitä ja niitä aiheuttavat yleensä suorat tai epäsuorat salamaniskut. Tämän takia jyrkkiä transienttiylijännitteitä kutsuttiinkin ennen ilmastollisiksi ylijännitteiksi. Salamanisku voi synnyttää ylijännitteen verkossa periaatteessa kolmella tavalla: indusoimalla, takais-

VIKAVIRRAT SÄHKÖVERKOSSA 4

kun kautta salaman osuttua maadoitettuun osaan johtimen lähellä tai iskun osuessa suo-raan johtimeen. Näin syntyneet ylijännitteet etenevät verkossa syöksyaaltona ja ylittävät verkon eristeiden jännitelujuuden johtaen lopulta joko yli- tai läpilyöntiin. [2; 3]

Pienitaajuisia ylijännitteitä syntyy verkkoon pääasiassa verkon tilanmuutoksissa ja sen yhteydessä esiintyy myös yleensä loivia ylijännitteitä. Yleisimmin pienitaajuisia yli-jännitteitä aiheuttavat yksivaiheiset maasulut. Maasulun syntyessä terveiden vaiheiden jännitteet nousevat ja ylijännitteen suuruus riippuu tällöin verkon maadoitustavasta. Pienitaajuiset ylijännitteet aiheuttavat harvoin oikosulkua, mutta täysin mahdotontakaan se ei ole. Esimerkiksi yksivaiheisen maasulun tapauksessa voivat, maadoitustavasta riippuen, terveiden vaiheiden jännitteet nousta niin suuriksi, että piirin jännitelujuus menetetään. Myös kuormitusten irtikytkennät sekä kuormittamattomien johtojen kyt-kennät saavat aikaan pienitaajuisia ylijännitteitä. [3]

Virheelliset kytkentätoimenpiteet muodostavat viimeisen oikosulkuja aiheuttavan vikaryhmän. Ne ovat yleensä seurauksena huolimattomuuden tai ajattelemattomuuden takia tehdyistä kytkentätoimenpiteistä. Kyseisiä vikoja voi syntyä esimerkiksi kytkettä-essä sähköt vielä työmaadoitettuina oleviin keskuksiin. Oikosulkuja voi tapahtua myös tehtäessä verkkokytkentöjä kuormitusvirran alaisilla erottimilla, joita ei ole suunniteltu käytettäväksi muuta kuin kuormittamattomina. [2]

2.2. Vikatyypit

Sähköverkossa tapahtuvat viat voidaan jakaa vaikutuksiltaan symmetrisiin ja epäsym-metrisiin tapauksiin niiden syntymekanismin perusteella. Kolmivaiheinen oikosulku on luonteeltaan symmetrinen, kun taas kaksivaiheinen oikosulku, maasululla tai ilman, se-kä pelkkä maasulku, ovat epäsymmetrisiä vikoja. Symmetria vaikuttaa verkossa esiinty-vien virtojen ja jännitteiden suuruuteen, joka puolestaan johtaa siihen, että vikavirtojen laskenta on erilainen kussakin vikatyypissä. [4]

2.2.1. Kolmivaiheinen oikosulku

Kolmivaiheinen oikosulku syntyy, kun verkon kaikki vaiheet kytkeytyvät yhteen. Täl-löin verkon vaiheiden jännitteet tippuvat vikapaikassa nollaan ja kyseisessä kohdassa vaikuttaa oikosulkuvirta Ik3. Tilanne käy ilmi kuvasta 2.1, jossa on esitettynä alkuoi-

kosulkuvirta I ''3k . Kyseisessä tilanteessa jokainen vaihe syöttää oikosulkuvirtaa vika-

paikkaan ja järjestelmä on näin ollen symmetrisesti kuormitettu.


L1

L2

L3

oikosulkuvirta osaoikosulkuvirta

I´´k3

Kuva 2.1. Kolmivaiheinen oikosulku virtoineen. Virtojen

suunnat on valittu mielivaltaisesti. [1]

Kolmivaiheinen oikosulku muodostaa oikosulkulaskennan perustapauksen, koska se johtaa useimmiten suurimpaan vikavirtaan. Kyseistä arvoa tarvitaan verkon mitoitusta varten. Johtuen kolmivaiheisen oikosulun symmetrisestä muodosta, on sen laskenta myös helpompaa kuin epäsymmetristen vikojen tapauksessa. Kolmivaiheista oikosulku-virtaa laskettaessa voidaan käyttää verkon komponenttien myötäimpedansseja eli toisin sanoen niiden normaaleja oikosulkuimpedansseja. [1]

2.2.2. Kaksivaiheinen oikosulku

Kaksivaiheista oikosulkua havainnollistaa kuva 2.2, missä on esitettynä vian syntyessä

esiintyvä alkuoikosulkuvirta I ''2k . Kaksivaiheisen vian oikosulkuvirta on lähes aina pie-

nempi kuin kolmivaiheinen oikosulkuvirta [5; 2]. On kuitenkin mahdollista, tietyin edellytyksin, että kaksivaiheisen vian oikosulkuvirrat kasvavat suuremmiksi kuin kol-mivaiheisen.

L1

L2

L3


I´´k2

Kuva 2.2. Kaksivaiheinen oikosulku vikavirtoineen. Virto-

jen suunnat on valittu mielivaltaisesti. [1]


Kaksivaiheinen oikosulkuvirta Ik2 on mahdollista esittää kolmivaiheisen oikosulku-virran Ik3 avulla seuraavasti [2].

3

1

22

1

3kk I

Z

ZI ⋅

+= (2.1)

missä

1Z on oikosulkupiirin myötäimpedanssi

2Z on oikosulkupiirin vastaimpedanssi

Kuten kaavasta 2.1 on mahdollista havaita, voi kaksivaiheinen oikosulkuvirta olla

suurempi kuin kolmivaiheinen vain, kun 12 73,0 ZZ ⋅< . Tämä toteutuu vain, kun impe-

danssien vaihekulmat eivät poikkea yli 15° toisistaan. Muuntajilla, johdoilla, ei pyörivil-lä kojeilla sekä epätahtimoottoreilla myötä- ja vastaimpedanssit ovat samat, joten ne ei-vät mahdollista kaksivaiheisen oikosulun kasvamista suuremmaksi kuin kolmivaiheises-sa oikosulussa. Tilanne on kuitenkin toinen, jos vika tapahtuu lähellä tahtikonetta. [2]

Tahtikoneilla myötä- ja vastaimpedanssit ovat oikosulun alussa yhtä suuret, jolloin myös koko piirin myötä- ja vastaimpedanssit ovat samansuuruiset. Näin ollen kaksivai-heinen alkuoikosulkuvirta on pienempi kuin kolmivaiheisen oikosulun. Oikosulun kes-täessä alkaa tahtikoneen myötäreaktanssi kuitenkin kasvaa ja vian jatkuessa se lopulta saavuttaa koneen tahtireaktanssin. Tämä johtaa siihen, että tahtikoneen vastaimpedanssi voi olla enää vain 0,1–0,15-kertainen verrattuna sen myötäimpedanssiin. Näin ollen kaksivaiheinen pysyvä oikosulkuvirta voi olla n. 1,4-kertainen pysyvään kolmivaihei-seen virtaan nähden. Tulee kuitenkin ottaa huomioon, että oikosulku kestää harvoin niin pitkään, että tahtikoneen myötäreaktanssi ehtii saavuttaa tahtireaktanssia. Tämän seura-uksena kaksivaiheiset vikavirrat jäävätkin yleensä pienemmiksi kuin kolmivaiheisten vikojen. [6]

2.2.3. Kaksivaiheinen oikosulku maasululla

Kaksivaiheinen oikosulku maasululla syntyy yleensä kaksivaiheisen oikosulun aiheut-tamana. Kyseinen vika käy ilmi kuvasta 2.3, jossa on esitettynä vikaan liittyvät alkuoi-

kosulkuvirrat I ''2Ek ja I ''

2EkE .


L1

L2

L3


I´´ k2E

I´´ kE2E

Kuva 2.3. Kaksivaiheinen oikosulku maasululla vikavir-

toineen. Virtojen suunnat on valittu mielival-taisesti. [1]

Vikavirtojen suuruuteen vaikuttaa vikapaikassa esiintyvä koko verkon impedanssi,

sekä myös mahdollinen vikaimpedanssi. Riippuen impedanssien suuruudesta on mah-dollista, että vaiheissa ilmenevät vikavirrat nousevat yhtä suuriksi kuin pelkässä kaksi-vaiheisessa oikosulussa. Viallisten vaiheiden jännitteet voivat olla myös nollasta poik-keavia mikäli vikaan liittyy vikaresistanssia. Nollajännitteen suuruus on riippuvainen siitä vaikuttaako vikaresistanssi vaiheiden välillä tai vaiheen ja maan välillä. [7]

2.2.4. Maasulku

Standardi SFS 6001 + A1 määrittelee maasulun seuraavasti [8]:

”Vian aiheuttama johtava yhteys päävirtapiirin vaihejohtimen ja maan tai maa-doitetun osan välillä. Johtava yhteys voi syntyä myös valokaaren kautta.

Kahden tai useamman vaihejohtimen maasulkuja saman järjestelmän eri koh-dissa kutsutaan kaksois- tai moninkertaisiksi maasuluiksi.”

Vika on helposti hahmotettavissa, kuten käy ilmi kuvassa 2.4 esitetystä yksivaiheisesta maasulusta suoraan maadoitetussa verkossa. Vaikka vika sinänsä on yksinkertainen ja myös sangen yleinen, ei siinä kulkevien virtojen laskenta ole täysin yksiselitteistä.


L1

L2

L3


I´´ k1

Kuva 2.4. Maasulku vikavirtoineen. Virtojen suunnat on

valittu mielivaltaisesti. [1] Maasulussa ilmenevien virtojen suuruuden sanelee vikaantuneen verkon maadoitus ja tästä johtuen vika poikkeaa kolmi- ja kaksivaiheisista oikosuluista. Verkko voi olla maadoitustavaltaan jokin seuraavista:

• maasta erotettu

• sammutettu

• impedanssin kautta maadoitettu

• suoraan maadoitettu Verkon ollessa maadoitettu suoraan tai pienen impedanssin kautta, voivat yksivaiheisen maasulun vikavirrat nousta korkeiksi ja tällöin sitä on mahdollista kutsua myös yksivai-heiseksi oikosuluksi. Muissa tapauksissa kyseessä on maasulku, jonka virta voi jäädä alle kuormitusvirran riippuen maadoitustavasta, mutta samalla kosketusjännitteet voivat nousta vaarallisen korkeiksi.

Jos kyseessä on maasta erotettu verkko, on verkolla yhteys maahan vain sen maaka-pasitanssien kautta. Verkko on symmetrinen maahan nähden, kun kyseiset kapasitanssit ovat samansuuruiset. Tästä seuraa se, että myös vaihejännitteet ovat symmetrisiä maa-han nähden ja näin ollen niiden summa on koko ajan nolla. Kun tällaiseen verkkoon tu-lee maasulku, terveiden vaiheiden jännitteet nousevat maahan nähden ja syntynyt epä-symmetria saa aikaan sen, että vaihejännitteiden summa on nollasta poikkeava. Tämä saa puolestaan aikaan varausvirran, joka kulkee vikapaikan kautta maahan. Syntyneellä virralla ei ole suoraa pieni impedanssista reittiä joka oikosulkisi piirin, vaan sillä on yh-teys maahan vain verkon maakapasitanssien ja mahdollisen vikaresistanssin kautta. Tätä selventää kuva 2.5, missä on kuvattu erään verkon yksivaiheinen maasulku. [4]


Kuva 2.5. Erään maasta erotetun verkon yksivaiheinen maasulku. [7] Kuvassa 2.5. esiintyvät symbolit: E1..3 Jännitelähteet Z Verkon impedanssit C0 Verkon maakapasitanssit RF Vikaresistanssi

Maasta erotetun verkon maasulussa esiintyvät vikavirrat ovat pieniä, jopa alle kuor-mitusvirtojen. Verkon kannalta ongelmalliseksi tulee terveiden vaiheiden jännitteiden nousu, joka voi ylittää verkon eristeiden jännitelujuuden. Riippuen vikaresistanssin suu-ruudesta, vikaantuneen vaiheen jännite voi olla nolla tai sillä on pieni jännite. Muiden vaiheiden jännite voi kuitenkin nousta pääjännitteen suuruiseksi, jos vikaresistanssi jää nollaksi. Tietyillä vikaresistanssin arvoilla on mahdollista, että terveen vaiheen jännite ylittää pääjännitteen suuruuden. Tällöin vaihejännite on noin 1,05-kertainen pääjännit-teeseen nähden. Vaihejännitteiden epäsymmetria saa lisäksi aikaan verkon tähtipisteen ja maan välille potentiaalieron, eli muodostuu niin sanottu nollajännite. Tämä jännite on sama, jonka maasulkuvirta saa aikaan kulkiessaan maakapasitanssien kautta [9, s. 252]. Jännitteiden käyttäytyminen ja riippuvuus vikaresistanssista käy ilmi kuvasta 2.6. [4; 7; 10]


Kuva 2.6. Jännitteiden riippuvuus vikaresis-

tanssista maasta erotetun verkon yksivaiheisessa maasulussa. [10]

Kuvassa esiintyvät symbolit: UL1...UL3 Vaihejännitteet ennen vikaa U’ L1...U’ L2 Vaihejännitteet vian aikana U0 Nollajännite If Maasulkuvirta Rf Vikaresistanssi Maasta erotetun verkon tapauksessa maasulussa syntyvä valokaari jää yleensä pala-maan vikakohtaan, mikä edellyttää johdon käyttämistä jännitteettömänä lyhyen ajan va-lokaaren sammuttamiseksi. Nämä katkokset koetaan kulutuspisteissä jakelukeskeytyk-sinä, jotka voivat aiheuttaa haittoja kuluttajasta riippuen. On myös mahdollista, että maasulkuvirtojen jäädessä pienemmiksi kuin 10 A, verkossa voi esiintyä jaksottaisia valokaarimaasulkuja. Pieni virta saa valokaaren sammumaan itsestään, mutta maasta erotetussa verkossa palaava jännite nousee niin jyrkästi, että se sytyttää valokaaren uu-destaan. Nämä katkeilevat valokaarimaasulut aiheuttavat suuria ylijännitteitä verkkoon ja voivat johtaa laajempiin vaurioihin. [11]

Sammutettu verkko perustuu verkon tähtipisteen maadoittamiseen reaktorin eli niin sanotun sammutuskuristimen kautta. Sammutuskuristimen käytöllä pyritään siihen, että maasulussa vikapaikan läheisyydessä esiintyvä vaarajännite saadaan pienemmäksi. Li-säksi sen käyttö mahdollistaa valokaaren paremman sammumisen ja näin vältytään jäl-leenkytkentöjen tekemiseltä. Kuristin pyritään mitoittamaan siten, että sen induktiivinen reaktanssi vastaisi verkon maakapasitanssien synnyttämää kapasitiivista reaktanssia. Tällä menettelyllä vikavirtaa saadaan pienennettyä, koska kuristimen läpi menevä virta on likimain samansuuruinen mutta vastakkaissuuntainen kuin maakapasitanssien kautta siirtyvä. Verkon kokema maasulkuvirta jää 5…10 % tasolle vastaavaan maasta erotet-tuun verkkoon nähden. [11; 12]


Vaikka sammutetussa verkossa terveiden vaiheiden jännitteet nousevat samoin kuin maasta erotetussa verkossa, saadaan maakapasitanssien kompensoinnilla lyhennettyä ylijännitteiden kestoaikaa maasulkuvalokaaren sammuessa itsestään. Kompensoidussa verkossa vältytään myös katkeilevilta valokaarimaasuluilta ja niiden aiheuttamilta isoil-ta ylijännitteiltä, koska vikapaikan palaavat jännitteet ovat loivempia kuin maasta erote-tussa verkossa. Ylijänniterasitusten lyhentyessä terveiden vaiheiden eristyksillä voidaan eräissä tapauksissa välttyä vian muuttumiselta oikosuluksi. Kompensoimalla verkko saadaan myös pienennettyä maasulkukohdan läheisyydessä ilmenevää vaarajännitettä verrattuna maasta erotettuun verkkoon. [11] Käytettäessä tähtipisteen pieni impedanssista tai suoraa maadoitusta, ovat vikavirrat korkeammat kuin maasta erotetuissa ja sammutetuissa verkoissa. Yleensä vikavirrat nousevat niin korkeiksi, että voidaan puhua yksivaiheisesta oikosulusta. Tietyin edelly-tyksin voi yksivaiheisen oikosulun vikavirta nousta korkeammaksi kuin kolmivaiheises-sa oikosulussa. Näin on erityisesti verkoissa, joiden muuntajien kytkentäryhmät ovat Yz, Dy tai Dz ja vika tapahtuu lähellä maadoitettua toisiokäämitystä [1]. Verkon tähti-pisteen maadoittamisella impedanssin kautta saadaan kuitenkin maasulkuvirran suuruut-ta rajoitettua ja näin pyritään vähentämään virran aiheuttamia rasituksia verkkoon.

Vikavirtojen havaitseminen on helpompaa suoraan tai pienen impedanssin kautta maadoitetuissa verkoissa, johtuen maasulkuvirran korkeasta arvosta. Vian tapahtuessa yleensä havahtuvat verkon oikosulkusuojat ja katkaisevat vikaantuneen lähdön. Vika-paikassa esiintyy korkea virta, joka luonnollisesti aiheuttaa kyseiseen kohtaan suuren rasituksen, mutta toisaalta vika saadaan katkaistua nopeasti helpomman havaittavuuten-sa takia ja vaikutusaika jää lyhyeksi.

Kuten maasta erotetuissa ja sammutetuissa verkoissa, myös suoraan tai impedanssin kautta maadoitetuissa verkoissa terveiden vaiheiden jännitteet nousevat vian ilmaannut-tua. Jännitteen nousu jää kuitenkin yleensä pienemmäksi, johtuen vikaantuneen piirin pienemmästä kokonaisimpedanssista, joka johtaa suurempiin virtoihin. Ylijännitteiden vaikutus jää myös lyhyeksi, koska oikosulkusuojaus yleensä katkaisee syötön nopeam-min kuin mitä maasulkusuojaus tekisi. [3]

2.3. Oikosulkuvirran luonne

Vikavirtojen laskemiseksi tulee ymmärtää niiden taustalla vaikuttavat tekijät, jotka mää-räävät virran suuruuden ja käyttäytymisen verkossa eri hetkinä. Vikavirtoja määrittele-vät niin itse vian tyyppi, verkon kytkentätila kuin myös vian tapahtumahetkellä vallitse-va kuormitus verkossa. Haluttaessa määrittää tarkkaan vikakohdassa vaikuttavat virrat, on edellä mainitut tekijät tunnettava riittävällä tarkkuudella. Ennen laajemman verkon tarkastelua tutustutaan oikosulkuvirran käyttäytymiseen yksinkertaisemmassa tilantees-sa, josta saatuja tietoja voidaan hyödyntää myös isommissa verkoissa.


u(t)

Rk kX K

u(t)

Rk kX K

ik

a. b. Kuva 2.7. a. kolmivaiheisen kuormittamattoman verkon yksivaiheinen sijaiskytkentä

b. verkko oikosuljettu

Oikosulkuvirran käyttäytymistä voidaan tarkastella kuvan 2.7 mukaisella kytkennäl-lä. Kyseinen kuva esittää kolmivaiheisen kuormittamattoman verkon yksivaiheista si-jaiskytkentää. Piirin jännitelähteeksi on valittu ideaalinen sinimuotoista jännitettä syöt-

tävä lähde. Täten syöttöjännite on muotoa u(t)=ûsin(ωt+α). Piirin komponentit esittävät oikosulkeutuvan verkon vikapaikkaa edeltävää resistanssia ja reaktanssia. Kun kytkin K suljetaan, syntyy verkkoon oikosulku ja siinä esiintyy oikosulkuvirta ik. Oikosuljetussa piirissä kiertävä virta kulkee komponenttien läpi ja näin ollen niiden yli vaikuttavat jän-nitteet ur ja ux. Komponenttien ylitse vaikuttavien jännitteiden tulee vastata lähteen syöt-tämää jännitettä, joten voimme esittää piirin seuraavalla differentiaaliyhtälöllä. [2]

( )αω +=+ tûdt

diLiR k

kkk sin (2.2)

Yhtälöstä 2.2 voidaan ratkaista oikosulkuvirraksi

( ) ( ) ( )

−−−+=

−

k

t

kk

k etZ

ûti ϕαϕαω τ sinsin (2.3)

missä Rk piirin oikosulkuresistanssi Lk piirin oikosulkuinduktanssi û sinimuotoisen jännitteen huippuarvo Zk oikosulkupiirin vaiheimpedanssi

ω kulmataajuus t aika oikosulkuhetkestä lukien

α jännitteen vaihekulma nollakohdasta laskettuna oikosulun alkuhetkellä

ϕk oikosulkupiirin impedanssin vaihekulma

τ oikosulkupiirin aikavakio


Oikosulkuvirtaa kuvaavassa yhtälössä 2.3 oleva piirin vaiheimpedanssi, impedans-sin vaihekulma sekä piirin aikavakio voidaan ilmaista verkon resistanssin ja reaktanssin avulla.

22kkk XRZ += (2.4)

=

k

kk R

Xarctanϕ (2.5)

k

k

k

k

R

L

R

X ==ω

τ (2.6)

missä Xk piirin oikosulkureaktanssi

2.4. Oikosulkuvirran komponentit ja vaimeneminen

Edellä määritetyn yhtälön 2.3 perusteella voidaan havaita, että oikosulkuvirran suuruus saattaa muuttua ratkaisevasti, riippuen siitä millä ajan hetkellä verkko oikosulkeutuu. Virran vaihtelun selittää sen sisältämät kaksi tekijää, vaihtovirta- ja tasavirtakomponen-tit. Näistä tasavirtakomponentti, joka on yhtälössä 2.3 jälkimmäinen sinifunktio, aiheut-taa oikosulkuvirran suuruuden vaihtelut sen alkuhetkillä. Oikosulun tapahtuessa hetkellä, jolloin jännitteen ja verkon impedanssien vaihekul-

mien erotus on nolla tai 180°, ei tasavirtakomponenttia esiinny lainkaan. Täten vaihto-virtakomponentti määrittää oikosulkuvirran suuruuden ja verkon kokema oikosulkuvirta on täysin symmetrinen. Tarkasteltaessa kuvan 2.7 kytkentää tulee kuitenkin huomioida, että kyseessä on yksivaiheinen sijaiskytkentä kolmivaiheiselle verkolle. Tästä johtuen tasavirtakomponentti voi olla nolla vain yhdessä vaiheessa johtuen vaihejännitteiden

keskinäisestä 120° vaihekulmaerosta. [2] Oikosuljettaessa verkko millä tahansa muulla ajan hetkellä, vaikuttaa tasavirtakom-ponentti syntyvän virran suuruuteen ja oikosulkuvirta on epäsymmetrinen. Yhtälön 2.3 mukaan virta saavuttaa huippuarvonsa, jos kytkentä tapahtuu hetkellä, jolloin jännitteen

ja impedanssin vaihekulmien erotus on ± 90°. Tasavirtakomponentin alkuarvo on kysei-sellä hetkellä yhtä suuri kuin vaihtovirtakomponentin huippuarvo. Virran käyrämuoto edellä esitellyssä tilanteessa käy ilmi kuvassa 2.8, kun tarkastellaan oikosulkutapahtu-man alkuhetkeä. [2]


Kuva 2.8. Oikosuljetun piirin virta, kun α-ϕk=± 90° ja missä i on oikosulku-

virta, is vaihtovirtakomponentti sekä it tasavirtakomponentti [13]

2.4.1. Tasavirtakomponentin vaimeneminen

Tasavirtakomponentin ominaisuutena on, että se alkaa vaimeta eksponentiaalisesti heti alkuhetkestä lähtien päätyen lopulta nollaan, jonka jälkeen piirissä esiintyy vain sym-metrinen vaihtovirta. Tämä käy ilmi kuvasta 2.8, missä näkyy punaisella katkoviivalla kuvattuna tasavirtakomponentin vaimeneminen. Ilmiö johtuu verkon resistanssista ja reaktanssista, joiden suhde määrittelee kuinka nopeasti vaimeneminen tapahtuu. Kyseis-

tä suhdetta kutsutaan verkon aikavakioksi τ ja se voidaan kuvata yhtälöllä 2.6. Edellä tarkasteltiin ideaalista piiriä, missä verkon impedanssi pysyy vakiona läpi koko oikosulkutapahtuman. Todellisessa verkossa näin ei aina ole, vaan verkon impe-danssin suuruus voi muuttua oikosulun alkuhetkestä. Näin erityisesti, jos oikosulku ta-pahtuu lähellä tahtikoneita. Mitä lähempänä tahtikonetta ollaan, sitä suuremman osan se määrittää vikapaikassa näkyvästä verkon impedanssista. Johtuen tahtikoneiden sähköi-sistä ominaisuuksista, niiden reaktanssi muuttuu oikosulun kestoaikana ja näin ollen verkon impedanssi ei pysy vakiona. Tämä puolestaan vaikuttaa oikosulkuvirran tasavir-takomponenttiin. Kun tämä vaikutus otetaan huomioon, voidaan generaattorin syöttä-mälle oikosulkuvirralle esittää sen käyrämuoto kuvan 2.9 mukaisesti, tasavirtakom-ponentin saadessa maksimiarvonsa oikosulun alkuhetkellä. [2]


Kuva 2.9. Tahtigeneraattorin syöttämä epäsymmetrinen oikosulkuvirta, kun jännitteen

ja verkon impedanssin vaihekulmien erotus on -90°. Kuvassa "kI on alkuoi-

kosulkuvirta, Ik on jatkuvan tilan oikosulkuvirta ja is on oikosulkuvirran huippuarvo. [14]

Koska tasavirtakomponentin vaimeneminen riippuu verkon aikavakiosta eli sen re-

aktanssien ja resistanssien välisestä suhteesta, voidaan aikavakiota kuvata yhtälöllä 2.7 vian tapahtuessa lähellä tahtikonetta. [2]

)(

"

nd

nd

RR

XX

++=

ωτ (2.7)

missä

"dX generaattorin alkureaktanssi

Xn verkon reaktanssi vikapaikan ja generaattorin välillä Rd generaattorin resistanssi Rn verkon resistanssi vikapaikan ja generaattorin välillä

2.4.2. Vaihtovirtakomponentin vaimeneminen

Oikosulkutilanteessa tahtikoneiden sisäiset impedanssimuutokset vaikuttavat koneen sähkömotoriseen voimaan, mikä puolestaan vaikuttaa sen syöttämään virtaan. Mitä lä-hempänä tahtikonetta vika tapahtuu, sitä suuremman osan se syöttää vikapaikan oi-kosulkuvirrasta ja näin ollen sen sisäisten impedanssimuutosten vaikutus korostuu. Tah-tikoneen läheisyys saa aikaan sen, että myös oikosulkuvirran vaihtovirtakomponentti vaimenee, johtuen muutoksista tahtikoneen reaktanssissa. Jos oikosulku tapahtuu het-kellä, jolloin tasavirtakomponenttia ei synny, saa generaattorin syöttämä oikosulkuvirta kuvan 2.10 mukaisen käyrämuodon. Oikosulkuvirta on kyseisessä tapauksessa symmet-rinen ja vaihtovirtakomponentti vaimenee.


Kuva 2.10. Generaattorin syöttämä symmetrinen oikosulkuvirta. Kuvas-

sa "kI on alkuoikosulkuvirta, '

kI on muutosoikosulkuvirta ja

Ik on jatkuvan tilan oikosulkuvirta. [14] Tahtikoneen ja tässä tapauksessa generaattorin vaikutusta oikosulkuvirtoihin voi-daan havainnollistaa tarkastelemalla generaattorin ominaisuuksia vikatilanteessa. Gene-raattorin sähkömotoristen voimien suuruudet riippuvat sen kuormitusvirran suuruudesta ennen vian syntymistä seuraavien yhtälöiden mukaisesti [6]

IjXUE dng"" += (2.8)

IjXUE dng'' += (2.9)

IjXUE dng += (2.10)

joissa

"E generaattorin alkutilan sähkömotorinen voima 'E generaattorin muutostilan sähkömotorinen voima

E generaattorin pysyvän tilan sähkömotorinen voima

ngU tahtikoneen nimellinen vaihejännite

"dX generaattorin alkureaktanssi

'dX generaattorin muutostilan reaktanssi

dX generaattorin pysyvän tilan reaktanssi

I tahtikoneen kuormitusvirta ennen oikosulkua


Tyhjäkäyvälle generaattorille pätee [4]

E” =E’=E=3ngU

(2.11)

Generaattorin sähkömotorisen voiman perusteella voidaan ratkaista sen syöttämät oi-kosulkuvirrat alkuhetkeen ekstrapoloituina tehollisarvoina. Virrat saadaan seuraavien yhtälöiden perusteella [4].

( ) ( )2"2

""

ndnd

k

XXRR

EI

+++= (2.12)

( ) ( )2'2

''

ndnd

k

XXRR

EI

+++= (2.13)

( ) ( )22ndnd

k

XXRR

EI

+++= (2.14)

joissa

"kI alkuoikosulkuvirta 'kI muutostilan oikosulkuvirta

kI jatkuvan tilan oikosulkuvirta

dR generaattorin resistanssi

nR vikapaikan ja generaattorin välinen resistanssi

nX vikapaikan ja generaattorin välinen reaktanssi

Jos oletetaan kuvan 2.7 sijaiskytkennän reaktanssin Xk kuvaavan koko verkon reak-tanssia, mukaan lukien tahtikoneen, voimme esittää verkon oikosulkuvirran sijoittamalla yhtälöiden 2.12…2.14 virrat yhtälöön 2.3. Oikosulkuvirta voidaan tällöin esittää seu-raavasti. [4]

( ) ( ) ( ) ( )

+−+−+−+−=

−−

k

t

kkk

t

kk teIIteIIti ϕαωϕαω ττ sinsin2)('" ''"

( ) ( )

−+−+

−

k

t

kkk eItI ϕαϕαω τ sinsin " (2.15)


missä

τ” oikosulkuvirran alkutilanaikavakio

τ’ oikosulkuvirran muutostilan aikavakio

Kuva 2.11. Epäsymmetrinen oikosulkuvirta tahtikoneen läheisyydessä. Kuvassa Ik” on

alkuoikosulkuvirta, Ik on jatkuvan tilan oikosulkuvirta, ip on sysäysoikosulku-virta ja A on tasavirtakomponentin alkuarvo. [1]

Tahtikoneen läheisyys saa oikosulkuvirran vaihtovirtakomponentin vaimenemaan ja

oikosulkuvirran käyrämuoto on kuvan 2.11 mukainen, kun tasavirtakomponentti saa maksimiarvon alkutilanteessa. Oikosulkuvirta on kyseisessä tilanteessa epäsymmetrinen kunnes saavutetaan jatkuva tila. Tahtikoneen vaikutus virran vaimenemiseen on selkeä, jos saatua tulosta verrataan kaukana tahtikoneista tapahtuvaan oikosulkuun, jonka käy-rämuoto on esitetty kuvassa 2.8. Kaukana tahtikoneista alkuoikosulkuvirran suuruus on sama kuin jatkuvan tilan virralla. Tahtikoneen vaikutuksesta vaihtovirtakomponentti vaimenee ja jatkuvan tilan virta on pienempi kuin alkuoikosulkuvirta. Vaihtovirtakom-ponentin vaimeneminen on riippuvainen verkon aikavakioista, joihin vaikuttavat puo-lestaan verkon reaktanssien suhteet. Näin ollen voidaan yhtälön 2.15 aikavakiot määri-tellä seuraavasti. [4]

"0'

""

dnd

nd

XX

XX ττ++= (2.16)

'0

''

dnd

nd

XX

XX ττ++= (2.17)


missä "

0dτ tyhjäkäyntitilan alkuaikavakio '0dτ tyhjäkäyntitilan muutosaikavakio

2.5. Verkon mitoituksessa käytettävät oikosulkusuur eet

Verkon mitoitusperiaatteiden ymmärtämiseksi on hyvä tuntea siinä käytettävät oikosul-kusuureet. Seuraavissa kappaleissa käydään läpi laskennassa ja mitoittamisessa tarvitta-vat perussuureet. Suureiden määrittämisessä tukeudutaan IEC-standardin 909 mukaisiin määritelmiin ja kaavoihin. Oikosulkuvirtojen vikatyyppikohtaiseen laskentaan perehdy-tään tarkemmin kappaleessa kolme.

2.5.1. Alkuoikosulkuvirta I’’ k

Alkuoikosulkuvirta ilmoittaa oikosulkuvirran vaihtovirtakomponentin tehollisarvon oi-kosulun syntyhetkellä. Alkuoikosulkuvirtaa käytetään lähinnä muiden oikosulkusuurei-den määrittämiseen, eikä sitä sellaisenaan hyödynnetä verkon mitoittamiseen. Teolli-suusverkkojen mitoittaminen alkuoikosulkuvirtojen perusteella johtaisi niiden turhaan ylimitoittamiseen, koska virrat vaimenevat yleensä nopeasti. Alkuoikosulkuvirran avul-la saadaan kuitenkin kuva verkon toiminnasta oikosulussa ja eri tekijöiden vaikutuksis-ta.

Alkuoikosulkuvirtaan vaikuttaa vikapaikkaa edeltävän verkon impedanssi, jonka suuruuden määrittää verkon komponenttien impedanssit. Muun muassa verkossa olevat tahti- ja epätahtikoneet syöttävät vikapaikkaan oikosulkuvirtaa, johtuen niiden magneet-tikenttiin varastoituneesta energiasta. Esimerkiksi epätahtikoneet pystyvät syöttämään virtaa vikapaikkaan 3…5 jakson ajan ennen magneettikenttien energian ehtymistä. Ko-neissa tapahtuvat sähköiset muutokset vaikuttavat myös oikosulkuvirtojen vaimenemi-seen niiden sisäisten impedanssien muuttuessa. [2; 4]

2.5.2. Sysäysoikosulkuvirta is

Sysäysoikosulkuvirta on suurin mahdollinen oikosulkuvirran hetkellisarvo. Se saavute-taan noin 10 ms kuluttua oikosulun syntyhetkestä kuten kuvasta 2.11 voi havaita. Ver-kon laitteiden mekaanisessa mitoituksessa hyödynnetään sysäysoikosulkuvirtaa ja tähän liittyen sitä saatetaan kutsua myös dynaamiseksi oikosulkuvirraksi. Sysäysoikosulkuvir-ta on mahdollista laskea alkuoikosulkuvirran perusteella yhtälön 2.18 mukaisesti. Las-kennassa tulee ottaa huomioon, että sysäysoikosulkuvirran suuruus on riippuvainen oi-kosulun syntyhetkestä sekä verkon kuormituksesta ennen vikaa. Sysäysoikosulkuvirtaan vaikuttaa erityisesti verkossa olevat pyörivät koneet, jotka voivat kasvattaa virtaa jopa 70 %. Tämä tulee huomioida varsinkin paljon moottorikäyttöjä sisältävässä prosessiteol-lisuudessa. [1; 2; 4]


Yhtälön 2.18 tulos vastaa vain yhdessä vaiheessa esiintyvää virtaa, kun oletetaan et-tä oikosulkuvirta on suurin mahdollinen. Yhtälöä voi kuitenkin käyttää kaikissa oi-kosulkutyypeissä, kolmivaiheisen oikosulun sysäysoikosulkuvirtaa laskettaessa voidaan olettaa, että oikosulku ilmenee yhtäaikaisesti kaikissa vaiheissa. [1]

"2 ks Ii κ= (2.18)

missä κ sysäyskerroin Sysäyskertoimen suuruuteen vaikuttaa verkon resistanssin ja reaktanssin välinen suhde. Tähän vaikuttaa puolestaan verkon laitteisto ja kuormitus. Kertoimen arvo voidaan mää-rittää likimääräisesti yhtälöstä 2.19 tai kuvasta 2.12. [1]

X

R

e3

98,002,1−

+≈κ (2.19)

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

R/X

κ

Kuva 2.12. Sysäyskertoimen κ riippuvuus verkon resistanssin R ja

reaktanssin X suhteesta. Yhtälön 2.18 käyttö on perusteltua, kun oikosulkukohtaa syötetään yksittäisen haa-ran kautta. Vikavirtoja laskettaessa käytetään yleensä Theveninin menetelmää, missä verkko kuvataan yksinkertaistetulla sijaiskytkennällä ja verkon oikosulkuimpedanssilla. Sysäysoikosulkuvirtaa laskettaessa tulee kuitenkin huomioida verkon rakenne ja mah-dolliset useammat oikosulkuvirtaa syöttävät haarat, koska nämä vaikuttavat virran suu-ruuteen. Syötettäessä vikapaikkaa useamman säteittäisen haaran kautta, voidaan sen sy-säysoikosulkuvirta saada selville laskemalla yhteen syöttävien haarojen sysäysoikosul-kuvirrat [1]. is=i s1+i s2+…+i sn (2.20)


missä is vikapaikan sysäysoikosulkuvirta is1, is2, …, isn ovat eri haarojen sysäysoikosulkuvirrat

Jos kyseessä on silmukoitu verkko, voidaan vikapaikassa esiintyvää sysäysoikosul-kuvirtaa arvioida käyttämällä kolmea vaihtoehtoista menetelmää sysäyskertoimen mää-rittämiseksi. Jos virran määrittämiselle ei vaadita suurta tarkkuutta, menetelmistä A on riittävä. [1]

Menetelmä A Sysäyskerroin määritellään verkon resistanssin ja reaktanssin suhteena merkiten

κ=κa. Kerroin κa voidaan määrittää kuvasta 2.12 käyttämällä pienintä R/X suhdetta kai-kissa syöttävissä haaroissa. Laskennassa voidaan ottaa lukuun vain ne haarat, jotka yh-dessä syöttävät vikapaikkaan 80 % virrasta normaalitilanteessa. Pienjänniteverkoissa

kertoimen κa arvo rajoitetaan 1,8.

Menetelmä B Sysäyskerroin määritetään vikapaikassa näkyvän verkon oikosulkuimpedanssin

Zk=Rk+jXk resistanssin ja reaktanssin suhteen R/X perusteella. Lisäksi käytetään korja-uskerrointa 1,15 ehkäisemään syntyneitä epätarkkuuksia, johtuen silmukoidun verkon kuvaamisesta kompleksisin termein. Pienjänniteverkoissa sysäyskertoimen arvo rajataan 1,8 ja suurjänniteverkoissa 2,0. Sysäyskerroin voidaan ilmaista seuraavasti, kun kerroin

κb saadaan kuvasta 2.12.

κ=1,15κb (2.21)

Menetelmä C Tässä menetelmässä hyödynnetään ekvivalenttista taajuutta fc, joka on 20 Hz verkon

normaalitaajuuden ollessa 50 Hz. Merkitään κ=κc, missä tekijä κc saadaan kuvasta 2.12 seuraavan perusteella.

f

f

X

R

X

R C

C

C ⋅= (2.22)

missä

{ } RZR CC ≠= Re ekvivalenttinen resistanssi vikapaikasta nähtynä, kun taajuutena fc

{ } XZX CC ≠= Im ekvivalenttinen reaktanssi vikapaikasta nähtynä, kun taajuutena fc

Vikapaikan impedanssi Zc saadaan kaavasta 2.23, jos sijaiskytkennässä vikapaikan

ainoana syöttävänä lähteenä on ekvivalenttinen jännitelähde, jonka taajuus on 20 Hz.


CCCCCC LfjRjXRZ π2+=+= (2.23)

missä

CL piirin ekvivalenttinen induktanssi taajuudella fc

Oikosulun tapahtuessa pyörivien koneiden läheisyydessä, voidaan vikapaikan sy-

säysoikosulkuvirta laskea, kuten usean syöttävän haaran tapauksessa. Tällöin lasketaan yhteen syöttävien haarojen sekä pyörivien koneiden aikaansaamat sysäysoikosulkuvirrat kaavan 2.24 mukaisesti. Pyörivien koneiden tapauksessa tulee ottaa huomioon, että niil-lä pitää käyttää korjattuja resistansseja ja reaktansseja sysäysoikosulkuvirtaa laskettaes-sa. Tämä johtuu vaihtovirtakomponentin vaimenemisesta ensimmäisen puolijakson ai-kana, joka aiheuttaa virhettä yhtälöllä 2.18 laskettuun arvoon. Virhettä voidaan kom-pensoida käyttämällä korjattuja arvoja. Arvojen määrittäminen käsitellään tarkemmin luvussa 4.2.2. [4]

...+++= sMsTsPSUs iiii (2.24)

missä

sPSUi generaattoreiden sysäysoikosulkuvirrat

sTi syöttävien haarojen sysäysoikosulkuvirrat

sMi moottoreiden sysäysoikosulkuvirrat

2.5.3. Muutostilan oikosulkuvirta I’ k

Muutostilan oikosulkuvirta on verkossa oikosulun syntyhetken jälkeen esiintyvän vaih-tovirtakomponentin tehollisarvo. Epäsymmetrisen virran tapauksessa se vaimenee voi-makkaasti, kunnes oikosulkuvirta saavuttaa pysyvän tila. Symmetrisessä tapauksessa alku-, muutos- sekä pysyvän tilan oikosulkuvirrat ovat samat, jos vika ilmenee kaukana tahtikoneista. Nopean vaimenemisensa takia muutostilan oikosulkuvirralle ei voida an-taa yksiselitteistä arvoa ja siksi sitä ei juuri käytetä verkon mitoituksessa. Verkon suoja-us toimii kuitenkin yleensä muutostilan aikana ja sen toiminnan aikana vallitsevaa virtaa kutsutaan katkaisuhetken oikosulkuvirraksi muutostilan oikosulkuvirran asemesta.

2.5.4. Pysyvän tilan oikosulkuvirta I k

Pysyvän tilan oikosulkuvirta saavutetaan, kun kaikki muutosilmiöt ovat vaimenneet. Sen arvon määritteleminen ei ole niin yksiselitteistä kuin alkuoikosulkuvirran ja lasken-nan tulokset jäävätkin näin epätarkemmiksi. Pysyvän tilan oikosulkuvirtaan vaikuttavat muun muassa tahtikoneiden magnetointitapa ja – säätö, generaattoreiden ja muuntajien automaattiset jännitteensäädöt sekä verkon kytkentätilojen muutokset oikosulun aikana.


Epätahtikoneet eivät yleensä vaikuta pysyvän tilan oikosulkuvirtaan, mutta epäsymmet-risten vikojen tapauksessa sekin voi olla mahdollista. [1; 2]

Verkon mitoituksen kannalta riittää yleensä, kun määritetään pysyvän tilan oikosul-kuvirralle sen maksimiarvo. Tämän arvon perusteella pystytään verkko suunnittelemaan oikosulkukestoiseksi. Koska oikosulkusuojat ehtivät yleensä toimia ennen kuin pysyvän tilan oikosulkuvirta saavutetaan, ei pienimmän mahdollisen pysyvän tilan virran arvoa ole välttämätöntä tuntea. Seuraavassa määritetään pysyvän tilan oikosulkuvirta sillä ole-tuksella, että vikaantunutta säteittäistä verkkoa syöttää vain yksi tahtikone. Tällöin suu-rin pysyvän tilan oikosulkuvirta saadaan tahtikoneen magnetoinnin suurimmalla arvolla. [1; 4]

rGk II maxmax λ= (2.25)

missä

maxλ tahtikoneen suurinta mahdollista magnetointia vastaava kerroin

rGI tahtikoneen nimellinen virta

Tahtikoneen suurinta magnetointia vastaava kerroin saadaan kuvien 2.13. ja 2.14. esittämistä käyrästöistä. Kuvan 2.13. kertoimia voi hyödyntää niin turbogeneraattoreille kuin myös umpinapatahtimoottoreille, kuvan 2.14 arvot käyvät puolestaan avonapako-neille. [1]

Kuva 2.13. Kertoimen λmax määrittäminen turbogeneraattorille ja umpinapa-

tahtimoottorille. Kuvassa xdsat on kyllästyneen tilan tahtireaktans-sin arvo ja I”kG/InG on generaattorin syöttämän alkuoikosulkuvir-ran suhde sen nimellisvirtaan.[1]


Kuva 2.14. Kertoimen λmax määrittäminen avonapatahtimoottorille. Kuvassa

xdsat on kyllästyneen tilan tahtireaktanssin arvo ja I”kG/InG on ko-neen syöttämän alkuoikosulkuvirran suhde sen nimellisvirtaan.[1]

Kuvia 2.13 a.) ja 2.14 a.) voidaan hyödyntää tapauksissa, joissa turbogeneraattorin maksimi magnetointijännite on 1,3-kertainen nimelliseen verrattuna ja avonapakoneilla 1,6-kertainen nimelliseen verrattuna. Kuvissa esitetty vaihtoehto b.) pätee tilanteille, missä turbogeneraattorin suurin magnetointijännite on 1,6-kertainen ja avonapakoneen 2,0-kertainen nimelliseen magnetointijännitteeseen nähden. [1]

Jos vikapaikkaa syöttää useampi rinnakkainen haara, voidaan pysyvän tilan oikosul-kuvirta saada laskemalla yhteen syöttävien haarojen pysyvän tilan virrat. Huomioitavaa on kuitenkin, että generaattoreille ja niiden sekä muuntajien yhdistelmille tulee pysyvän tilan oikosulkuvirtana käyttää katkaisuhetken oikosulkuvirtaa. Tämä siksi, että generaat-toreiden oletetaan putoavan tahdista, jolloin niiden katkaisijat toimivat. Syöttävän ver-kon osalta käytetään sen alkuoikosulkuvirtaa. Silmukoidun verkon tapauksessa vikapai-kan pysyvän tilan virtana voidaan käyttää alkuoikosulkuvirtaa, missä ei ole huomioitu moottoreiden vaikutusta. [1]

2.5.5. Katkaisuhetken oikosulkuvirta I b

Katkaisuhetken oikosulkuvirta on vaihtovirtakomponentin tehollisarvo hetkellä, jolloin katkaisimen koskettimet aukeavat. Kyseinen virta voidaan laskea yhtälön 2.26 perus-teella, missä on otettu huomioon vaihtovirtakomponentin vaimeneminen ennen kosket-

timien aukeamista katkaisukertoimen µ avulla. [1]

"kb II µ= (2.26)

Katkaisukertoimen suuruus riippuu katkaisuviiveestä sekä tahtikoneen syöttämän

alkuoikosulkuvirran ja sen nimellisen virran suhteesta. Katkaisuviive on puolestaan ai-


ka, joka kuluu oikosulun syntyhetkestä katkaisimen koskettimien aukeamiseen. Katkai-sukerroin voidaan määrittää yhtälöiden 2.27...2.30 avulla tai kuvasta 2.15. Muissa tapa-

uksissa kuin mitä yhtälöillä on esitetty, voidaan katkaisukertoimen arvona käyttää µ=1. Myös siinä tapauksessa, että tahtikoneen virtojen I” kG/IrG suhde on pienempi kuin kaksi,

voidaan katkaisukertoimena käyttää µ=1 kaikilla katkaisuviiveen arvoilla.

rG

kG

I

I

e

"

26,0

26,084,0−

+=µ , kun tmin=0,02s (2.27)

rG

kG

I

I

e

"

30,0

51,071,0−

+=µ , kun tmin=0,05s (2.28)

rG

kG

I

I

e

"

32,0

72,062,0−

+=µ , kun tmin=0,10s (2.29)

rG

kG

I

I

e

"

38,0

94,056,0−

+=µ , kun tmin≥0,25s (2.30) missä

"kGI tahtikoneen syöttämä alkuoikosulkuvirta

rGI tahtikoneen nimellisvirta

tmin katkaisuviive

Kuva 2.15. Katkaisukerroin µ eri katkaisuviiveillä. [1]

Useita säteittäisiä haaroja sisältävässä verkossa, voidaan vikapaikan katkaisuoi-

kosulkuvirta määrittää laskemalla yhteen haarojen katkaisuoikosulkuvirrat. Laajoille


syöttäville verkoille voidaan käyttää katkaisuvirran arvona alkuoikosulkuvirtaa. Epätah-tikoneilla käytetään niiden katkaisuoikosulkuvirtaa, joka voidaan määrittää yhtälöllä 2.31. Silmukoidun verkon tapauksessa voidaan katkaisuoikosulkuvirtana käyttää vika-paikan alkuoikosulkuvirtaa. Tällöin tulee kuitenkin ottaa huomioon, että kyseinen arvo on suurempi kuin verkossa esiintyvä oikea katkaisuvirta. Silmukoidun verkon katkaisu-oikosulkuvirran tarkempi määrittäminen on esitetty lähteessä 1 sivulla 97. [1]

"kbM qII µ= (2.31)

missä

µ katkaisukerroin, joka saadaan yhtälöistä 2.27…2.30 tai kuvasta 2.15 q korjauskerroin moottoreiden katkaisuoikosulkuvirran laskentaa varten Moottorin korjauskerroin q voidaan määrittää joko kuvasta 2.16 tai se on mahdollista laskea yhtälöiden 2.32…2.35 avulla. Korjauskertoimen arvo määräytyy katkaisuviiveen sekä moottorin napaparia kohden olevan nimellistehon perusteella. Nimellisteho napa-paria kohden on yhtälöissä 2.32…2.35 ilmaistu kirjaimella m.

Kuva 2.16. Korjauskertoimen q määrittäminen moottorille. [1]

mq ln12,003,1 += , kun tmin=0,02s (2.32) mq ln12,003,1 += , kun tmin=0,05s (2.33) mq ln12,003,1 += , kun tmin=0,10s (2.34)

mq ln12,003,1 += , kun tmin≥0,25s (2.35) Jos korjauskertoimen arvoksi saadaan enemmän kuin yksi käytettäessä yhtälöitä 2.32…2.35, tulee sen arvona kuitenkin käyttää yhtä.


2.5.6. Ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta I th

Oikosulkuvirta aiheuttaa verkossa johtimien lämpenemistä, joka on otettava huomioon mitoitettaessa verkon oikosulkukestoisuutta. Lämpenemän huomioimiseksi on mahdol-lista laskea vikapaikalle tehollisarvoinen virta, jolla on sama kestoaika sekä lämmittävä vaikutus kuin verkon kokemalla oikealla oikosulkuvirralla. Tätä laskettua virran arvoa kutsutaan ekvivalenttiseksi termiseksi oikosulkuvirraksi. Oikosulkuvirran termisen vai-kutuksen laskemisessa hyödynnetään vikapaikalle laskettua alkuoikosulkuvirtaa ja oi-kosulkuvirran komponenttien vaimeneminen huomioidaan erillisillä kertoimilla. Näin ollen ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta on mahdollista laskea yhtälöstä. [15]

nmII kth += " (2.36)

missä m tasavirtatekijä n vaihtovirtatekijä

Oikosulkuvirran tasakomponentin vaimeneminen huomioidaan tekijän m avulla. Ta-savirtatekijän suuruuteen vaikuttaa sysäyskertoimen suuruus sekä oikosulun kestoaika. Tekijän m arvo on mahdollista määrittää kuvasta 2.17.

Kuva 2.17. Tasavirtatekijä m [15]

Vaihtovirtatekijällä n voidaan ottaa huomioon oikosulkuvirran vaihtovirtakom-

ponentin vaimeneminen. Vaihtovirtatekijän suuruus määräytyy alkuoikosulkuvirran ja pysyvän tilan virran suhteen sekä oikosulun kestoajan perusteella. Tekijä n on mahdol-lista määrittää kuvasta 2.18.


Kuva 2.18. Vaihtovirtatekijä n [15]

Sähkönjakeluverkkojen suojauksessa, erityisesti keskijännitejakelussa, hyödynne-tään verkon jälleenkytkentöjä, jonka takia verkossa voi esiintyä peräkkäisiä oikosulkuja. Näissä tapauksissa täytyy ottaa huomioon jälleenkytkentöjen aikana esiintyvä oikosul-kuvirta sekä oikosulun kokonaisvaikutusaika. Ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta on tällöin ratkaistavissa yhtälön 2.37 perusteella. [15]

∑=

=n

ikithi

kth TI

TI

1

21 (2.37)

missä

∑=

=n

ikik TT

1

(2.38)

Jos vikapaikkaa syöttää useita oikosulkulähteitä, on vikapaikan ekvivalenttinen ter-

minen oikosulkuvirta mahdollista laskea summaamalla yhteen eri oikosulkulähteiden syöttämät vastaavat virrat. Laskettaessa eri lähteiden termisiä oikosulkuvirtoja yhteen, tulee niiden nimellisjännitteiden ero suhteessa vikapaikan jännitetasoon huomioida tie-tyn suuruisilla painotuskertoimilla. Painotuskertoimina on mahdollista käyttää syöttä-välle verkolle sekä generaattoreille arvoa 1,0 ja moottoreille puolestaan arvoa 0,95.

2.6. Teollisuusverkon erityispiirteet

Teollisuuden sähkönjakeluverkot poikkeavat sähkölaitosten verkoista niin rakenteeltaan kuin myös jännitetasoiltaan. Etäisyydet sähköasemien ja kuormituspisteiden välillä ovat pääsääntöisesti pienemmät kuin sähkölaitosten verkoissa ja kuormitustiheys on suuri. Tyypillisesti teollisuuden keskijänniteverkoissa jakelujännitteinä käytetään Suomessa 3 kV, 6 kV, 10 kV ja 20 kV, kun taas sähköyhtiöillä jakelujännitteet ovat 20 kV, 110 kV ja 400 kV. Teollisuuslaitokset liitetään ulkopuoliseen verkkoon, joka isommissa yli 10


MW laitoksissa on yleensä 110 kV verkko. Pienempien laitosten kohdalla on myös mahdollista niiden liittyminen jakeluyhtiön keskijänniteverkkoon. Liityntä ulkopuoli-seen verkkoon tapahtuu yleensä avojohtojen välityksellä, jotka tuodaan tehdasalueen läheisyyteen tai suoraan alueella sijaitsevaan kytkinlaitokseen. Teollisuuslaitosten säh-köverkot ovat pääosin kaapeliverkkoa ja sisältävät vain vähän, jos ollenkaan, avojohto-osuuksia. Ominaista niille on myös se, että niitä käytetään yleensä säteittäisenä. [16]

Silmukoidulla verkolla haetaan käyttövarmuutta ja taloudellisuutta, mutta sen seura-uksena verkon suojausratkaisut tulevat vaikeammin toteutettaviksi sekä oikosulkuvirrat saattavat kasvaa. Tehdasverkkojen, erityisesti prosessiteollisuudessa, ongelmana ovat usein liian suuret oikosulkuvirrat. Oikosulkuvirtojen rajoittaminen ei aina ole helppoa ja lisäksi se voi vaatia kalliita muutoksia. Säteittäisen verkon käytöllä ehkäistään liian suu-rten oikosulkuvirtojen syntyminen, estämällä kaikkia oikosulkuvirtalähteitä syöttämästä oikosulkuvirtaa vikapaikkaan rinnakkaisten yhteyksien kautta. Säteittäisellä käytöllä saadaan myös samalla yksinkertaistettua suojausratkaisuja. Silmukoitujen verkkojen etuna on niiden toimintavarmuus vikatilanteessa, jolloin häiriö verkossa ei välttämättä aiheuta katkosta kuormituspisteessä. Tehdasverkkojen varmuutta pyritään kasvattamaan tekemällä verkoista rengasmaisia, mutta käyttämällä niitä säteittäisinä. Säteittäinen käyttö ei kuitenkaan mahdollista katkotonta syöttöä, koska varayhteydet ovat kytkettä-vissä vasta, kun vikaantunut lähtö on irtikytketty. Järjestelyllä voidaan kuitenkin var-mistaa, etteivät katkokset kestä liian pitkään ja tuotannon keskeytykset pysyvät inhimil-lisinä.

Teollisuusverkon oikosulkuvirrat ovat yleisesti ottaen suuremmat kuin tavallisissa jakeluverkoissa, johtuen verkkojen rakenteesta, jännitetasosta ja kuormituksista. Erityi-sesti prosessiteollisuuden piirissä saattavat oikosulkuvirrat nousta korkeiksi johtuen verkon sisältämistä lukuisista epätahtimoottoreista sekä omasta sähköntuotannosta. Oi-kosulkutilanteessa verkossa olevat epätahtikoneet syöttävät hetkellisesti oikosulkuvirtaa vikapaikkaan kasvattaen näin oikosulkuvirtoja. Samoin myös verkossa olevat generaat-torit sekä mahdolliset tahtikoneet, jotka vikatilanteessa käyttäytyvät kuten generaattorit, kasvattavat erityisesti jatkuvan tilan oikosulkuvirtoja. Vikapaikkaan oikosulkuvirtaa syöttävien laitteiden määrää voidaan kuitenkin rajoittaa verkon säteittäisellä käytöllä.

Myös verkon jännitetaso vaikuttaa esiintyvien oikosulkuvirtojen suuruuteen. Esi-merkiksi 6 kV jännitetaso on ongelmallisin oikosulkuvirtojen osalta, koska 40 kA:lle mitoitetut laitteet saattavat jäädä oikosulkukestoisuudeltaan riittämättömiksi [16]. Uu-demmissa laitoksissa ei yleensä enää käytetä 6 kV jakelua, johtuen suurista vikavirrois-ta. Mahdolliset vauriot voidaan välttää hankkimalla oikosulkukestoisuudeltaan järeäm-piä kojeistoja, mutta mitä korkeampia oikosulkukestoisuuksia vaaditaan sitä kalliim-miksi laitteet myös tulevat. Oikosulkuvirtojen kasvamisen rajoittamiseksi ja kustannus-ten pienentämiseksi saattaa kyseeseen tulla jännitetason suurentaminen, jolloin laitteisto voidaan mitoittaa alhaisemmille virroille.

30

3. VIKAVIRTOJEN LASKENTA

3.1. Yleistä

Sähköverkon toiminnan kannalta on oleellista tietää siinä esiintyvien vikavirtojen suu-ruudet erilaisilla kytkennöillä ja kuormituksilla. Verkon oikealla mitoituksella voidaan taata sen toimivuus niin suojauksen kuin myös laitteiston keston osalta eri vikatilanteis-sa. Vikavirtojen verkkoon kohdistamat termiset ja mekaaniset vaikutukset ovat verran-nollisia oikosulkuvirran neliöön, mikä asettaa vaatimuksensa laskennan tarkkuudelle. Väärät vikavirta-arvot voivat johtaa laitteiston turhaan ylimitoitukseen tai vaihtoehtoi-sesti alimitoitukseen. Huono mitoitus voi nostaa investointien kustannuksia liian järei-den laitehankintojen kautta tai se voi aiheuttaa laiterikkoja vikavirtakestoisuuden ylitty-essä. Vakavimmillaan virheelliset arvot voivat johtaa henkilöturvallisuuden vaarantumi-seen.

Oman hankaluutensa vikavirtojen tarkkaan määrittämiseen tuo virtojen suuruuden voimakas vaihtelu riippuen kulloinkin vallitsevasta verkon kytkentätilasta, kuormituk-sesta sekä vikatyypistä. Laskennassa voidaan myös joutua ottamaan huomioon verkon tulevaisuuden kehitys ja sen mukanaan tuomat vaatimukset. Näistä syistä johtuen saat-taa laskenta muodostua sangen työlääksi, kun muuttujien määrä on suuri ja laskettava verkko voi olla hyvinkin laaja. Laskennan helpottamiseksi on syytä tarkastella mitkä ovat sen tavoitteet ja mitä vaatimuksia ne asettavat tarkkuudelle. Sähköverkkoja suunni-teltaessa on oleellista tietää niissä esiintyvien virtojen tarkat arvot. Toisaalta käyttöhen-kilökunnan kannalta ei aina ole mielekästä selvittää virtoja vastaavalla tarkkuudella. Vaadittaessa nopeita kytkentätoimenpiteitä, saattaa käyttäjille riittää likimääräisempikin arvo. Käyttötarpeen perusteella voidaan valita haluttu ratkaisumenetelmä vikavirtojen selvittämiseksi.

Vikavirtojen ratkaisemiseksi on mahdollista käyttää erilaisia laskentamenetelmiä riippuen vaadittavasta tarkkuudesta. Vikavirtojen laskenta käsin on mahdollista, mutta hyvää laskentatarkkuutta vaadittaessa, varsinkin laajojen verkkojen kohdalla, siitä saat-taa tulla raskas toteutettava. Tarkempaan laskentaan käytetäänkin nykyään yleisesti eri-laisia tietokonesovelluksia, jotka pohjautuvat yleensä jonkin standardin ratkaisumene-telmiin. Yleisesti käytössä olevat standardit oikosulkuvirtojen ratkaisemiseksi ovat AN-SI ja IEC standardit. Tässä työssä pitäydytään kuitenkin IEC standardissa 909 käytettyi-hin oletuksiin ja laskentamalleihin, jotka hyödyntävät Theveninin menetelmää. Liki-määräisempiä tuloksia tarvittaessa helpoin ja myös käsin laskentaan hyvin soveltuva menetelmä perustuu verkon ominaisoikosulkutehoihin.

VIKAVIRTOJEN LASKENTA 31

3.2. Ominaisoikosulkuteho-menetelmä

Helpoin tapa ratkaista verkossa esiintyvien vikavirtojen suuruudet on käyttää ominai-soikosulkuteho-menetelmää. Tämä pätee silloin, kun likimääräinen tulos on riittävä ja virtojen vaihekulmia ei tarvita. Menetelmänä se on yksinkertainen käyttää ja soveltuu hyvin erityisesti säteittäisten verkkojen vikavirtojen ratkaisemiseen. Yksinkertaisuuten-sa takia ominaisoikosulkuteho-menetelmä sopii myös hyvin käsinlaskentaan.

Vikavirtojen aikaan saamaa tehoa voidaan kuvata oikosulkutehon käsitteellä, missä oletetaan, että vikapaikassa vaikuttaa samanaikaisesti sekä täysi oikosulkuvirta että ni-mellisjännite. Tietyn komponentin jälkeen esiintyvää oikosulkutehoa voidaan puoles-taan kuvata ominaisoikosulkuteholla, joka esiintyisi jos verkon muut osat eivät rajoittai-si sen suuruutta. Hyödyntämällä komponenttien ominaisoikosulkutehoja, voidaan melko yksinkertaisesti selvittää alkuoikosulkuvirta. Kyseinen virta on yleensä kiinnostuksen kohteena, koska sen avulla voidaan laskea muita arvoja ja se antaa myös hyvän, joskin karkean, vertailukohteen verkon eri osien välille. [9]

Laskettaessa vikavirtaa ominaisoikosulkuteholla, ei yleensä huomioida komponent-tien resistansseja vaan hyödynnetään niiden reaktansseja. Tämä tuo tuloksiin epätark-kuutta, mutta toisaalta se luo myös varmuutta, koska komponenttien oikosulkuimpe-danssit jäävät arvoltaan pienemmiksi. Tästä seuraa se, että saadut tulokset ovat todellista suurempia, eikä näin ollen saada alimitoitettuja arvoja. Täytyy kuitenkin muistaa, että ominaisoikosulkuteho-menetelmää tulisi käyttää vain suuntaa antavana apukeinona vi-kavirtojen nopeaan arviointiin. Seuraavassa käydään läpi menetelmässä käytettävät las-kentaperusteet. [9]

Jotta voitaisiin laskea vikapaikassa esiintyvä alkuoikosulkuvirta, tulee selvittää mikä on kyseisessä paikassa esiintyvä kokonaisoikosulkuteho. Kyseinen teho saadaan selville melko helposti laskemalla yhteen vikapaikkaa syöttävän verkon komponenttien ominai-soikosulkutehot. Tehoja yhteen laskettaessa tulee huomioida verkon rakenne eli onko oikosulkutehoa syöttävät komponentit rinnan tai sarjaan kytkettyjä. Kokonaisoikosulku-teho voidaan näin ollen laskea seuraavasti. [9]

Rinnan kytkettyjen komponenttien tapauksessa voidaan niiden ominaisoikosulkute-

hot laskea suoraan yhteen kokonaisoikosulkutehon määrittämiseksi.

knkkkk SSSSS ++++= ...321 (3.1)

Sarjaan kytkettyjen komponenttien kokonaisoikosulkuteho saadaan laskemalla yh-teen komponenttien ominaisoikosulkutehojen käänteisarvot.

knkkkk SSSSS

1...

1111

321

++++= (3.2)


missä

kS ominaisoikosulkuteho

1kS … knS verkon komponenttien ominaisoikosulkutehot

Alkuoikosulkuvirta voidaan määrittää verkon ominaisoikosulkutehon perusteella seuraavan yhtälön mukaisesti:

n

kk

U

SI

3

1,1 ⋅= (3.3)

Verkon kokonaisoikosulkutehon määrittämiseksi tulee selvittää vikapaikkaa syöttä-vän verkon komponenttien vaikutukset oikosulkuvirtaan. Pääasiassa oikosulkuvirtaan vaikuttavat muuntajat ja generaattorit, myös mahdolliset kuristimet tulee ottaa huomi-oon. Koska ominaisoikosulkuteho-menetelmä on lähinnä suuntaa antava, voidaan las-kennan nopeuttamiseksi epätahtikoneiden kohdalla käyttää harkintaa niiden huomioimi-sessa. Epätahtikoneet syöttävät vikatilanteessa virtaa muutaman jakson ajan, mikä suu-rentaa alkuoikosulkuvirtaa. Suuret moottorit on syytä laskea mukaan, koska niiden vai-kutus alkuoikosulkuvirtaan on merkittävä. Pienten moottoreiden kohdalla voidaan moottorit jättää huomiotta, jos niiden määrä on vähäinen. Teollisuusverkoissa, joissa pienien moottorien määrä saattaa olla suuri, voidaan niiden vaikutus huomioida ekviva-lenttisen moottorin avulla.

Muuntajien, tahtikoneiden ja kuristimien tapauksessa, voidaan ominaisoikosulkute-hot määrittää yhtälön 3.4 tai yhtälön 3.5 perusteella.

k

nk Z

US

2

= (3.4)

d

n

k

nk z

S

z

SS ≈= (3.5)

missä

kS ominaisoikosulkuteho

nU kyseessä olevan komponentin nimellispääjännite

kZ komponentin oikosulkuimpedanssi ohmeina vaihetta kohti

nS komponentin nimellisteho

kz oikosulkuimpedanssin suhteellisarvo

dz tahtikoneen tahtireaktanssin suhteellisarvo


Epätahtikoneiden oikosulkuimpedanssi voidaan määrittää kaavan 3.6 avulla [6].

n

n

nsk S

U

IIZ

21= (3.6)

missä

sI moottorin käynnistysvirta

nI moottorin nimellisvirta

Epätahtikoneen ominaisoikosulkuteho voidaan puolestaan johtaa kaavasta 3.4, si-

joittamalla siihen koneen oikosulkuimpedanssi. Tällöin ominaisoikosulkuteho on määri-tettävissä seuraavasti.

n

snk I

ISS = (3.7)

3.3. Theveninin menetelmä

Vikaantuneessa verkon osassa esiintyviä virtoja olisi periaatteessa mahdollista laskea sähköopin perusteiden pohjalta Kirchhoffin lakeja hyödyntäen. Teollisuusverkoissa, eri-tyisesti prosessiteollisuudessa, on kuitenkin tyypillistä suuri moottorikäyttöjen määrä ja niissä on yleensä myös omaa sähköntuotantoa. Tämä tarkoittaa sitä, että häiriötilantees-sa vikapaikassa esiintyvää vikavirtaa saattaa syöttää monta eri lähdettä. Näiden kaikkien lähteiden huomioon ottaminen olisi erittäin raskasta vikavirtojen laskennan kannalta. Näin ollen vikavirtojen selvittämisessä hyödynnetäänkin yleisesti Theveninin menetel-mää, joka mahdollistaa vain yhden ainoan lähteen huomioimisen.

3.3.1. Vikaantuneen verkon sijaiskytkentä

Theveninin menetelmässä vikaantunut verkko korvataan sijaiskytkennällä, jossa verkon muut jännitteet oletetaan nolliksi ja vikapaikkaan sijoitetaan jännitelähde. Sitä kutsutaan ekvivalenttiseksi jännitelähteeksi ja se on ainoa verkkoa syöttävä lähde. Verkon muut komponentit ja lähteet kuvataan niiden oikosulkuimpedansseilla. Ekvivalenttisen jänni-telähteen ja komponenttien impedanssien avulla voidaan kullekin verkolle ja vikatapa-ukselle muodostaa niitä kuvaavat sijaiskytkennät. Kuvassa 3.1 esitetään yksinkertainen kuvitteellinen verkko ja sen sijaiskytkentä. [1; 6]


Kuva 3.1. Vikaantuneen verkon sijaiskytkentä. Kuvassa syöttö ta-

pahtuu jäykästä verkosta pisteeseen Q ja vika ilmenee pisteessä F. Sijaiskytkennässä ZQ, Zt ja ZL ovat verkon komponenttien oikosulkuimpedanssit ja I”k on vikapai-kassa ilmenevä alkuoikosulkuvirta.[1]

Kuvan 3.1. esittämä tapaus kuvaa vastuksetonta kolmivaiheista oikosulkua, joka on

luonteeltaan symmetrinen. Tämä vikatyyppi on yleisesti perustapaus tarkasteltaessa vi-kavirtoja, koska suurimmassa osassa tapauksia se aiheuttaa suurimmat vikavirrat. Sym-metrisestä luonteesta johtuen, se on myös yksinkertaisesti laskettavissa. Kuvassa esite-tyn sijaiskytkennän perusteella voidaan pisteessä F esiintyvä alkuoikosulkuvirta esittää seuraavasti. [1]

k

n

kk

nk

Z

cU

XR

cUI

33 22

" =+

= (3.8)

missä c jännitekerroin jolla kompensoidaan verkossa esiintyvien muutoksien aikaan-

saamia eroja nimellisjännitteen ja verkon sähkömotoristen voimien välillä (arvot taulukossa 3.1)

nU verkon nimellisjännite

kR verkon komponenttien yhteenlasketut oikosulkuresistanssit

kX verkon komponenttien yhteenlasketut oikosulkureaktanssit, jos verkossa olisi

tahtikoneita, käytettäisiin niiden osalta alkureaktansseja.

kZ verkon oikosulkuimpedanssi


Taulukko 3.1. Jännitekerroin c standardin IEC 909 mukaan. [1]

maksimi oikosulkuvirtaa laskettaessa

cmax

minimi oikosulkuvirtaa laskettaessa

cmin

Pienjännite 100V-1000Va) 230V/400V 1,00 0,95b) muut jännitteet 1,05 1,00Keskijännite 1kV-35kV 1,10 1,00Suurjännite 35kV-230kV 1,10 1,00

Nimellisjännite Un

Jännitekerroin c

Tarkasteltaessa muita vikatyyppejä kuin puhdasta kolmivaiheista oikosulkua, täytyy ottaa huomioon, että vian vaikutus ei ole sama kaikissa vaiheissa. Näissä epäsymmetri-sissä tapauksissa vaiheissa liikkuu erisuuruisia virtoja, jolloin kuvassa 3.1 esitetyn kal-tainen sijaiskytkentä ei yksinään riitä. Ratkaisuna tähän ongelmaan on hyödyntää sym-metrisiä komponentteja, joiden avulla verkosta muodostetaan myötä-, vasta- ja nolla-komponenttiverkot. Symmetriset komponentit ovat matemaattinen apukeino, missä ver-kon vaiheissa esiintyvät virrat kuvataan myötä-, vasta ja nollavirtojen avulla. Jokaisella komponenttiverkolla on myös oma impedanssinsa, mistä seuraa että verkon komponen-teille tulee selvittää niiden myötä-, vasta- ja nollaimpedanssit. Myötä- ja vastaimpedans-sit ovat yhtä suuria verkon eri komponenteilla paitsi pyörivillä koneilla, nollaimpedans-sit eroavat myötäimpedansseista kaikilla komponenteilla. Vian tyyppi määrittelee kuin-ka symmetriset verkot kytkeytyvät yhteen ja millainen sijaiskytkentä lopulta verkosta muodostetaan. Vikavirrat epäsymmetrisissä tapauksissa saadaan ratkaistua noudattamal-la kaavassa 3.8 esitettyä periaatetta, eli vikapaikan virta saadaan koko sijaiskytkennän oikosulkuimpedanssin perusteella, mikä pitää sisällään kunkin verkon impedanssin. [1; 17]

3.3.2. Kolmivaiheinen oikosulku

Kuvassa 3.1 esiteltiin yksinkertainen esimerkki kolmivaiheisesta oikosulusta ja sen poh-jalta saatiin ratkaistua vikapaikassa esiintyvä alkuoikosulkuvirta. Apuna käytettiin si-jaiskytkentää, joka itse asiassa esittää myötäverkkoa ja siinä esiintyvät impedanssit ovat komponenttien myötäimpedansseja. Komponentin myötäimpedanssi on sen niin sanottu tavallinen impedanssi, joka saadaan yleensä selville esimerkiksi valmistajan laitekilves-tä. Koska muissa vikatyypeissä joudutaan käyttämään myös vasta- sekä nollaverkkoja ja niiden impedansseja, voidaan kaavaa 3.8 muuttaa vastaamaan symmetristen komponent-tien käyttöä. Tällöin se voidaan saattaa seuraavaan muotoon. [1]

121

21

"3

33 Z

cU

XR

cUI nn

k =+

= (3.9)


missä

1R verkon komponenttien yhteenlasketut myötäresistanssit

1X verkon komponenttien yhteenlasketut myötäreaktanssit

1Z verkon myötäimpedanssi

Kyseinen ratkaisu pätee yksittäisen syötön perässä olevalle vikapaikalle, mutta ei

sellaisenaan sovellu laajemmille verkoille, joissa vikapaikkaa saattaa syöttää useampia lähteitä. Tässä työssä tarkastelun painopisteenä ovat teollisuusverkot, jotka ovat usein rakenteeltaan säteittäisiä ja lisäksi niissä on tavallista generaattoreiden läheisyys vika-paikkaan nähden. Säteittäisyys sinällään helpottaa laskentaa, koska se usein vähentää rinnakkaisten yhteyksien määrää mutta generaattoreiden läsnäolo täytyy kuitenkin huo-mioida laskuissa. Teollisuusverkoissa etäisyydet ovat niin pieniä, että generaattoreiden vaikutusta ei voida jättää huomiotta. Samoin joudutaan myös tarkastelemaan moottori-käyttöjä, joiden määrä tehdasverkoissa voi olla suuri ja täten niiden vaikutus vikavirtoi-hin kasvaa.

Kun huomioidaan rinnakkaiset syötöt, voidaan vikapaikan alkuoikosulkuvirta rat-kaista laskemalla yhteen näiden syöttävien haarojen alkuoikosulkuvirrat kaavan 3.10 mukaisesti. Kunkin haaran alkuoikosulkuvirta on puolestaan ratkaistavissa kaavan 3.9 perusteella. Laskennassa tulee ottaa huomioon mahdolliset lähellä olevat generaattorit sekä moottorit tietyin varauksin. Välittömästi vikapaikkaan yhteydessä olevat, esimer-kiksi saman keskuksen alla olevat, suurjännitemoottorit huomioidaan aina laskennassa samoin kuin myös pienjännitemoottorit. Tämä pätee teollisuusverkoissa, mutta julkisis-sa verkoissa pienjännitemoottorit voidaan jättää huomiotta. Ne moottorit, jotka kytkey-tyvät vikapaikkaan muuntajan kautta voidaan jättää huomiotta, jos kaava 3.11 toteutuu. Luonnollisesti vikavirtojen määrittämissä ei oteta huomioon myöskään rinnakkaisia moottoreita, kuten suunnanvaihtomoottoreita, jotka eivät ole yhtä aikaa toiminnassa. [1]

Vikapaikan alkuoikosulkuvirta, kun sillä on useita syöttäviä haaroja. [1]

...""""3 +++= kMkTkGk IIII (3.10)

missä

"kGI generaattorin sisältävän haaran alkuoikosulkuvirta "kTI syöttävän haaran alkuoikosulkuvirta "kMI moottorilähdön alkuoikosulkuvirta


Muuntajan takana olevat moottorit voidaan jättää huomiotta, kun seuraava lauseke toteutuu. [1]

3,0100

8,0

"−∑

≤∑

∑

k

nTnT

nM

S

ScS

P (3.11)

missä

nMP∑ vikapaikkaan liittyvien moottoreiden nimellistehojen summa

nTS∑ vikapaikkaan liittyviä moottoreita syöttävien muuntajien näennäistehojen

summa "kS vikapaikan ominaisoikosulkuteho ilman moottoreiden vaikutusta

Vikapaikassa vaikuttava sysäysoikosulkuvirta on mahdollista selvittää kaavan 2.18

perusteella alkuoikosulkuvirran avustuksella. Samoin myös katkaisuhetken virta voi-daan määrittää alkuoikosulkuvirran perusteella kaavasta 2.26.

3.3.3. Kaksivaiheinen oikosulku

Kaksivaiheisessa oikosulussa pitää laskennassa ottaa käyttöön myös vastakomponentti-verkko ja sen sekä myötäverkon avulla muodostetaan vikaantuneelle verkolle sijaiskyt-kentä. Perusperiaate laskennassa on sama kuin kolmivaiheisessa oikosulussakin, nyt huomioidaan kuitenkin sekä myötä- että vastaimpedanssit. Näin ollen kaksivaiheinen vian alkuoikosulkuvirta on ratkaistavissa kaavan 3.12 mukaan. Jos vikapaikkaan ei liity pyöriviä koneita, voidaan käyttää myötäimpedanssia kaksinkertaisena. [1]

121

"2 2Z

cU

ZZ

cUI nn

k =+

= (3.12)

missä

2Z verkon vastaimpedanssi

Myös kaksivaiheisessa viassa sysäysoikosulkuvirta saadaan alkuoikosulkuvirran perus-teella kaavasta 2.18.

3.3.4. Kaksivaiheinen oikosulku maasululla

Kaksivaiheisessa oikosulussa, johon liittyy maasulku, vikavirta kulkee kahden vaiheen ja johtavan yhteyden kautta maahan. Maakontaktin takia tulee käyttää nollakomponent-tiverkkoa, jolloin maahan virtaavan alkuoikosulkuvirran suuruus saadaan kaavan 3.13 mukaisesti. Kaksivaiheiselle oikosululle maasululla ei ole mielekästä laskea sy-


säysoikosulkuvirtaa, koska se on pienempi tai korkeintaan yhtä suuri kuin kolmi- tai yksivaiheisessa oikosulussa. [1]

01

"2 2

3

ZZ

cUI n

EkE += (3.13)

missä

0Z verkon nollaimpedanssi

3.3.5. Maasulku

Maasulun oikosulkuvirran laskentaa varten tulee verkosta selvittää myötä-, vasta- ja nollaimpedanssit. Vikapaikan sijainti määrittää komponenttiverkkojen yhdistymisen ja näin ollen sen, mitkä verkon komponentit huomioidaan. Maasulun alkuoikosulkuvirta on ratkaistavissa samoilla periaatteilla kuin edellä esitellyissä vikatyypeissä, jolloin saa-daan: [1]

021

"1

3

ZZZ

cUI n

k ++= (3.14)

Maasulun aiheuttama sysäysoikosulkuvirta on niin ikään ratkaistavissa kaavan 2.18 avulla hyödyntäen edellä saatua alkuoikosulkuvirtaa.

39

4. NUOTTASAAREN TEOLLISUUSVERKKO

4.1. Verkon rakenne

Oulun Nuottasaaren tehdasalue sijaitsee kaupungin keskustan välittömässä läheisyydes-sä Oulujoen suulla. Kyseisellä alueella toimivat nykyään sellutehdas, kaksi paperikonet-ta sekä kolme kemian tehdasta. Tehtaiden toiminnot ovat tehokkaasti integroituja kes-kenään ja tuotanto on pitkälle automatisoitua. Alueella on ollut toimintaa jo 1930-luvun lopulta lähtien, mikä näkyy laitekannan suuressa ikävaihtelussa verkon osasta riippuen. Ikärakenne, korkea automaatioaste sekä suuri tehontarve asettavat omat vaatimuksensa sähkönjakelulle sekä sen häiriöttömyydelle.

Nuottasaaren tehdasverkkoa syötetään kantaverkon Leväsuon ja Pikkaralan sähkö-asemien kautta. Kyseiset asemat sijaitsevat Oulun kaupungin alueella siten, että Le-väsuon asema on noin kahdeksan kilometrin päässä Ruskon kaupunginosassa ja toinen Pikkaralan kaupunginosassa noin kahdenkymmenen kilometrin päässä tehdasalueesta. Syöttö tapahtuu Stora Enson omistamia 110 kV avojohtoja pitkin Nuottasaareen, missä ne päättyvät alueen sisällä sijaitsevalle 110 kV ulkokentälle. Kantaverkko ja tehdas-verkko ovat normaalisti kytketty keskenään renkaaksi ja pieni teho virtaa tehdasalueen kentän kautta Pikkaralan sekä Leväsuon asemien välillä.

Ulkokentältä on 110 kV maakaapeliyhteydet tehdasalueen päämuuntajille, joissa ja-kelujännitteeksi muunnetaan 6,3 kV. Paperitehtaat käyttävät muusta verkosta poiketen jakelujännitteenä 10 kV. Päämuuntajat syöttävät kytkinlaitoksia, joista on edelleen yh-teydet toisiin kytkinlaitoksiin sekä alakeskuksiin. Verkko on kokonaisuudessaan maasta erotettu ja normaalitilanteessa sitä käytetään säteittäisenä, mutta kytkinlaitosten väliltä löytyy myös varayhteyksiä. Näin ollen myös rengasmainen käyttö on periaatteessa mahdollista. Tehdasverkon luonteesta johtuen verkkoa pyritään kuitenkin käyttämään vain säteittäisesti suurien oikosulkuvirtojen ehkäisemiseksi. Verkon pääkaavio on esitet-ty liitteessä 1.

Raskaasta prosessiteollisuudesta johtuen verkossa on mittava määrä pyöriviä koneita eri jännitetasoilla. Pienjännitemoottoreita löytyy useiden keskusten alta ja ne liittyvät verkkoon pienjännitekeskuksien kautta, joita syötetään jakelumuuntajilla. Pienjännite-moottoreiden lisäksi verkon kytkinlaitoksiin liittyy suoraan kolmetoista suurjännite-moottoria. Tehdasalueelta löytyy myös kaksi tahtikonetta, jotka vastaavat tehdasalueen omasta sähköntuotannosta. Ne kytkeytyvät 110 kV kytkinkenttään omien päämuuntaji-ensa kautta. Normaalissa verkon käyttötilanteessa vain pienempi generaattori on käytös-sä ja suurempaa hyödynnetään talviaikaan, kun höyryn tuotantoa joudutaan lisäämään.

NUOTTASAAREN TEOLLISUUSVERKKO 40

4.2. Verkon komponentit ja oikosulkuimpedanssit

4.2.1. Muuntajat

Tehdasalueella on lukuisia muuntajia alkaen suurista päämuuntajista pienempiin jake-lumuuntajiin. Päämuuntajia löytyy verkosta kaiken kaikkiaan kymmenen kappaletta ja ne ovat yhdistetty maakaapelein syöttävään 110 kV kenttään sekä alajännitekeskuksiin-sa. Päämuuntajista kaksi toimii generaattorimuuntajina ja loput huolehtivat tehdasver-kon jakelusta. Sellutehtaiden sekä kemiantehtaiden sähkönjakelusta vastaa neljä pää-muuntajaa kokoluokaltaan 31,5 MVA – 45 MVA, jotka syöttävät kolmea kytkinlaitosta. Paperitehtaita syötetään neljän oman päämuuntajan kautta, jotka sijaitsevat tehtaiden välittömässä läheisyydessä. Kyseiset muuntajat ovat tehoiltaan 40 ja 50 MVA, sijoittuen siten, että uudemmassa yksikössä, paperikone 7:llä, molemmat muuntajat ovat 50 MVA muuntajia. Tehdasalueen jännitteen säätöä silmällä pitäen kukin päämuuntaja on varus-tettu käämikytkimin, joiden avulla muuntajien muuntosuhteen säätö on mahdollista myös kuormitettuna. Päämuuntajien lisäksi alueelta löytyy erikoisuutena tasasuuntaajia syöttävät muunta-jat, joita on yhteensä kolme kappaletta. Suurin näistä syöttää tasasuuntaaja seitsemää ja se kytkeytyykin suoraan 110 kV kenttään. Tasasuuntaajien muuntajat ovat muodoltaan kolmekäämisiä, mahdollistaen kahden alajännitelähdön käytön suuntaajien syöttämises-sä. Loput alueen muuntajista toimivat pienjännitekeskusten jakelumuuntajina, mahdol-listaen alueesta riippuen 400 V, 525 V tai 696 V jännitetasojen käytön. Kukin jakelu-muuntaja pitää sisällään väliottokytkimen, jolla voidaan säätää muuntajan muuntosuh-detta kuormittamattomana. Kaiken kaikkiaan tehdasalueella on yhteensä 144 muuntajaa huomioitaessa sekä päämuuntajat että jakelumuuntajat [18]. Vikavirtojen laskentaa varten tulee jokaisesta muuntajasta selvittää sen oikosul-kuimpedanssi, joka on mahdollista ratkaista muuntajan laitekilven sisältämien tietojen perusteella. Nuottasaaren tehdasalueen laitetiedot ovat pääosin laiterekisterissä, jota käytetään SAP-järjestelmän avulla. Suurin osa muuntajien tiedoista löytyy kyseisen jär-jestelmän avulla, mutta erityisesti vanhempien muuntajien kohdalla osa tiedoista oli syöttämättä järjestelmään. Näiden tapausten kohdalla tiedot olivat löydettävissä joko vanhoista käsin kirjoitetuista muuntajakorteista, valmistajan laitekansioista tai sitten käymällä paikan päällä muuntajan luona selvittämässä arvot [19; 20]. Koska tiedot oli-vat hajallaan eri lähteissä ja tarvitsivat osin myös täydentämistä, siirrettiin muuntajien arvot ensin Excel-taulukkoihin. Taulukoista arvot olivat helposti saatavilla, kun tietoja myöhemmin syötettiin Neplan-ohjelmaan. Ohjelma suorittaa annettujen arvojen pohjalta impedanssien laskennan tehonjakoa ja vikavirtalaskentaa tehtäessä seuraavassa esitetty-jen periaatteiden mukaisesti.


Muuntajan oikosulkuimpedanssin selvittäminen [1; 6]

rT

rTkrk S

UuZ

2

%100⋅= (4.1)

2

2

3%100 rT

krT

rT

rTRrk I

P

S

UuR =⋅= (4.2)

22kkk RZX −= (4.3)

missä

kZ muuntajan oikosulkuimpedanssi

kru muuntajan oikosulkujännite prosentteina

rTU muuntajan nimellisjännite joko ylä- tai alajännitepuolelta

rTS muuntajan nimellisnäennäisteho

kR muuntajan oikosulkuresistanssi

Rru muuntajan resistanssin aikaan saama oikosulkujännite prosentteina

krTP muuntajan käämeissä syntyneet kokonaispätötehohäviöt nimellisvirralla

rTI muuntajan nimellisvirta joko ylä- tai alajännitepuolella

kX muuntajan oikosulkureaktanssi

Muuntajien X/R suhde riippuu yleensä muuntajan koosta ja siirryttäessä suurempiin

muuntajiin kyseinen suhde kasvaa. Suurien muuntajien tapauksessa onkin mahdollista käyttää muuntajan oikosulkureaktanssia oikosulkuimpedanssin asemesta vikavirtoja laskettaessa. Tämä siksi, että isoilla muuntajilla resistanssi on selkeästi pienempi verrat-tuna reaktanssiin. Täytyy kuitenkin ottaa huomioon, että haluttaessa selvittää sy-säysoikosulkuvirtoja tai vaimenevaa tasavirtakomponenttia, tulee laskennassa ottaa lu-kuun myös resistanssin osuus. [1]

Kolmikäämimuuntajien oikosulkuimpedanssit tulee määrittää kullekin haaralle erik-seen. Arvot ovat määriteltävissä, kun muuntajan käämitykset ajatellaan omina haaroi-naan sekä merkitään kirjainmerkein A, B ja C. [1]

rTAB

rTAkrABAB S

UuZ

2

%100⋅= (käämi C avoin) (4.4)

rTAC

rTAkrACAC S

UuZ

2

%100⋅= (käämi B avoin) (4.5)


rTBC

rTAkrBCBC S

UuZ

2

%100⋅= (käämi A avoin) (4.6)

Kunkin haaran oikosulkuimpedanssi saadaan edellä mainittujen pohjalta seuraavasti:

( )BCACABA ZZZZ −+=2

1 (4.7)

( )ACABBCB ZZZZ −+=2

1 (4.8)

( )ABBCACC ZZZZ −+=2

1 (4.9)

missä

krABu haarojen A ja B välinen oikosulkujännite prosentteina

krACu haarojen A ja C välinen oikosulkujännite prosentteina

krBCu haarojen B ja C välinen oikosulkujännite prosentteina

rTAU muuntajan nimellisjännite haarassa A

rTABS muuntajan nimellisnäennäisteho haarojen A ja B välillä

rTACS muuntajan nimellisnäennäisteho haarojen A ja C välillä

rTBCS muuntajan nimellisnäennäisteho haarojen B ja C välillä

Generaattorimuuntajien kohdalla joudutaan käyttämään erillistä korjattua oikosul-kuimpedanssia, jos vika ilmenee kyseisen muuntajan alajännitepuolella. Vian ollessa kyseisellä alueella, lasketaan muuntajan oikosulkuimpedanssi ensin alajännitepuolelta nähtynä kaavan 4.1 perusteella. Tämän jälkeen tulee hyödyntää korjauskerrointa seu-raavan mukaisesti. [1]

TLVPSUTPSUT ZKZ ,, = (4.10)

missä

max, cK PSUT = (4.11)

missä

PSUTK , muuntajan oikosulkuimpedanssin korjauskerroin

maxc jännitekerroin taulukon 3.1 mukaan

TLVZ muuntajan oikosulkuimpedanssi alajännitepuolelta nähtynä


Laskettaessa verkolle maasulkuvirtoja, tulee verkosta muodostaa nollakomponentti-verkko. Tätä varten muuntajille pitää määritellä niiden nollaimpedanssit, joka puoles-taan riippuu muuntajan käämien kytkennästä, maadoituksesta sekä magneettipiirin ra-kenteesta. Muuntajan nollaimpedanssi on saatavissa valmistajalta, mutta jollei kyseistä tietoa ole, voidaan nollaimpedanssille antaa arvioitu suure. Esimerkiksi jakelumuuntajil-la, joilla kytkentä on yleensä muotoa Dyn, voidaan nollaimpedanssi olettaa likimain yh-tä suureksi kuin myötäimpedanssikin. Muunlaisille muuntajille on lisää arvoja saatavis-sa muun muassa lähteestä [9], mutta viime kädessä oikeat arvot saa aina valmistajalta. [9]

4.2.2. Tahtigeneraattorit

Nuottasaaressa on käytössä kaksi tahtigeneraattoria, jotka kytkeytyvät 110 kV ulkokent-tään muuntajan välityksellä. Kyseiset generaattorit ovat tehoiltaan 72,3 ja 91 MVA, joista pienempi tehoinen on verkon normaalitilanteessa päällä. Suurempi generaattori on mitoitukseltaan niin iso, ettei ole mielekästä ajaa sitä osakuormilla suuren höyryntar-peen takia, minkä johdosta sen käyttö rajoittuu lähinnä talvikuukausille. Talvella, kun tehdasalueen höyryntarve kasvaa tarvittavan lämmityshöyryn takia, voidaan kyseistä generaattoria ajaa, mutta tuolloinkaan se ei toimi suurimmalla tehollaan. Vikavirtojen laskennan kannalta kyseiset tahtikoneet ovat merkittävässä asemassa, koska ne syöttävät oikosulkutilanteessa tehdasverkkoon lisää vikavirtaa. Jotta voitaisiin saada tahtikoneiden syöttämät vikavirrat selville, tulee ensin tuntea niiden oikosulkuim-pedanssit. Tässä työssä tarkastellaan Nuottasaaren tehdasverkkoa, minkä johdosta tahti-koneiden impedanssien selvittämiseksi on mielekästä tietää kuinka laskenta suoritetaan koneille, jotka ovat liitetty verkkoon muuntajan välityksellä. Muut tapaukset, kuten esimerkiksi tahtikoneen liittyminen ilman muuntajaa verkkoon, on käsitelty tarkemmin lähteessä [1]. Generaattorin oikosulkuimpedanssi ei ole vakio koko vian ilmenemisen ajan, vaan se muuttuu johtuen generaattorin sähköisistä ominaisuuksista. Eri muutostilojen arvot ovat yleensä saatavilla valmistajalta ja näiden tietojen pohjalta voidaan edelleen ratkais-ta laskennassa tarvittavat arvot. Tahtikoneen reaktanssi voidaan ratkaista seuraavasti [6].

n

rG

S

UxX

2

%100= (4.12)

missä

x tahtikoneen alku, muutos- tai tahtireaktanssi prosentteina

rGU tahtikoneen nimellisjännite

nS tahtikoneen nimellisnäennäisteho


Tahtikoneen resistansseina laskennassa tulee käyttää fiktiivisiä resistanssiarvoja. Niitä hyödyntämällä voidaan ottaa huomioon myös vaihtovirtakomponentin vaimene-minen ensimmäisen puolijakson aikana, joka puolestaan mahdollistaa sysäysoikosulku-virran laskennan. Tarvittavat resistanssiarvot ovat luettavissa taulukosta 4.1.

Taulukko 4.1 Tahtikoneen fiktiiviset resistanssit[1] Nimellisjännite

[kV]Nimellisteho

[MVA]RG

>1 ≥100 0,05*X" d

>1 <100 0,07*X" d

≤1 kaikki 0,15*X" d

Tahtikoneen, joka syöttää verkkoa muuntajan kautta, oikosulkuimpedanssin määrit-täminen riippuu siitä, missä vika sijaitsee koneeseen ja muuntajaan nähden. Jos vika si-jaitsee muuntajan ja generaattorin välillä, tulee generaattorin oikosulkuimpedanssia las-kettaessa hyödyntää korjauskerrointa seuraavasti: [1]

( )",,, dGPSUGGPSUGPSUG jXRKZKZ +== (4.13)

missä

rGdPSUG x

cK

ϕsin1 "max

, += (4.14)

missä

PSUGZ , generaattorin korjattu oikosulkuimpedanssi

GZ generaattorin oikosulkuimpedanssi

GR generaattorin fiktiivinen resistanssi taulukon 5.1 mukaisesti "dX generaattorin alkureaktanssi

"dx generaattorin alkureaktanssi suhteessa nimellisimpedanssiin

(x”d=X” d/ZrG)

rGϕ generaattorin nimellisvirran sekä -vaihejännitteen välinen vaihekulma

Vian ilmetessä yläjännitepuolella muuntajaan ja generaattoriin nähden, ei generaat-torille tarvitse käyttää edellä kaavassa 4.13 ilmaistua korjauskerrointa. Tällöin on mah-dollista käsitellä muuntajaa sekä generaattoria yhtenä kokonaisuutena, joilla on yhteinen oikosulkuimpedanssi sekä siihen liittyvä korjauskerroin. Tällaiselle voimalayksikölle voidaan täten ratkaista oikosulkuimpedanssi seuraavasti: [1]

( )THVGrPSUPSU ZZtKZ += 2 (4.15)


missä

( ) ( ) rGTdrTHV

rTLV

rG

n

rGTdr

fPSU xx

c

U

U

U

U

xx

c

t

tK

ϕϕ sin1sin1 "max

2

2

2

2

"max

2

−+⋅⋅=

−+⋅

= (4.16)

missä

PSUZ voimalayksikön oikosulkuimpedanssi

THVZ muuntajan oikosulkuimpedanssi yläjännitepuolelta nähtynä

ft muuntajan fiktiivinen muuntosuhde

rt muuntajan nimellinen muuntosuhde käämikytkimen perusasennolla

rTLVU , rHLVU muuntajan nimelliset ala- ja yläjännitteet

4.2.3. Epätahtimoottorit

Verkossa olevat epätahtimoottorit tulee ottaa huomioon laskennassa, koska ne syöttävät vian alkuhetkillä oikosulkuvirtaa muutaman puolijakson ajan. Nuottasaaren verkossa on paljon moottoreita sijoittuneina eri puolille laitoksia ja eri keskuksien alle. Näistä suurin osa on pienjännitemoottoreita, jotka sijaitsevat verkossa jakelumuuntajien alapuolella. Tästä on seurauksena se, ettei kaikkia moottoreita tarvitsisi ottaa huomioon kappaleessa kolme esitetyn kaavan 3.11 perusteella. Toisaalta tämän kokoisessa verkossa on mahdo-tonta selvittää kaikkia pienjännitemoottoreita ja niiden tehoja. Tämän takia laskennassa käytetään niiden osalta hyväksi ekvivalenttisia moottoreita, joiden tehot vastaavat kun-kin keskuksen alla olevien moottoreiden yhteenlaskettuja nimellistehoja. Kyseiset tehot on määritelty selvittämällä eri keskuksista niiden käytönaikainen kuormitus [21]. Pienjännitemoottoreiden lisäksi tehdasverkossa on yhteensä kolmetoista suurjänni-temoottoria, jotka liittyvät suoraan 6,3 kV kytkinlaitoksiin. Nämä moottorit on kukin kuvattu yksitellen Neplan-ohjelmaan, käyttäen niistä SAP-järjestelmässä saatavilla ole-via laitetietoja. Kyseiset tiedot on koottu yhteen Excel-taulukkoon, helpottamaan arvo-jen käsittelyä. Kyseisiä moottoreita on useissa teholuokissa ja lisäksi monessa tapauk-sessa ne ovat rinnakkaiskäytössä. Rinnakkaiskäyttöjä silmällä pitäen, selvitettiin mitkä moottorit ovat normaalissa käyttötilanteessa käynnissä ja mitkä eivät [22].

Epätahtikoneiden vaikutusten selvittämiseksi, voidaan selvittää kunkin mootto-rin oikosulkuimpedanssi. Kuvattaessa suuria moottoriryhmiä ekvivalenttisella mootto-rilla, käytettiin ohjelmassa käynnistysvirran ja nimellisvirran välisenä suhteena arvoa 5 lähteen [9] mukaisesti. [1; 9]

rM

rM

rMLRrM

rM

rMLRM S

U

III

U

IIZ

21

3

1 ⋅=⋅= (4.17)


missä

rMI moottorin nimellisvirta

rMLR II moottorin käynnistysvirran ja nimellisvirran välinen suhde

rMU moottorin nimellisjännite

rMS moottorin nimellisnäennäisteho

4.2.4. Kuristimet

Kuristimilla on verkossa tärkeänä tehtävänä rajoittaa syntyvien vikavirtojen suuruutta ja Nuottasaaren verkossa niitä on kaiken kaikkiaan kahdeksan kappaletta. Kuristimet on pyritty sijoittamaan verkossa yhteyksiin, jotka lähtevät ylätason kytkinlaitoksilta eri teh-taiden sähköasemille. Kuristimet ovat pääsääntöisesti 50- ja 60-luvuilta kahta kuristinta lukuun ottamatta, jotka ovat 80- ja 90-luvulta. Iästään huolimatta kukin on täysin käyt-tökuntoinen, mutta haittapuolena on niiden melko huono oikosulkuvirtojen rajoitusky-ky. Laitteiden iästä johtuen niiden tiedot olivat melko huonosti kirjattuna järjestelmään, minkä takia tarvittavat arvot jouduttiin selvittämään suoraan laitekilvistä. Saadut arvot kerättiin Excel-listaukseksi ja kirjattiin Neplan-ohjelmaan. Kuristimen laskennassa käy-tettävät arvot ovat määriteltävissä samoin perustein kuin kaksikäämisillä muuntajilla eli kaavojen 4.1–4.3 perusteella.

4.2.5. Tasasuuntaajat

Nuottasaaressa on kolme suurempaa tasavirtakäyttöä, johtuen kloorin sähkökemiallises-ta valmistuksesta. Näitä tasavirtalaitteistoja syöttää kolme tasasuuntaajaa, joista kaksi on liitetty 6,3 kV kytkinlaitokseen ja suurin suoraan 110 kV kytkinasemalle. Oikosul-kuvirtojen laskennan kannalta kyseisillä suuntaajilla ei ole merkitystä, koska ne eivät vikatilanteessa syötä verkkoon oikosulkuvirtaa. Suuntaajien aiheuttama kuormitus on kuitenkin tehonjakolaskentaa silmällä pitäen mallinnettu Neplan-ohjelmaan. Kuormitus on selvitetty erikseen laitetietojen sekä keskuksien kuormatietojen perusteella. [6]

4.2.6. Kompensointilaitteistot

Tasasuuntaajat aiheuttavat yliaaltoja, joiden poistamiseksi verkkoon on asennettuna kaksi eri 5. sekä 7. yliaallon suodatinlaitteistoa. Kyseinen suodatus on keskitetty 3D kytkinlaitokseen ja suodattimilla kompensoidaan tasasuuntaajissa 5 ja 6 syntyviä yliaal-toja. Näiden lisäksi verkossa syntyviä loistehohäviöitä pyritään minimoimaan kahdella kondensaattoriyksiköllä. Toinen kondensaattoriyksikkö toimii tasasuuntaaja 7 rinnalla 110 kV kentällä ja toinen on liitettynä 2D kytkinlaitokseen. Vikavirtojen laskentaa sil-mällä pitäen kyseiset laitteet ovat merkityksettömiä, eikä niitä tarvitse huomioida las-kelmissa. Johtuen tehonjaon selvittämisestä on laitteiden tiedot kuitenkin selvitetty jär-jestelmästä ja saadut tiedot on siirretty Neplan-ohjelmaan. [1; 6]


4.2.7. Avojohdot ja kaapelit

Nuottasaaren sähkönjakelu tapahtuu pääosin maakaapeleita pitkin, jollei huomioida teh-dasalueen syöttöä kantaverkosta. Tehdasalueen ikärakenteesta johtuen alueella on run-sas määrä erityyppisiä kaapelilaatuja, alkaen varhaisemmista paperieristeisistä kaape-leista nykyaikaisiin PEX-eristeisiin kaapeleihin. Kaapeliyhteyksien pituudet ovat melko pieniä, koska jakelu tapahtuu sangen pienellä alueella, mutta tämän vastapainona ovat suuret kuormat. Verkon toiminnan kannalta onkin oleellista tietää kaapeleiden kuormi-tettavuus sekä oikosulkukestoisuus. Näiden lisäksi maasuluissa kaapeleiden merkitys syntyvissä maasulkuvirroissa on huomattava, koska verkko on maasta erotettu ja täten kaapeleiden mallintamisessa hyödynnettiin valmistajilta saatavissa olleita tai alan kirjal-lisuudesta löytyneitä sähköisiä arvoja [23; 24; 25; 26; 27; 28; 29]. Kaapelien tyyppi saa-tiin selville pääosin liitteen 1 pääkaaviosta, mutta osa saatiin selville vuonna 1996 teh-dyn laskennan listauksien perusteella [30]. Selvitetyt tiedot ja arvot koottiin Excel-tiedostoon, mistä ne siirrettiin edelleen Neplan-ohjelmaan.

Vikavirtalaskennan kannalta kaapelien osuus verkon kokonaisimpedanssista jää pie-neksi, kun lasketaan oikosulkuja, joihin ei liity maakosketusta. Maasuluissa kaapelien osuus on kuitenkin merkittävä, sillä maasta erotetussa verkossa vikavirroilla on maayh-teys vain verkon maakapasitanssien kautta. Kaapeleiden kapasitanssit ovat puolestaan suuret, mikä saa aikaan, että vikavirrat ovat suurempia kuin avojohtoverkoissa. Erityi-sesti maasulkuvirtojen selvittämiseksi tulee kaapeleiden sähköiset arvot selvittää tarkas-ti. Kaapelien oikosulkuimpedanssi on selvitettävissä valmistajien ja kirjallisuudesta löy-tyvien resistanssien sekä reaktanssien perusteella seuraavan kaavan avulla. [4; 6]

( )ljxrZ j += (4.18)

missä r kaapelin tasavirtaresistanssi pituusyksikköä kohti

x kaapelin reaktanssi pituusyksikköä kohti l kaapelin pituus

Edellä laskettu oikosulkuimpedanssi vastaa kaapelien myötä- ja vastaimpedanssia muodostettaessa verkolle sijaiskytkentää, mutta maakosketuksissa pitää selvittää myös nollaverkko. Tätä tarkoitusta varten tulee kaapeleille selvittää niiden nollaimpedanssit. Maasulkutilanteessa nollavirtojen voi ajatella kulkevan lähes yksinomaan nollajohti-messa tai kaapelin suojavaipassa. Tällöin voidaan kaapelin sähköiset arvot laskea seu-raavasti: [29]

mV RRR 30 += (4.19)


missä

0R kaapelin nollaresistanssi

VR kaapelin vaihejohtimen resistanssi

mR kaapelin suojavaipan resistanssi

Kun kyseessä on yksivaippainen kaapeli, voidaan olettaa, että kaapelin nollareak-

tanssia on yhtä suuri kuin sen myötäreaktanssi. Muussa tapauksessa voidaan käyttää lähteessä [29] mainittuja laskentakaavoja.

4.2.8. Kytkinlaitokset

Verkon laskennan kannalta kytkinlaitoksia ei tarvitse huomioida erikseen. Todellisuu-dessa niissä tapahtuu häviöitä mutta ne jäävät suuruudeltaan häviävän pieniksi verrattu-na verkon muuhun kuormitukseen. Kytkinlaitokset tulee kuitenkin huomioida tarkastel-taessa niiden oikosulkukestoisuuksia laskennassa saatujen vikavirtojen avulla. Oikosul-kulujuudeltaan verkosta löytyy neljää eri kytkinlaitostasoa. Vanhimmat kytkinlaitokset ovat kestoisuudeltaan 750 MVA ja 300 MVA. Uudemmat laitokset ovat kestoisuudel-taan 350 MVA ja 650 MVA.

4.2.9. Muut komponentit

Verkossa on edellä läpikäytyjen laitteiden lisäksi myös lukuisia muita sähköä käyttäviä laitteita. Näitä ovat esimerkiksi valaistukseen tai lämmitykseen liittyvät kuormat. Näi-den osuus jää kuitenkin merkityksettömäksi vikavirtatarkasteluissa, eikä niitä näin ollen ole tarpeellista huomioida. Tehdasverkossa niiden aikaan saamat kuormat ovat myös hyvin pieniä verrattuna muuhun kuormitukseen. Siltä osin kun kyseisiä kuormia ei ollut selkeästi erotettavissa muusta kuormituksesta, ei niitä mallinnettu myöskään verkon te-honjakoa selvitettäessä. [6] Verkon käytön ja suojauksen kannalta oleellisia komponentteja ovat myös katkaisi-jat sekä erottimet, joita löytyy tehdasverkosta lukuisa määrä. Kyseisissä komponenteissa saattaa ilmetä pieniä ylimenovastuksia ja häviöitä, mutta nämä jäävät merkitykseltään olemattomiksi. Verkon mallintamisessa Neplan-ohjelmalla erottimet sekä katkaisijat on kuvattu ideaalisina komponentteina, joilla ei ole vaikutusta sen enempää tehonjakoon kuin myöskään vikavirtoihin.

49

5. NEPLAN 5-OHJELMISTO

Tässä työssä hyödynnetään verkon mallintamisessa ja laskennassa Neplan-ohjelmistoa. Kyseinen ohjelma on laaja moduulipohjainen ohjelmisto, jolla on versiosta riippuen mahdollista mallintaa sähkö-, kaasu- tai vesiverkkoja. Ohjelman on kehittänyt BCP Bu-sarello-yhtiö ja aiemmin se tunnettiin myös nimellä Calpos. Nykyään ABB omistaa ke-hittäjäyrityksen ja uusien järjestelyjen jälkeen ohjelmaa markkinoidaan ABB:n toimesta nimellä Neplan. Nuottasaaressa ei ole aiemmin ollut kyseistä ohjelmaa käytössä ja tä-män työn puitteissa sitä on hyödynnetty tehdasalueen sähköverkon tilan analysointiin, sekä samalla kerätty käyttökokemuksia. Neplan hyödyntää lisenssisopimuksia, joiden perusteella ohjelmasta on käytössä ai-na rajattu määrä ominaisuuksia. Ohjelma on asennettavissa yksittäisen käyttäjän koneel-le, jossa se vaatii toimiakseen joko konekohtaisen tai serverillä sijaitsevan lisenssiavai-men. Lisenssistä riippuen, ohjelmaa on mahdollista käyttää joko yhden tai useamman henkilön toimesta. Nuottasaaren sähköverkkoa kuvattaessa oli ohjelmistosta käytössä sähköverkkojen mallintamisen ja laskennan mahdollistava versio, joka toimi serverillä sijaitsevan lisenssiavaimen avulla. Lisenssisopimuksella määritellään lisäksi mallinnet-tavissa olevien verkkojen koot sekä käytössä olevat analysointityökalut. Työssä käytös-sä ollut versio mahdollisti 300 solmupisteen sisältävän verkon kuvaamisen sekä kysei-selle verkolle tehtävät tehonjako- sekä vikavirtatarkastelut. Ohjelman käyttö tapahtuu graafisen käyttöliittymän avustuksella, joka vastaa ulkonäöltään tavanomaisia Win-dows-ohjelmia. Liitteessä 2 on nähtävissä ohjelman perusnäkymä verkon mallinnusta aloitettaessa.

5.1. Laskentamoduulit

Verkon laskenta ja analysointi tapahtuu graafisesti mallinnetun verkon pohjalta, joka sisältää kunkin laitteen sähköiset arvot. Näiden tietojen perusteella saadaan verkkoa analysoitua tarvittavan laskentamoduulin avulla. Ohjelmassa on käytössä laaja valikoi-ma erilaisia laskentamoduuleita, joiden hyödynnettävyys riippuu kulloinkin käytössä olevasta lisenssistä. Nuottasaaren verkkoa tutkittaessa oli käytössä sekä tehonjako- että vikavirtatarkastelut mahdollistavat moduulit. Kukin laskentamoduuli pitää sisällään eri-laisia asetuksia, joiden perusteella on mahdollista valita käytettävät laskentamenetelmät, sekä määrittää mitä arvoja mallinnetusta verkosta hyödynnetään laskennassa. Työssä saatujen kokemusten perusteella on tarkoitus päättää hankitaanko ohjelmaan myös se-lektiivisyys-moduuli, joka mahdollistaa verkon suojauksen tarkastelun.

NEPLAN 5-OHJELMISTO 50

5.1.1. Tehonjakolaskenta

Tehonjakomoduuli mahdollistaa verkon kuormitusten sekä tehon jakautumisen selvit-tämisen sähköverkon eri osien välillä. Ohjelman käytön kannalta se on perusmoduuli, joka tarvitaan kaikkien muiden moduulien laskennan pohjaksi. Tietoina hyödynnetään verkon elementeille annettuja sähköisiä arvoja, kuten esimerkiksi komponenttien resis-tansseja sekä reaktansseja. Laskennan perusteella on mahdollista selvittää verkossa kul-kevat pätö- ja loistehot sekä niiden aiheuttamat kuormitukset verkon eri pisteissä. Las-kentaa varten moduulin käyttämät laskentaperusteet sekä oletukset ovat erikseen määri-teltävissä moduulin parametri-ikkunan kautta, joka on esitetty liitteessä 3. Ohjelmassa on mahdollista valita tehonjakolaskennassa käytettävä menetelmä, jona oletusarvoisesti ohjelmassa käytetään laajennettua Newton-Raphson-menetelmää. Mui-na vaihtoehtoina ovat tavallinen Newton-Raphson, virta-iterointi sekä jännitteenaleman selvittäminen. Näiden lisäksi on mahdollista selvittää tasavirtajärjestelmien tehonjako. Riippuen laskettavan verkon syötöstä, voidaan tarvittaessa antaa ohjelman tasapainottaa kuormitukset käytettävissä olevan kapasiteetin mukaan. Ohjelma sallii myös kattavissa määrin verkon eri komponenttien laskennan aikaisen säädön tai niitä voidaan jättää huomiotta. Jos verkko sisältää esimerkiksi käämikytkimillä varustettuja muuntajia, voi-daan ohjelma laittaa säätämään jännitetasoja automaattisesti. Muiden komponenttien kohdalla voidaan tarvittaessa hyödyntää syötettyjä minimi- tai maksimivirtoja. Erotti-met ja katkaisijat voidaan haluttaessa jättää huomiotta ja olettaa häviöttömiksi. Näiden ominaisuuksien lisäksi voidaan verkosta tarvittaessa laskea vain tiettyjä alueita, jotka on erikseen määritetty. Tulokset on mahdollista esittää joko graafisesti suoraan verkkomal-lissa tai sitten erikseen määritettävissä taulukoissa.

5.1.2. Oikosulkulaskenta

Vikavirtalaskentaa varten ohjelmassa on oikosulkumoduuli, joka mahdollistaa eri vika-tyyppien mallintamisen sekä niissä esiintyvien virtojen laskennan. Moduulin avulla voi-daan laskea vikavirrat kolmivaiheisessa ja kaksivaiheisessa oikosulussa sekä maasulussa että kaksivaiheisessa oikosulussa maasululla. Laskennassa hyödynnetään haluttua stan-dardia ja siihen liittyviä laskentamenetelmiä. Verkon analysoinnissa käytettävät mene-telmät sekä oletukset ovat säädettävissä liitteen 4 esittämässä moduulin parametri-ikkunassa. Ohjelma mahdollistaa IEC tai ANSI-standardien hyödyntämisen, mutta tässä työssä käytettiin vain pelkästään IEC-standardia ja siihen liittyviä laskentaoletuksia. Lasken-nassa on mahdollista käyttää kyseisen standardin vanhempaa, vuodelta 1988 olevaa, versiota tai sitten tuoretta vuoden 2001 versiota. IEC-standardissa käytetyt laskentame-netelmät ja niihin liittyvät komponenttien tiedot on käsitelty luvuissa 2-4. Oikosulku-moduuli mahdollistaa vian melko vapaan kuvaamisen, antaen muuttaa vian tyyppiä, kestoa sekä ilmenemispaikkaa. Yleisesti vika voidaan kuvata tapahtuvaksi jossain sol-mupisteessä tai näitä yhdistävällä johdolla. Laskennassa saadut virta-arvot ovat vapaasti


valittavissa ja esitettävissä joko suoraan verkkomallissa tai sitten taulukoissa. Suojaus-tarkastelua varten voidaan erikseen määritellä ajat suojauksen oletetulle toiminnalle ja tätä kautta on laskettavissa muun muassa terminen oikosulkuvirta sekä katkaisuhetken virta.

5.2. Ohjelman käyttö

Ohjelman käyttö perustuu laskettavasta verkosta muodostettavaan malliin, jolle suori-taan laskentamoduuleita hyödyntäen halutut tarkastelut. Verkkojen mallintaminen ta-pahtuu tekemällä kyseessä olevasta tapauksesta oma projektinsa, jossa luodaan malli tarkasteltavana olevasta verkosta. Verkon piirto tapahtuu ohjelmassa olevan piirtokirjas-ton avulla, joka on nähtävissä liitteessä 2 esitetyn ikkunan oikeassa laidassa. Kyseinen kirjasto pitää sisällään verkoissa yleisesti olevat laitteet ja niiden lisäys tapahtuu yksin-kertaisesti raahaamalla ne piirtoalueelle. Kullekin laitteelle on määriteltävissä niiden ominaisuudet, jotka löytyvät elementtien ominaisuusikkunoista liitteen 5 kuvan esimer-kin mukaisesti. Jokaiselle laitteelle syötetään sähköiset arvot, jotka riippuvat niin itse laitteesta, kuin myös siitä mitkä tiedot ovat tarvittavia laskennassa. Verkkojen piirtäminen tapahtuu projektin sisällä olevaan diagrammiin ja ohjelma mahdollistaa myös useampien diagrammien käytön samassa projektissa. Näitä voidaan hallita liitteessä 2 esitetyn käyttöliittymän vasemmassa laidassa sijaitsevalla hallintatyö-kalulla. Useiden diagrammien käyttömahdollisuutta hyödynnettiin Nuottasaaren verk-koa mallinnettaessa tekemällä liitteen 1 mukainen pääkaavio yhdelle diagrammille. Ku-kin alakeskus kuormituksineen sekä verkon laitteineen kuvattiin omiin diagrammeihin-sa. Käyttämällä useampia diagrammeja saatiin verkon pääkaavio pidettyä yksinkertaise-na ja näin ollen verkon hallinta eri kytkentätiloja tehtäessä pysyi helpompana. Pääkaa-vioon liittyvät aladiagrammit mahdollistivat alakeskusten täydellisen mallintamisen il-man, että piirtoalue tai keskusten väliset kytkennät olisivat rajoittaneet niiden kuvaamis-ta. Tällä menettelyllä saatiin pääkaaviolle muodostettua liitteen 6 esittämä malli. Kuten kyseisestä liitteestä voi havaita, kuvaa ohjelma jokaisen jännitetason omalla värillään, mikä osaltaan parantaa verkon havainnollisuutta. Kun kaikki verkon laitteet on kuvattu sekä syötetty jokaiselle komponentille niiden arvot, on mahdollista suorittaa verkolle laskennat riippuen käytettävissä olevista laskentamoduuleista. Uuden käyttäjän kannalta ohjelman käyttöönotto on melko helppoa. Ohjelma itses-sään noudattaa pitkälti Windows-maailmassa käytettyjä periaatteita niin ulkonäöltään kuin myös perustoiminnoiltaan. Verkkojen mallintaminen piirtokirjastoa hyödyntäen on sangen helppoa ja sujuu melko hyvin lyhyen tutustumisen jälkeen. Eritoten, jos käyttäjä on aiemmin hyödyntänyt CAD-ohjelmistoja, ei verkon piirtäminen ole hankalaa. Tietty-jä ongelmia sähköverkkojen kuvaamisessa tulee komponenttien yhteen liitettävyyden suhteen. Ohjelma vaatii tiettyjen komponenttien kohdalla, että jännitetasot vastaavat toisiaan, joten näiltä osin on hyötyä, jos käyttäjä omaa sähkökuvien peruslukutaidot. Samoin ohjelman eräs piirre on vaatia komponenttien välisiin kytköksiin solmupisteen asettamista, joka käytön alussa saattaa aiheuttaa turhia ongelmatilanteita. Tästä piirtees-


tä seuraa myös se, että ohjelman lisenssiin liittyvä solmupisterajoite saatetaan tietyissä olosuhteissa saavuttaa sangen pienilläkin verkoilla. Esimerkiksi Nuottasaaren sähköver-kon osalta jouduttiin paperitehtaat tekemään kokonaan omaan projektiinsa ja liittämään niistä saadut ekvivalenttiset kuormat koko verkon malliin. Ilman kyseistä toimenpidettä ei käytössä olleella lisenssillä olisi pystytty kuvaamaan koko verkkoa. Vaikka itse verkkokuvan piirto on melko yksinkertaista, ei komponenttien tietojen syöttäminen, varsinkaan käytön alussa, ole helppoa. Koska ohjelma pitää sisällään kaik-ki analysointimoduulit ja näihin liittyvät tietueet eri komponenteissa, tarvitaan tietojen syöttämisessä hyvä sähköalan tuntemus. Työläin prosessi ohjelman hyödynnettävyyden kannalta on uudella käyttäjällä selvittää mitkä arvot eri laitteilla tarvitaan missäkin las-kentatapahtumassa. Monella komponentilla saattaa laitekorteissa olla lukuisia välilehtiä, joista ei käy kiistatta selville mitkä arvot ovat pakollisia missäkin tilanteessa. Osa omi-naisuuksista on hyödynnettävissä vasta sellaisilla laskentamoduuleilla, jotka eivät kuulu käytössä olevaan lisenssiin. Näin ollen vaaditaan tarkkuutta, ettei tehtäisi turhaa selvi-tystyötä verkon laitteiden tietoja koottaessa. Kun verkkomalli sekä komponenttien tiedot on koostettu projektiin, voidaan verk-koa analysoida laskentamoduuleilla. Näiden käyttö on periaatteessa melko vaivatonta, mutta vaatii tiedot laskennan taustalla olevasta teoriasta. Laskennan parametrit ovat melko vapaasti säädettävissä ja jos ei tiedetä mitä ollaan tekemässä, voi seurauksena olla se, että saadut tulokset eivät vastaakaan oikeita arvoja. On kuitenkin mahdollista, että hyvän laskentakokemuksen omaava henkilö tekee ohjelman laskentamoduuleihin perussäädöt. Perussäätöjen ollessa kohdallaan verkko on laskettavissa myös sellaisten toimesta, joilla ei ole täydellistä tietoa itse laskennan periaatteista. Itse verkon kytkentä-tilojen hallinta onnistuu melko vaivattomasti lyhyen perehdytyksen jälkeen graafisen käyttöliittymän ansiosta. Laskennassa saadut tulokset on mahdollista esittää ohjelmassa joko suoraan verkkomallissa graafisesti tai sitten taulukoissa. Tuloksista voidaan valita vapaasti näkyviin ne tiedot, jotka ovat kiinnostavimmat. Liitteessä 7 on esimerkkinä ha-vainnollistettu erään vian yhteydessä saatuja tuloksia, jotka on kuvattu verkkomallissa.

Kaiken kaikkiaan ohjelman peruskäyttö on varsin helposti opittavissa, oletettaessa että henkilö omaa perustaidot tietokoneiden käytöstä sekä tiedot sähköverkoista ja niissä esiintyvistä ilmiöistä. Ohjelman käyttöä on mahdollista opetella itsenäisesti siinä olevan avustustoiminnon kautta, josta löytyy tiedot niin komponenteista kuin myös laskenta-moduuleista. Tämä tosin vaatii, että henkilö ymmärtää sähköalan perussanastoa myös englanniksi, sillä kyseiset tiedot ovat saatavilla ohjelmasta vain kyseisellä kielellä. Paras tapa oppia ohjelman käyttö on saada siihen perehtyneeltä henkilöltä opastusta. Tällöin vastaukset ovat nopeammin saatavissa, eikä kaikkia tietoja tarvitse etsiä erikseen ohjel-man sisäisistä tiedostoista. Ohjelmaan liittyen on mahdollista saada myös kursseja oh-jelmiston toimittajien puolesta. Kurssien haittapuolena mainittakoon kuitenkin niiden melko korkea hinta, joka rajoittaa niihin osallistumista. [31]

Ohjelmiston hyödynnettävyys yrityksen kannalta on hyvä. Ensinnäkin perusverk-komallinnus on tehtävissä lyhyellä opastuksella myös sellaisten toimesta, joilla on alan perustietämys. Tämä mahdollistaa tarvittaessa resurssien paremman hyödyntämisen.


Itse verkkojen analysointia varten tarvitaan kuitenkin joku, jolla on tietämys sähköver-koissa esiintyvistä ilmiöistä ja niiden taustalta löytyvistä teorioista sekä laskentamene-telmistä. Tarvittaessa on kuitenkin mahdollista antaa myös muiden suorittaa laskenta-toimenpiteitä, kunhan alaa osaava on tehnyt ohjelmaan perussäädöt kuntoon tai koonnut tarvittavat ohjeet. Tällöin voidaan, tarvittaessa nopeastikin, selvittää esimerkiksi verkos-sa esiintyviä vikavirtoja eri kytkentätilanteissa. Eräs merkittävä ja kenties suurin saavu-tettava etu ohjelman käytöstä on verkkomallin päivitettävyys. Verkolle tehtävät lasken-nat eivät ole enää staattisina tietoina arkistoissa, vaan ne voidaan aina tarkistaa uudes-taan ja päivittää kun verkkoon on tullut muutoksia.

54

6. NUOTTASAAREN VIKAVIRTOJEN LASKENTA

Nuottasaaren tehdasverkon laskennassa tehtiin Neplan-ohjelmistolla verkolle eri kyt-kentätiloja, jotka vastaavat tehdasverkon mahdollisia käyttötilanteita. Näistä jokaiselle suoritettiin tehonjakolaskenta, jonka jälkeen tarkasteltiin vikavirtoja kolmivaiheisessa oikosulussa sekä maasulussa. Tehonjakolaskennan perusteella oli lisäksi mahdollista selvittää verkon eri pisteiden kuormitukset. Vikavirtojen laskennassa ohjelma käyttää jännitearvoina tehonjakolaskennan tuloksia. Kussakin vikatyypissä selvitettiin vielä erikseen vikojen aiheuttamat maksimi- ja minimioikosulkuvirrat. Näiden lisäksi havain-noitiin kaapeliyhteyksien dynaamisia ja termisiä kestoisuuksia kuvattujen vikojen yh-teydessä. Vikavirtojen laskennassa käytettiin pohjana IEC standardin 909 sisältämiä laskenta-perusteita ja oletuksia. Kyseisiä asioita on käsitelty edellä niin laskennan kuin kompo-nenttienkin osalta. Laskennassa kantaverkko kuvattiin yhtenä verkkoa syöttävänä ele-menttinä, jolle saatiin tiedot Fingridiltä [32]. Kantaverkon tiedoissa on hyödynnetty maksimitilannetta, jossa tehdasverkkoa syötetään sekä Leväsuon että Pikkaralan asemi-en kautta. Tässä kytkentätilanteessa kantaverkon alkuoikosulkuvirta on 13,6 kA ja maa-sulkuvirta 2,1 kA. Fingridiltä saatiin myös kantaverkon ennuste vuodelle 2018, jota voi-daan haluttaessa hyödyntää arvioitaessa verkon tilaa tulevaisuudessa. Tämän työn tar-kastelu rajattiin kuitenkin verkon nykyiseen tilaan ja kuormitukseen. Kuormitustiedot kerättiin keskuskohtaisesti niissä olevien mittareiden avulla, mutta paperitehtaiden tapa-uksessa tiedot ovat vain päämuuntajien tasalta [21]. Muutoin työssä käytetyt kuormitus-tiedot vastaavat kunkin jakelumuuntajan alapuolista kuormaa. Tulevaisuuden tarkoitus on saada kerättyä myös paperitehtailta jakelumuuntaja-kohtaiset kuormitukset.

6.1. Laskettavat tapaukset

Vikavirtojen laskentaa varten selvitettiin eri kytkentätilat, jotka saattaisivat tulla kysee-seen tehdasverkkoa käytettäessä. Ensimmäisenä tarkasteltiin verkon normaalia kytken-tätilaa ja lisäksi muodostettiin kymmenen muuta tapausta, joille suoritettiin laskennat. Työssä tarkasteltavat tilanteet vastaavat kytkentätilojen muutoksia pääkytkinlaitosten sekä päämuuntajien välillä. Pienjännitekeskuksien vikavirtoja ei tarkasteltu erikseen täs-sä työssä, mutta kaikki jakelumuuntajat ja niiden alakeskukset on kuvattu verkkomallis-sa, joten nekin ovat tarvittaessa laskettavissa. Tapauksien listauksissa on käytetty liit-teen 1 pääkaavion mukaisia merkintöjä kytkentöjen selventämiseksi.

NUOTTASAAREN VIKAVIRTOJEN LASKENTA 55

Normaali kytkentätila • Päämuuntaja 2 (PM2) syöttää 3D/II kiskostoa

• Päämuuntaja 3 (PM3) syöttää 3D/I kiskostoa

• Päämuuntaja 4 (PM4) syöttää 4D kiskostoa

• Päämuuntaja 10 (PM10) syöttää 5D kiskostoa

• 5D:ltä on syöttö keskus 22D:lle, 4D:ltä syöttö 2D:lle ja 1D ei ole kytketty

• Generaattori 5 on toiminnassa ja generaattori 6 pois käytöstä

• Kahden kiskon kytkinlaitoksissa kuormitukset ovat ensimmäisellä kiskolla. Poikkeuksena kytkinlaitos 3D missä kiskolla I on tasasuuntaaja 6 ja muut kuormat syötetään kiskon II kautta.

Tapaus 1 • Tehdasalueen seisokki, jolloin kuormitukset pienemmät:

Tasasuuntaaja 5 & 6 pois päältä, 31D kuormat pois päältä, 5D suurjännite-moottorit sekä kattila 2 kuormat pois päältä, 22D pumppukäytöt pois sekä kuivatuksen moottorit

• 3D ja 5D kiskot syötetään PM4:n avulla kytkinlaitoksen 4D kautta.

• 3D kytkeytyy kiskoon 4D kuristimen kautta.

Tapaus 2 • 3D:tä syötetään 4D:ltä kuristimen kautta.

Tapaus 3 • 5D syötetään 4D:n kautta

Tapaus 4 • 2D/I syötetään 3D/I:n kautta

Tapaus 5 • 22D syötetään varayhteydellä 2D/I:ltä

Tapaus 6 • Vesiasema saa syötön varayhteydellä 2D:ltä kytkinlaitos 5:n asemesta.

Tapaus 7 • PM4 on kytketty irti, 4D:n syöttö 3D/I ja 5D kautta

• Kuormitusta on vähennetty 21D:ltä ja 41D:ltä

Tapaus 8 • Kytkinlaitos 1D on kytketty verkkoon 2D/I:n kautta

• 31D:tä syötetään varayhteydellä 1D:ltä


Tapaus 9 • 411D on kytketty varayhteydellä 1D:hen, jota syötetään tapauksen 8 mukai-

sesti.

Tapaus 10 • Kytkentätila vastaa muutoin normaalia tilannetta mutta generaattori 6 on

kytketty verkkoon.

6.2. Nuottasaaren tehdasverkon oikosulkuvirrat

Tehdasverkon vikavirrat laskettiin olettamalla, että vika voisi ilmetä missä tahansa kyt-kinlaitoksessa. Jokaisessa kytkentätilanteessa määritettiin kullekin kytkinlaitokselle sii-nä esiintyvät maksimi- ja minimialkuoikosulkuvirrat, niin kolmivaiheisessa oikosulussa kuin myös maasulkutilanteessa. Näiden lisäksi selvitettiin kytkinlaitoksiin vaikuttavat sysäysoikosulkuvirrat sekä vian aikana vaikuttavat näennäisalkuoikosulkutehot. Jokai-sen tapauksen arvot kerättiin taulukkoon, joka on nähtävissä liitteessä 8. Kytkinlaitosten lisäksi tarkistettiin myös kaapeliyhteyksien tila. Nuottasaaren oikosulkuvirtoja tarkasteltaessa voidaan todeta niiden edustavan mel-ko tyypillisiä raskaan prosessiteollisuuden vikavirtoja. Vaikka Nuottasaaressa verkkoa käytetään lähinnä säteittäisesti ja päämuuntajia ei käytetä rinnan, niin oikosulkuvirrat jäävät silti melko korkealle tasolle. Eri tapauksia tarkasteltaessa voidaan havaita alkuoi-kosulkuvirtojen vaihtelun pysyvän tietyissä keskuksissa melko maltillisena kytkentäti-lanteesta riippumatta. Tästä huolimatta osassa kytkinlaitoksia saattavat alkuoikosulku-virrat kasvaa melko huomattaviksikin, jos kytkentätilanne on niiden kannalta epäedulli-nen.

Laitosten ja kaapeliyhteyksien oikosulkukestoisuuksia tarkasteltaessa on vian mak-simikestona käytetty 1 sekuntia. Vian kestona kyseinen aika on riittävä, sillä tarkastelta-vissa yhteyksissä suojaus toimii tuon ajan puitteissa. Seuraavassa on tarkasteltu eri kyt-kentätapauksia maksimioikosulkuvirtojen osalta. Minimioikosulkuvirrat pysyvät kytkin-laitosten oikosulkukestoisuuden kannalta hyväksyttävällä tasolla kaikissa kytkentätilan-teissa. Käytettäessä verkkoa normaalilla kytkentätilalla pysyvät kytkinlaitosten oikosulku-virrat paria laitosta lukuun ottamatta hyvällä tasolla niiden oikosulkukestoisuuteen näh-den. Huonoimmat arvot saadaan kytkinlaitoksista 5D ja 22D. Kyseisten laitosten kis-kostojen oikosulkukestoisuus on melko pieni verrattuna niihin liitettyihin kuormiin. Kummassakin laitoksessa on useampia suurjännitemoottoreita, jotka osaltaan selittävät näiden keskusten kohonneita oikosulkuvirtoja. Suurimmat virrat vaikuttavat normaalissa tilanteessa kytkinlaitoksissa 2D ja 4D, mikä selittyy niitä syöttävän päämuuntajan suu-resta tehosta. Kyseisten keskusten alla on melko suuret kuormitukset sekä myös suur-jännitemoottoreita sisältäviä keskuksia. Kytkinlaitokset 2D ja 4D ovat kuitenkin mitoi-tettu suuremmille kuormille ja normaalitilanteen oikosulkuvirrat jäävät selvästi keskus-ten oikosulkukestoisuuden alapuolelle.


Tapaus 1 esittää kytkentätilaa, joka on käytössä lähinnä tehtaiden seisokin yhteydes-sä. Tällöin päämuuntajat 3 ja 10 ovat tarvittaessa huolettavissa ja sellutehtaiden syöttö tapahtuu pääasiassa päämuuntaja 4 kautta. Oikosulkuvirtojen sekä kuormituksen kan-nalta tilanne on tapauksista hankalin. Kyseistä kytkentää ei voida juurikaan hyödyntää, jos tehtaan kuormitukset ovat lähellä normaalia. Tällöin päämuuntaja 4 kuormittuu lii-kaa, eikä verkko kestäisi ilman huomattavia jännitteenalenemia. Kyseinen kytkentä saa myös oikosulkuvirrat nousemaan entistä suuremmiksi jo normaalissa kytkentätilantees-sa äärirajoillaan olevissa keskuksissa 5D ja 22D. Tämän kytkennän käyttö vaatii kuor-mitusten huomattavaa pienennystä sekä suojauksen varmistamista. Tapauksen 2 kohdalla verkon oikosulkuvirrat pysyvät hyvinä keskusten oikosulku-kestoisuuteen nähden, pois lukien jo normaalitilanteessa ongelmallisiksi havaitut kes-kukset 5D sekä 22D. Kyseisessä kytkennässä 3D asemaa syötetään 4D:n kautta hyödyn-täen välissä olevaa kuristinta. Kuristimen läsnäolo on havaittavissa 3D:n alentuneissa oikosulkuvirroissa, jotka ilman kyseistä kuristinta jäisivät selkeästi korkeammiksi. Ky-seinen yhteys on periaatteessa mahdollista toteuttaa ohittamalla kuristin, mutta vikavir-tojen kannalta kyseinen menettely ei ole mielekästä. Tapauksen 3 kohdalla päädytään tilanteeseen, mikä on kytkinlaitoksen 5D tapauk-sessa kaikkein huonoin. Tällöin kyseisen aseman vikavirrat nousevat jo huomattavasti korkeammiksi kuin mitä keskuksen kestoisuus sallisi. Ongelmalliseksi kyseisen yhtey-den tekee 4D:n vahva syöttö päämuuntajalta 4, joka mahdollistaa suuremmat oikosulku-tehot kuin mihin 5D on mitoitettu. Kyseistä tilannetta on pyritty parantamaan lisäämällä yhteysvälille oikosulkuvirran rajoitin, joka katkaisee yhteyden nopeammin kuin nor-maali katkaisija. Tässä yhteydessä olisi myös suotavaa, jos 5D:n kuormituksia pienen-nettäisiin erityisesti siihen liittyvien suurjännitemoottoreiden osalta. Tapauksien 4-6 kohdalla verkon oikosulkuvirrat pysyvät melko hyvin hallinnassa, eikä kytkinlaitosten oikosulkukestoisuuden kannalta esiinny vaarallisen korkeita virtoja. Aiemmin huomioidun kytkinlaitos 5D:n kannalta saavutetaan myös hyvä oikosulkuvir-tojen taso tapauksessa 5, missä asemaa 22D syötetäänkin kytkinlaitoksen 2D kautta. Tällöin saadaan aseman 5D kuormituksia vähennettyä, mikä pienentää siinä esiintyviä vikavirtoja. 22D:n ja 2D:n välinen varayhteys on varustettu kuristimella, mikä alentaa myös asemalla 22D esiintyviä vikavirtoja. Tapauksen 7 esittämä kytkentä on jälleen oikosulkuvirtojen kannalta ongelmalli-sempi, koska siinä asemat 3D sekä 5D syöttävät rinnan 4D:n perässä olevia kuormia. Periaatteessa tällaista tilannetta pyritään välttämään, koska nyt kytkeytyvät rinnan pää-muuntajat 3 ja 10. Kyseinen tilanne voi kuitenkin tulla eteen tapauksessa, jossa pää-muuntaja 4 täytyy äkillisesti saada verkosta irti, eikä kaikkia 4D:hen liittyviä kuormi-tuksia saada vähennettyä nopeasti. Kuormitusten kannalta ollaan erityisesti päämuuntaja 10:n kohdalla äärirajoilla, joten kuormaa on syytä vähentää. Oikosulkuvirtojen kannalta kytkinlaitoksen 5D kestoisuus ylitetään jälleen kerran huomattavasti, samoin kuin myös sen syöttämässä keskuksessa 22D. Tapauksien 8 ja 9 esittämät kytkennät ovat melko harvinaisia, mutta toistaiseksi mahdollisia. Näissä hyödynnetään vanhaa kytkinlaitos 1D:tä, josta on vanhat maakaape-


liyhteydet laitoksille 31D sekä 411D. Laskennallisesti yhteydet mahdollistavat alhai-semmat vikavirrat varasyötön perässä olevissa laitoksissa, koska tällöin niitä syötetään kuristimien kautta. Ongelmaksi muodostuukin yhteyksien epävarmuus, koska ne perus-tuvat vanhimpiin tehdasalueella oleviin maakaapeleihin, joiden kunnosta ei voi antaa täyttä varmuutta. Nämä maakaapeliyhteydet ovat kuitenkin alun perin mitoitettu melko suurille kuormille, eikä niiden kuormitus näissä tarkastelluissa tapauksissa muodostu kovinkaan suureksi. Viimeisessä tarkasteltavassa tapauksessa 10 verkon tila vastaa periaatteessa normaa-lia kytkentätilaa sillä poikkeuksella, että generaattori 6 syöttää nyt kenttää NTS. Toisen generaattorin olemassaolo tehdasverkossa ei juurikaan muuta kytkinlaitosten alkuoi-kosulkuvirtoja. 110 kV kytkinkentän virrat nousevat noin parilla tuhannella ampeerilla, mutta syöttävän verkon oikosulkuteho ei nouse valtavasti, mistä seuraa, ettei generaatto-rin kytkentä aiheuta alakeskuksien vikavirroissa suuria muutoksia. Maasulkuvirrat jäävät selkeästi kuormitusvirtoja pienemmiksi, koska Nuottasaaren tehdasverkko on maasta erotettu. Tämä vaikeuttaa osaltaan maavikojen havaittavuutta, mutta nykypäivän suojareleillä myös maasulkusuojaus on toteutettavissa. Yleissääntöi-sesti voidaan saaduista tuloksista havaita, että suurimmat maasulkuvirrat liittyvät tapa-uksiin, joissa käytettävät kytkennät liittyvät 3D, 4D ja 5D asemien välisiin yhteyksiin. Eri kytkentätilanteissa kaapeliverkossa esiintyvät vikavirrat pysyvät kohtuullisina. Kaapelien mitoitukseen nähden ei millään lähdöllä ylitetä niiden kestoisuuksia, kun viat tapahtuvat kytkinlaitoksilla. Mallinnettaessa kaapeleissa tapahtuvia sisäisiä vikoja saa-daan edelleen kohtuullisia arvoja. Vain vanhimpien paperieristeisten kaapeleiden koh-dalla on mahdollista, että saavutetaan niiden dynaamiset kestoisuudet.

6.2.1. Vertailu vuoden 1996 laskennan tuloksiin

On mielenkiintoista voida verrata määritettyjä vikavirtoja vuodelta 1996 olevaan las-kentaan ja se auttaa myös huomaamaan, jos verkon tilassa on tapahtunut oleellisia muu-toksia. Tässä työssä saatujen tuloksien vertailtavuus aikaisempiin laskelmiin ei ole tosin kaikilta osin täysin aukotonta. Varhaisemmassa laskennassa tutkittuja tapauksia on raja-tumpi määrä ja käytetyissä verkon kytkentätiloissa on eroja [30]. Myös laskentaperus-teissa on eroavaisuuksia vanhemman ja uudemman selvityksen välillä. Edellisessä las-kennassa on esimerkiksi arvioitu kytkinlaitosten kuormituksia ja hyödynnetty niitä ku-vaamassa ekvivalenttisia moottoreita, jotka liittyvät suoraan pääkytkinlaitoksiin. Tässä työssä ekvivalenttiset moottorit sijaitsevat jakelumuuntajilla kuvaamassa niihin liittyviä moottorikuormia ja kuormat on selvitetty muuntajakohtaisesti. Näin ollen eroavaisuuk-sia syntyy selvitysten välille jo näistä lähtökohdista. Toisaalta eroja selittävät myös ver-kossa tapahtuneet muutokset, joiden johdosta nykyinen laskenta myös haluttiin toteut-taa. Kytkentätiloiltaan parhaiten keskenään verrattavissa olevat tilanteet edellisen las-kennan kanssa ovat tässä työssä tapaukset 1, 3, 7 sekä verkon normaalitila.


Tarkasteltaessa verkon normaalia kytkentätilaa voidaan havaita, että nykyisessä las-kennassa saadut vikavirtojen maksimiarvot ovat pääsääntöisesti selkeästi suurempia kuin vuoden 1996 laskennassa. Toisaalta jos verrataan minimivirtoja, jotka on laskettu tässä työssä, saadaan lähes samanlaiset arvot jokaiselle kytkinlaitokselle kuin vanhem-massa versiossa. Käytettäessä minivirran laskentaa Neplan-ohjelma ei huomioi kaikkia moottoreita, jotka sijaitsevat jakelumuuntajien alla. Tämän perusteella sopisi olettaa, että erot johtuvat tähän laskentaan tarkemmin mallinnetuista kuormituksista, jonka seu-rauksena moottorikuormat nostavat oikosulkuvirtoja. Tapaus 1 tilanteessa on yleensä kyseessä seisokkikäyttö, missä kuormituksia on ra-jattu. Erot kuormituksissa näkyvät osaltaan tässäkin, mutta molemmissa laskennoissa voidaan havaita kytkinlaitoksien 4D ja 5D kohonneet vikavirtatasot. Kytkinlaitos 5D:n osalta kumpikin laskenta osoittaa selvästi kyseisen laitoksen oikosulkukestoisuuden vaarantuvan. Muiden laitosten osalta päästään melko lähelle samoja arvoja. Nykyisessä laskennassa on kuormituksia pudotettu pois seisokin takia, mikä selittänee arvojen vas-taavuutta tässä tapauksessa verrattuna normaaliin kytkentätilanteeseen. Tapaus 3 tilanteessa vaihtelu laskentojen välillä on selkeästi pienempää. Arvot ovat yleisesti ottaen hieman suurempia uudessa laskennassa kuin vanhemmassa. Molemmat laskennat antavat kytkinlaitoksille 4D ja 5D yli 50 kA alkuoikosulkuvirrat, joka on erit-täin huomattava aseman 5D kannalta. Näiden lisäksi myös asemalle 22D, joka liittyy suoraan 5D:hen, saadaan korkeita arvoja verrattuna aseman oikosulkukestoisuuteen. Kytkinlaitokseen 4D liittyvillä asemilla saadaan uudessa laskennassa lähempänä niiden oikosulkukestoisuuden rajaa olevia arvoja kuin vanhemmassa laskennassa. Tapauksen seitsemän kohdalla päämuuntaja 4 ei ole käytössä ja kiskostoa 4D syöte-tään 5D:n ja 3D:n kautta. Laskentojen välillä ei ole merkittäviä eroja toisiinsa, tosin täs-sä tapauksessa osassa keskuksia on saatu suurempia arvoja vanhassa laskennassa kuin mitä uudessa. Kuten aikaisemmissa tapauksissa on tullut ilmi, myös tässä kytkentätilan-teessa on saatu merkittäviä oikosulkuvirtoja kytkinlaitoksissa 5D ja 4D. Maasulkuvirtojen osalta, ei vuodelta 1996 ole käytössä virta-arvoja kuin 110 kV kentistä. Nämä arvot ovat pääsääntöisesti noin 600 ampeeria suurempia kuin tässä työs-sä lasketut. Vuodelta 1991 on kuitenkin olemassa vikavirtatarkastelu, jossa on laskettu myös maasulkuvirrat 6,3 kV kytkinlaitoksissa [33]. Tuolloin laskettu verkko eroaa ny-kyisestä verkosta muun muassa siltä osin, ettei 5D kiskostoa ole vielä tehty alueelle. Li-säksi verkossa on ollut tuolloin generaattori 4, joka on myöhemmin poistettu käytöstä. Verrattaessa tässä työssä laskettuja arvoja vuonna 1991 laskettuihin, voidaan havaita verkon maasulkuvirtojen pysyneen lähes samoina osassa verkkoa. Kytkinlaitoksissa 2D ja 4D sekä niihin liittyvissä asemissa, maasulkuvirrat ovat uuden laskennan mukaan 21 A, kun ne vanhemmassa laskennassa ovat 20 A. 3D kytkinlaitoksen ja sen alaisten ase-mien maasulkuvirrat ovat nousseet noin 10 A verrattuna vanhaan tutkimukseen. Näiden lisäksi 110 kV kentän maasulkuvirrat ovat lähempänä toisiaan kuin mitä vuoden 1996 analyysissä saadut. Vuonna 1991 110 kV kentälle on saatu maasulkuvirroiksi 2700 A.

60

7. JOHTOPÄÄTÖKSET

Nuottasaaren koko sähköverkon edellinen tarkastelu on tehty viimeksi vuonna 1996 ja tämän jälkeen verkossa on tapahtunut muutoksia eritoten kuormituksien osalta. Ylläpi-don ja suunnittelun kannalta on ongelmallista, ettei käytettävissä ole tuoreempia tietoja verkon tilasta. Tämän takia tässä työssä haluttiin selvittää verkon kuormitukset sekä vi-katilanteissa ilmenevät virrat. Työssä saatujen tulosten valossa voidaan tarkastella esimerkiksi eri kytkentätilojen käytettävyyttä, sekä harkita mahdollisia toimenpiteitä kuormitusten tasapainoisempaa jakamista silmällä pitäen. Tärkein tarkastelun kohde oli selvittää kuinka verkon muu-tokset ovat vaikuttaneet vikavirtoihin eri kytkentätilanteissa. Uusien vikavirtatietojen perusteella on mahdollista tarkastaa verkon suojaus sekä tehdä tarvittavat muutokset verkon suojauksen ja oikosulkukestoisuuden parantamiseksi.

7.1. Kuormitettavuus

Nuottasaaren verkolle muodostetun mallin avulla voitiin laskea tehonjako tiedossa ol-leiden kuormitusten perusteella. Kyseisillä kuormilla verkko on normaalissa käyttötilan-teessa riittävästi mitoitettu. Tehdasalueen kaapeliverkko on mitoitettu nykyistä tilannet-ta suuremmille kuormille ja mahdollistaa näiltä osin kuormitusten kasvattamisen. Poik-keuksen verkossa tekevät lähinnä 2D kiskossa olevat kuristimet, joiden kuormitustaso on lähellä niiden maksimikuormitettavuutta. Muuntajien osalta kuormituksissa on melko suuria vaihteluita, osa muuntajista on kohtuullisen vähäisellä kuormalla samalla, kun osalla kuormat ovat sangen suuria. Toi-saalta yhdenkään muuntajan tilanne normaalissa käyttötilanteessa ei ole kriittinen ja kaikilla muuntajilla on mahdollisuus kasvattaa kuormaa nykyisen kytkentätilan puitteis-sa. Kuormitusten kannalta ongelmallisia ovat poikkeavat kytkentätilanteet, joissa on ris-kinä erityisesti päämuuntajien joutuminen ylikuormitukseen. Kyseiset tilanteet tulevat yleensä kyseeseen seisokeissa tai muissa huoltotoimenpiteissä, joiden aikana kuormitus-ta vähennetään luontaisesti huoltotöiden takia sekä verkon toiminnan varmistamiseksi. Kuormitettavuuden kannalta verkon tila on hyvä, vaikkakin tulee kiinnittää huomio-ta erityisesti joihinkin muuntajiin sekä kuristimiin mietittäessä mahdollisia tulevaisuu-den verkkomuutoksia. Muutaman kuristimen kohdalla on syytä harkita, onko niistä saa-tu hyöty vikavirtojen rajoittamiseksi riittävä. Kyseiset kuristimet ovat raskaasti kuormi-tettuja ja aiheuttavat verkkoon turhia häviöitä, jos ne eivät ole tarpeellisia vikavirtojen kannalta. Siirryttäessä normaalista käyttötilanteesta poikkeaviin kytkentöihin, tulee ot-taa huomioon tiettyjen yhteyksien rajalliset kapasiteetit.

JOHTOPÄÄTÖKSET 61

7.2. Oikosulkukestoisuus

Suoritetun vikavirtalaskennan perusteella verkossa on joitakin kytkinlaitoksia ja lähtöjä joiden oikosulkukestoisuus saattaa vaarantua. Oletuksena laskennassa pidettiin, että verkossa voi esiintyä maksimissaan 1 sekunnin mittaisia vikoja, joka vastaa verkon suo-jauksien maksimitoiminta-aikaa. Tällä hetkellä verkon normaalissa kytkentätilassa kaik-kien komponenttien oikosulkukestoisuus on riittävällä tasolla minimioikosulkuvirroilla sekä niitä pienemmillä arvoilla. Maksimitilanteessa suurin osa verkon komponenteista on mitoitukseltaan riittäviä. Ongelmalliset alueet ovat kytkinlaitos 5D ja sen syöttämä 22D. Näiden laitosten oikosulkukestoisuus ei riitä verkon normaalissa käyttötilanteessa, jos vian aiheuttamien virtojen suuruus vastaa laskettuja maksimivirtoja. Kaapeliverkon kestoisuus on pääosin riittävä niin sysäysoikosulkuvirran kuin myös termisen oikosul-kuvirran osalta. Sysäysoikosulkuvirta voi nousta liian suureksi lähinnä vain verkossa olevien vanhimpien paperieristeisten kaapelilähtöjen kohdalla, joita löytyy muun muas-sa 2D:ltä sekä 1D:ltä. Näidenkin osalta kestoisuus ylitetään vain kaapelin sisäisessä viassa.

Poikkeavilla kytkentätiloilla saavutetaan merkittävästi suurempia maksimioikosul-kuvirtoja tietyissä kytkinlaitoksissa ja kyseiset kytkentätilat liittyvät 3D:n, 4D:n ja 5D:n välisiin kytkentöihin. Näissä tapauksissa vaarantuu yleisesti ottaen juuri 5D:n oikosul-kukestoisuus, joka on selkeästi pienempi muihin pääkytkinlaitoksiin verrattuna. Myös 22D:n oikosulkukestoisuus ylitetään usein näiden kytkentöjen yhteydessä. Puujätekatti-lan aseman 411D:n kestoisuus saatetaan maksimitilanteessa ylittää tiettyjä yhteyksiä käytettäessä, mutta normaalissa käyttötilanteessa ollaan kuitenkin hyväksyttävissä ra-joissa. Kaapeliyhteyksillä oikosulkukestoisuudet pysyvät riittävinä myös poikkeavissa kytkentätilanteissa, pois lukien kaapeleiden sisäisiä vikoja, joiden aikana dynaaminen kestoisuus saattaa vaarantua vanhemmilla kaapeleilla.

Verkon käytön kannalta oikosulkuvirrat ovat melko suuria, joka toisaalta on omi-naista prosessiteollisuudelle. Kestoisuuden kannalta tulisi tarkastella erityisesti kytkin-laitoksen 5D sekä sen lähtöjen tilannetta ja pyrkiä rajoittamaan syntyviä vikavirtoja. Verkon tulevaisuuden kannalta, kun on oletettavaa että kuormitukset edelleen kasvavat, olisi suotavaa harkita pääkytkinlaitoksien oikosulkuvirtojen rajoittamista nykyistä enemmän. Tämä voitaisiin toteuttaa esimerkiksi lisäämällä kuristimia tai sitten vahvis-tamalla osaa laitoksista vastaamaan paremmin verkon vaatimuksia. Tällä hetkellä ver-kon toiminnan takaamiseksi pitää kiinnittää erityistä huomiota sen suojauksen riittävän nopeaan toimintaan.

7.3. Muutokset verrattuna vuoden 1996 laskentaan

Vuodelta 1996 peräisin oleva laskenta vastaa joiltain osin uuden laskennan tuloksia, mutta verkossa tapahtuneiden muutosten vaikutus näkyy eroavaisuuksina arvoissa. Suu-rimmat syyt erilaisiin arvoihin ovat juuri verkon muutokset sekä myös erilaiset lasken-nan pohjatiedot. Varhaisemmassa laskennassa on käyty läpi neljä erilaista kytkentätilaa,

JOHTOPÄÄTÖKSET 62

joka on selkeästi vähemmän kuin tässä työssä käydyt kymmenen tapausta verkon nor-maalitilan lisäksi. Koska Neplan-ohjelma on ollut työssä koko ajan käytettävissä, on se mahdollistanut paljon kattavamman verkon tarkastelun ja myös poikkeuksellisemmat kytkentätilat on voitu käydä läpi tässä työssä. Uudessa laskennassa on huomioitu verkon kuormitus tarkemmin sekä kyseiset tiedot vastaavat nykytilannetta. Hyvänä piirteenä voidaan kuitenkin todeta, että tapahtuneet muutokset eivät ole huolestuttavan suuria ja näiltä osin verkon tilassa ei ole tapahtunut oleellisia muutoksia edellisen laskennan ajoista.

Maasulkuvirtojen osalta verkko on pysynyt melko samana vaikkakin saatavilla ol-leet arvot olivat vuodelta 1991, jolloin verkon rakenne poikkesi tämän päivän verkosta. Maasulkuvirtojen kannalta voitaneen todeta, että suojaus on riittävällä tasolla vanhojen arvojen pohjalta tehtynä. Tosin 3D kytkinlaitoksen tilanne olisi hyvä tarkistaa, koska verkon rakenteessa tapahtuneet muutokset ovat muuttaneet siinä virtojen suuruutta.

Verkon tilan kannalta on hyvä, että jo varhaisemmassa laskennassa on saatu ongel-mallisiksi osoitetuille kytkinlaitoksille 5D ja 22D korkeampia oikosulkuvirtojen arvoja. Täten niiden suojaukseen on jo aiemminkin osattu kiinnittää huomiota. Toisaalta las-kennat ovat arvoiltaan yhteneväisempiä verkon poikkeavia kytkentätiloja tarkasteltaessa ja vanhassa laskennassa normaalitilalle on saatu pienempiä arvoja. Normaalissa kytken-tätilanteessa maksimivirtojen osalta saatiin nykyisellä laskennalla arvoja, jotka ylittävät edellä mainittujen kytkinlaitosten oikosulkukestoisuuden. Täten verkon oikosulkukes-toisuuden kannalta olisi tärkeää tarkastaa laitosten 5D ja 22D suojaus verkon normaalia kytkentätilaa silmällä pitäen.

63

8. YHTEENVETO

Työssä tutustuttiin sähköverkoissa esiintyviin vikoihin sekä niiden taustalla olevaan, lähinnä laskentaan liittyvään, teoriaan. Näiden tietojen perusteella voitiin Nuottasaaren verkkoa kuvattaessa kerätä tehdasalueella sijaitsevista laitteista laskennan kannalta oleelliset tiedot. Teorian tutkiminen mahdollisti työssä käytetyn tietokoneohjelman tu-losten kriittisen tarkastelun sekä tarkistamisen myös manuaalisesti laskemalla. Yleisesti ottaen, vaikka nykypäivänä on mahdollista hyödyntää tietokonepohjaista laskentaa ver-koille, on tärkeää tuntea laskennassa hyödynnettävät menetelmät sekä käytetyt oletuk-set.

Nuottasaaren jakeluverkon kuvaamisessa hyödynnettiin Neplan 5-ohjelmaa, jonka avulla muodostettiin verkkomalli sekä suoritettiin kyseisen mallin avulla verkon tarkas-telu. Mallinnustyötä tehtäessä tutustuttiin ohjelman tarjoamiin mahdollisuuksiin sekä käyttöön, koska kyseinen sovellus ei ole aiemmin ollut käytössä alueella. Ohjelman käytettävyys verkkojen kuvaamisessa voitiin todeta hyväksi ja myös laskenta on yksin-kertaista. Ohjelman avulla voidaan verkosta saada analysoitua, laskentamoduulista riip-puen, lukuisia verkon käytön kannalta oleellisia asioita. Laskennassa saadut tulokset ovat havainnollisesti esitettävissä, joko itse verkkomallissa tai vaihtoehtoisesti taulukko-listauksissa, jotka ohjelma kerää automaattisesti. Esitettävät tulokset ovat kummassakin tapauksessa vapaasti muokattavissa ja näin ollen voidaan tutkia vain kulloinkin kiinnos-tuksen kohteena olevia asioita.

Tärkeä piirre ohjelmassa on sillä tehdyn verkkomallin päivitettävyys, mikä mahdol-listaa verkon tilan tarkastamisen aina kun siihen tulee tarvetta. Vaikka ohjelmassa on lukuisia hyviä puolia, tarjoaa se alussa haasteita uusille käyttäjille. Tuoreelle käyttäjälle ongelmallisinta on selvittää mitkä tiedot kustakin komponentista lopulta ovat laskennan kannalta oleellisia, koska ohjelmassa ei ole rajattu syötettävien tietojen määrää, vaikka ne eivät olisi käytettävissä kyseisellä laskentamoduulilla. Ohjelma tarjoaa siis paljon mahdollisuuksia, mutta niiden oppimiseen tarvitaan syvempää tutustumista. Tärkeää ohjelman hyödynnettävyyden kannalta olisi saada järjestettyä sen käytöstä ainakin pe-rusteet läpikäyvä koulutus uusille käyttäjille. Ilman opastusta ohjelman peruskäytön op-piminen vie turhaa aikaa, joka on pois mallinnus- ja laskentatöiltä.

Nuottasaaren verkon vikavirtojen analysointia varten tehtiin yhteensä yksitoista ver-kon kytkentätilaa Neplan-ohjelman mallilla, joissa tarkasteltiin esiintyviä virtoja kolmi-vaiheisessa oikosulussa sekä maasulussa. Näiden laskentojen pohjalta voitiin todeta, että minimitilanteessa verkon nykyinen tila on hyvä kaikissa kytkentätilanteissa. Ongelmal-lisimmaksi tuntui muodostuvan maksimitilanteissa tietyt normaalista kytkentätilanteesta

YHTEENVETO 64

poikkeavat tapaukset, joissa saavutettiin osassa kytkinlaitoksia huomattavia oikosulku-virtoja.

Suurimmaksi osaksi verkon eri osien oikosulkukestoisuus oli kuitenkin riittävä. Kes-toisuus ylittyi lähinnä pieneksi mitoitetussa 5D kytkinlaitoksessa sekä siihen liittyvässä 22D:ssä. Näiden kytkinlaitosten osalta on vaarana oikosulkukestoisuuden ylittyminen maksimitilanteessa jo verkon normaalissa kytkentätilanteessa. Näin ollen niiden suoja-ukseen tulisi kiinnittää erityistä huomiota. Kaapeliverkon osalta pysyivät niin kuormi-tukset kuin myös oikosulkukestoisuudet riittävinä. Ainoastaan muutamalla vanhimmalla yhteydellä saattaa dynaaminen kestoisuus vaarantua johtojen sisäisissä vioissa. Toisaal-ta kyseisten kaapeliyhteyksien kohdalla ei voida taata, että niiden kunto vastaa enää las-kennallisia arvoja johtuen niiden ikääntymisestä.

Verkon kuormitusten osalta voitiin todeta, että ne pysyvät suurimmassa osassa verkkoa kohtuullisina. Normaalissa käyttötilanteessa suurimmassa kuormituksessa ovat pari verkossa olevaa kuristinta, joiden tapauksessa lähestytään niiden maksimikuormi-tettavuutta. Muuntajien kannalta tilanne on hyvä tavallisessa kytkentätilanteessa, vaik-kakin kuormitusten vaihtelu on suurta niiden joukossa. Tavallisesta poikkeavat kytken-tätilanteet saattavat altistaa osan päämuuntajista ylikuormitukselle, jos ei kiinnitetä riit-tävästi huomiota kuormitusten vähentämiseen. Kaapeliverkko oli kaikissa kytkentäti-loissa vähäisellä kuormituksella mitoitukseensa nähden.

65

LÄHTEET

[1] IEC 909 Short-circuit current calculation in three-phase a.c. systems. First edi-

tion. Genève 1988, International Electrotechnical Commission (IEC). 175 s.

[2] Oikosulkukysymykset. INSKO Julkaisu 36–73. Helsinki 1973, Insinöörijärjestö-jen koulutuskeskus. 226 s.

[3] Aro M, Elovaara J, Karttunen M, Nousiainen K, Palva V. Suurjännitetekniikka. Toinen painos. Helsinki 2003, Otatieto. 520 s.

[4] Teollisuuden sähköverkot 2 – oiko- ja maasulkusuojaus. INSKO Julkaisu 131-85. Helsinki 1985, Insinöörijärjestöjen koulutuskeskus. 302 s.

[5] Paavola M. Sähkölaitosten suojareleet. 2. painos. Porvoo 1970, WSOY. 146 s.

[6] Huotari K, Partanen J. Teollisuusverkkojen oikosulkuvirtojen laskeminen. Ope-tusmoniste 3. Lappeenranta 1998, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu – Sähkötekniikan osasto. 64 s.

[7] Partanen J, Lohjala J, Kapia T, Rissanen A, Lassila J, Lahti K, Kärnä A. 20/1/0,4kV sähkönjakelujärjestelmä [pdf]. Projektiraportti. Lappeenrannan tek-nillinen yliopisto, Sähkötekniikan osasto. 2005.

[8] SFS 6001+A1. Suurjännitesähköasennukset. Helsinki 2005, Suomen standardi-soimisliitto SFS ry. 118 s.

[9] Teknisiä tietoja ja taulukoita. Yhdeksäs painos. Vaasa 2000, Suomalaiset ABB-yhtiöt. 626 s.

[10] Lakervi E. Luento 7 – Vikavirtasuojaus [.ppt]. Sähkötekniikan laitos. Espoo, Teknillinen korkeakoulu. 2008, [viitattu 21.11.2008]. Saatavissa:

http://powersystems.tkk.fi/opinnot/S-18.3153/3153_luennot/luento%207e.ppt#37 7,1,Luento 7 Vikavirtasuojaus

[11] Mörsky J. Relesuojaustekniikka. Toinen painos, Otatieto 540. Hämeenlinna 1993, Otatieto Oy. 459 s.

[12] Lakervi E. Sähkönjakeluverkkojen suunnittelu. Otatieto 566. Helsinki 1996, Ota-tieto Oy. 110 s.

LÄHTEET 66

[13] Nagrath I. J., Kothari D. P. Power system engineering. Twelfth reprint. New

Delhi 2002, Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. 838 s.

[14] Vikavirtojen laskeminen - luentokalvo [.ppt]. Sähkötekniikan laitos. Espoo, Teknillinen korkeakoulu. 2005, [viitattu 27.11.2008]. Saatavissa:

http://powersystems.tkk.fi/opinnot/S-18.113/sahkojarj_3.ppt#297,1,Vikavirtojen laskeminen

[15] IEC 865-1 Short-circuit currents – Calculations of effects, Part 1. Second edition. Genève 1993, International Electrotechnical Commission (IEC). 115 s.

[16] Frantti P. Teollisuuslaitoksen keskijänniteverkon oikosulkuvirrat ja niiden hallin-talaitteet. Diplomityö. Tampere 1989. Tampereen teknillinen korkeakoulu, Säh-kötekniikan osasto. 94 s.

[17] Lakervi E., Holmes E. J. Electricity distribution network design. 2nd edition. England 1995, reprinted 1998, Peter Peregrinus Ltd. 325 s.

[18] Muuntamoiden rekisteröinti. Oulu 10.6.1997. PVO-Yhtiöt, Oulun Voima Oy. Julkaisematon selvitys. 4 s.

[19] 3 vaihemuuntaja. Vaasa 12.8.1996. ABB Transmit Oy Suurmuuntajat. Julkaise-maton koestuspöytäkirja. 15 s.

[20] Koestuspöytäkirja 3 vaihemuuntaja. Vaasa 22.12.1996. ABB Transmit Oy Suurmuuntajat. Julkaisematon koestuspöytäkirja. 15 s.

[21] Keskuksien kuormitustiedot. Oulu 24.3.2009. Efora Oy. Julkaisematon mittaus-pöytäkirja. 10 s.

[22] Kärsämä, Timo. 2009. Sähkömestari, Efora Oy. Oulu. Haastattelu 27.3.2009.

[23] Alumiinijohtiminen, PEX-eristeinen 110 kV voimakaapeli [.pdf]. Prysmian ca-bles & systems, [viitattu 30.5.2008]. Saatavissa:

http://www.sahkonumerot.fi/liitteet/45084_ahxlmkw110_fi_n.pdf

[24] Teräsvahvisteinen alumiinijohdin [.pdf]. Prysmian cables & systems, [viitattu 30.5.2008]. Saatavissa: http://www.fi.prysmian.com/fi_FI/cables_systems/energy/product_families/pdf/acsr_fi_n.pdf

[25] Finland,ACSR [.pdf]. HAC, [viitattu 22.7.2008]. Saatavissa: http://www.hac.no/hac/pdf/FinlandACSR.pdf

LÄHTEET 67

[26] Teräsvahvisteinen alumiinijohdin [.pdf]. Prysmian cables & systems, [viitattu

30.5.2008]. Saatavissa: http://www.fi.prysmian.com/fi_FI/cables_systems/energy/product_families/pdf/ahxcmkwtc1_10_fi_n.pdf

[27] Yksijohtiminen alumiinivoimakaapeli [WWW]. REKA kaapeli, 2006, [viitattu 30.5.2008]. Saatavissa: http://www.reka.fi/portal/suomeksi/tuotteet/voimakaapelit/dryrex/keskijännitekaapelit/ahxcmk-wtc__1x_

[28] AHXCMK-WTC 1-core [.pdf]. Pirelli, [viitattu 30.5.2008]. Saatavissa: http://www.rimalga.it/pdf/ahxcmkwtc1_20.pdf

[29] Alatalo, Pentti. Voimakaapelit ja asennusjohdot. Espoo 1975, Oy Nokia Ab Kaapelitehdas. 167 s.

[30] Verkostotutkimukset OVO. Oulu 31.1.1996. Oulun Voima Oy. Julkaisematon tutkimus.

[31] Willman, Juha. Neplan offer. 2008, ABB. Sähköpostitarjous. 8 s.

[32] Harjula, Antti. Nuottasaaren vikavirtatiedot. 29.10.2008, Fingrid Oy. Sähköpos-tiviesti. 2 s.

[33] 110 kV ja 6,3 kV verkkojen vikavirrat ja releasettelut. Oulu 4.6.1991. Veitsiluoto Oy. Julkaisematon tutkimus.

Liite 1:

Nuottasaaren tehdasalueen sähköverkon pääkaavio

Liite 2: Neplan-ohjelman käyttöliittymä

Liite 3: Tehonjakomoduulin asettelut

Liite 4: Oikosulkumoduulin asettelut

Liite 5: Laitekortti kaksikäämiselle muuntajalle Neplan-ohjelmassa

Liite 6: Nuottasaaren pääkaavio Neplan-ohjelmassa

Liite 7: Vikatilanteen tuloksien esitys

Liite 8: Nuottasaaren tehdasverkon vikavirrat eri kytkentätilanteissa (1/6)

Liite 8: (2/6)

Liite 8: (3/6)

Liite 8: (4/6)

Liite 8: (5/6)

Liite 8: (6/6)

PETRI SALMINEN TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON MALLINTAMINEN … julkiset dtyot/Salminen_Petri_julk.pdf ·...

Documents

Transcript of PETRI SALMINEN TEOLLISUUSSÄHKÖVERKON MALLINTAMINEN … julkiset dtyot/Salminen_Petri_julk.pdf ·...