Sähkövoimatekniikka TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO. Tuulivoimaan perustuvan hajautetun sähköntuotannon vaikutus keskijänniteverkon suojaukseen

Transkriptio

1 Sähkövoimatekniikka TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Raportti Tuulivoimaan perustuvan hajautetun sähköntuotannon vaikutus keskijänniteverkon suojaukseen Kari Mäki, Pertti Järventausta ja Sami Repo Tampere 2003

2 Kari Mäki, Pertti Järventausta ja Sami Repo Tuulivoimaan perustuvan hajautetun sähköntuotannon vaikutus keskijänniteverkon suojaukseen Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 2003, 93 s. Raportti / Tampereen teknillinen yliopisto, Sähkövoimatekniikka; ISBN X ISSN X UDK

3 i ALKUSANAT Tutkimus on toteutettu osana laajempaa West Wind hanketta, jossa pyritään edistämään tuulivoiman sijoittautumista Länsi-Suomen alueelle. Hankkeessa kartoitetaan mm. tuulivoimalle soveltuvia sijoituspaikkoja tuuliolosuhteiden, maankäytön, sähköverkon ja tiestön suhteen. Tämä tutkimus liittyy tuulivoiman tekniseen vaikutukseen sähköverkossa. Erityistarkastelun kohteeksi valittiin Högsåran saarelle sijoitettavan 3 MW:n tuulipuiston sähkötekninen tarkastelu Fortum Sähkönsiirto Oy:n keskijänniteverkossa. Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli selvittää nykyisin käytössä olevien verkkotietojärjestelmien, erityisesti ABB Oy:n Open++ -tuoteperheen suunnittelu- ja verkostolaskentamenetelmien, soveltuvuutta tuulivoiman aiheuttamien verkostovaikutusten tarkastelemiseen. Tässä raportissa tarkastellaan hajautettuun tuotantoon liittyviä suojauskysymyksiä. Raportissa käsitellään hajautetun tuotannon liitäntäsuosituksia, suojausta ja tyypillisiä hajautettua tuotantoa sisältävään keskijänniteverkkoon liittyviä vikatilanteita. Högsåran saarelle sijoitettavaan tuulipuistoon liittyvää esimerkkiverkkoa on tarkasteltu suojauksen näkökulmasta. Raportin laskelmat on tehty ABB Open++ OperaWS ohjelmistolla. Osassa laskelmista vertailukohtana on käytetty PowerWorld ohjelmaa, ja raportti sisältääkin myös laskentaohjelmien tulosten vertailua. Raportti on osa myöhemmin valmistuvaa laajempaa diplomityötä. Tutkimus on toteutettu Fortum Sähkönsiirto Oy:n tilaustutkimuksena. Erityiset kiitokset projektin organisoinnista Joni Brunnsbergille ja sähköteknisistä neuvoista Osmo Huhtalalle ja Mikael Mickelssonille. Tampereella Kari Mäki Pertti Järventausta Sami Repo

4 ii TIIVISTELMÄ Raportissa on tarkasteltu tuulivoimaan perustuvan hajautetun tuotannon ja siihen liittyvän sähkönjakeluverkon suojaukseen liittyviä kysymyksiä sekä esitetty tyypilliset hajautettuun tuotantoon liittyvät suojausongelmat ja niiden mahdolliset ratkaisut. Raportissa käsitellään voimalan teknisen toteutuksen vaikutusta vikatilanteen käyttäytymiseen ja määritellään liittymispisteessä vaadittava suojaus. Raportissa esitetään myös suojauslaskelmat Högsåran tuulipuiston jakeluverkkoon liittämiseksi. Samalla tarkastellaan laskelmissa käytetyn ABB Open++ Opera -ohjelmiston ja vertailukohtana käytetyn PowerWorld -ohjelman tulosten vastaavuutta ja ohjelmien soveltuvuutta suojauksen suunnitteluun. Voimalan generaattorilaitteiston toteutuksella on suuri vaikutus vikatilanteen käyttäytymiseen ja suojauksen toteutukseen. Tahtigeneraattorin syöttämä vikavirta on suurin, mutta toisaalta tahtigeneraattori on suojauksen kannalta selkein tapaus, koska se pystyy syöttämään jatkuvaa vikavirtaa. Toisaalta pelkkää vikavirtaa ei voida pitää luotettavana suojausperusteena. Epätahtigeneraattori syöttää vian alkuhetkellä lähes yhtä suurta vikavirtaa kuin tahtigeneraattori, mutta vikavirran syöttö katkeaa nopeasti. Tehoelektroniikalla toteutettu voimala syöttää vain hetkellisen virtapiikin, jonka jälkeen voimalan sisäinen ylivirtasuojaus irrottaa voimalan verkosta. Tehoelektroniikkaratkaisu onkin periaatteessa yksinkertainen suojauksen kannalta, mutta toisaalta käyttäytyminen vian aikana riippuu voimakkaasti laitteiston toteutustavasta eikä selkeitä yleisiä malleja ole olemassa. Hajautetun tuotannon liittymispiste on varustettava tietyillä suojilla. Tällaisia ovat ylija alijännitesuojaus, yli- ja alitaajuussuojaus sekä ylivirtasuojaus. Lisäksi tarvitaan käytännössä aina suojaus yksinsyöttötilanteen varalta sekä maasulkusuojaus. Voimalan mekaaninen rakenne ja generaattori suojataan omilla suojalaitteillaan. Tässä raportissa näkökulma on kuitenkin jakeluverkon suojauksessa, eikä voimalan sisäistä suojausta olla paljolti käsitelty. Jakeluverkkoon sijoitettava hajautettu tuotanto voi vaikeuttaa verkon suojauksen toteutusta merkittävästi. Useamman vikavirtalähteen ja verkon jännitteen kasvun

5 iii myötä vikavirtatasot kasvavat koko verkossa jonkin verran, eniten hajautetun tuotannon läheisyydessä. Erityisesti ohuiden johtohaarojen oikosulkukestoisuudet voivat ylittyä. Kestoisuuksien ylittyessä mahdollisia toimenpiteitä ovat johdinlajien vaihtaminen paksumpiin tai laukaisuaikojen lyhentäminen. Hajautettu tuotanto voi myös estää lähdön suojausta toimimasta. Tämä on mahdollista erityisesti kaukana sähköasemalta tapahtuvissa vioissa. Hajautettua tuotantoa sisältävä lähtö saattaa irrota verkosta turhaan vian sattuessa viereisellä lähdöllä. Tämä johtuu hajautetun tuotannon aseman kautta vikapaikkaan syöttämästä vikavirrasta. Kahteen edelliseen ongelmaan voidaan vaikuttaa releasetusten muutoksilla, mutta ne ovat jossain määrin ristiriidassa keskenään. Jos lähdöllä on käytössä pikajälleenkytkentä, on hajautetun tuotannon ehdottomasti erotuttava verkosta jälleenkytkennän jännitteettömänä aikana. Muussa tapauksessa jälleenkytkentä epäonnistuu. Suoritettujen laskelmien perusteella Högsåran esimerkkiverkon tarkasteltu kytkentätilanne on suojauksen kannalta mahdollista toteuttaa ilman verkkoon kohdistuvia investointeja. Releiden asetusten muutokset saattavat kuitenkin olla tarpeellisia. Laskelmat tehtiin ABB Open++ OperaWS ohjelmistolla. Raportin liitteessä 3 esitetään hahmotelma hajautettua tuotantoa sisältävän jakeluverkon suojauksen suunnitteluprosessin etenemisestä. Tätä aihetta käsitellään tarkemmin myöhemmin valmistuvassa diplomityössä.

6 iv SISÄLLYSLUETTELO ALKUSANAT...i TIIVISTELMÄ...ii SISÄLLYSLUETTELO...iv 1. JOHDANTO SUOSITUKSISTA HAJAUTETUN TUOTANNON VERKKOON LIITTÄMISEKSI ERI MAISSA Yleistä Suositukset Suomessa Turvallisuus Jakelujännitteen ominaisuudet Nopeat jännitevaihtelut Liittymispisteen tekniset vaatimukset Suositukset muissa maissa Viro Saksa Ruotsi Muut huomioitavat asiat Ympäristönäkökulmat Turvallisuuden parantamismahdollisuudet HAJAUTETUN TUOTANNON VAIKUTUKSET VERKON SUOJAUKSEEN Yleistä Erilaiset generaattorilaitteistot ja niiden toiminta vikatilanteessa Tahtigeneraattori Epätahtigeneraattori Tehoelektroniikkaratkaisut Taajuusmuuttaja Generaattorilaitteiston toteutuksen vaikutus suojaukseen Jännitetason muutokset Nopeat jännitevaihtelut Yliaallot Verkon käyttö renkaassa Oikosulkusuojaus rengasverkossa Maasulkusuojaus rengasverkossa Jännitekuoppatilanteet Distanssisuojan käyttömahdollisuus...40

7 v 4. HAJAUTETUN TUOTANNON SUOJAUS Yleistä Perussuojaus Suojauksen perusvaatimukset Yli- ja alijännitesuojaus Yli- ja alitaajuussuojaus Ylivirtasuojaus Lisäsuojaus Yksinsyötön esto Aktiiviset menetelmät Passiiviset menetelmät Maasulkusuojaus Vianilmaisimien käyttö Voimalan suojalaitteet ERILAISET VIKATAPAUKSET Yleistä Jälleenkytkennän epäonnistuminen Terveiden lähtöjen erottaminen Lähdön ylivirtasuojauksen toiminnan sekoittaminen Ferroresonanssi Sähköasemaviat Keskijännitejohtojen viat VIKAVIRTALASKENTA TARKASTELLUSSA VERKOSSA Taustaa ABB Open++ -ympäristö Tuloksia Oikosulkulaskenta Maasulkulaskenta Jännitekuopat Taajuusmuuttajakäytön vaikutukset tilanteeseen Laskentaohjelmien tulosten vertailua YHTEENVETO...85 LÄHDELUETTELO...86 LIITE LIITE LIITE

8 vi LIITELUETTELO Liite 1. Laskentatulosten vertailutaulukko kappaleeseen 6. Liite 2. Esimerkkitilanne käsin laskettuna sekä laskentaohjelmien antamat tulokset. Liite 3. Hahmotelma hajautetun tuotannon suojauksen suunnitteluprosessin etenemisestä

9 1 1. JOHDANTO Perinteisen, säteittäisessä käytössä olevan jakeluverkon suojaus on perusperiaatteeltaan melko suoraviivaista. Sähköaseman päämuuntaja syöttää lähtöjä, jotka edelleen jakelumuuntajien kautta syöttävät lopullisia kulutuspisteitä. Oleellista tässä on, että teho kulkee aina samaan suuntaan, sähköasemalta kohti kuluttajaa. Vastaavasti vikatilanteessa vikavirta kulkee yhteen suuntaan ja vikavirtamittauksen perusteella voidaan erottaa pienin mahdollinen lähdön osa muusta verkosta. Verkkoon kytketyt moottorit voivat tosin myös syöttää verkkoon vikavirtaa, mikä saattaa muuttaa virtojen suuruuksia. Hajautetulla tuotannolla tarkoitetaan pienitehoista tuotantoa, jota sijoitetaan jakeluverkon yhteen tai useampaan liittymispisteeseen. Hajautettu tuotanto liittyy usein uusiin energiamuotoihin, joiden tuotantotehot ovat pieniä ja jotka tästä syystä soveltuvat hyvin liitettäväksi jakeluverkkoon ilman suuria lisätoimenpiteitä. Taloudellisessa mielessä energiamuodon kohtuullisen pieni teho on edellytys hajautetun tuotannon toteutuksen kannalta, koska jakeluverkon suuret vahvistamistoimet tuotantoa varten johtaisivat energian kalliiseen hintaan. Tyypillisimmät hajautetun tuotannon muodot ovat tuulivoima, pienvesivoima ja polttomoottorikäyttöiset pienvoimalat. Myös aurinkosähkö on maailmalla yleisessä käytössä, mutta Suomessa sen käyttö ei ole kovin yleistä. Polttokennolaitokset sekä muut modernit tuotantotavat ovat hajautetun tuotannon tulevaisuuden muotoja. Tuotanto voi olla niin pientä, että se vaikuttaa käytännössä negatiivisena kuormana leikaten tuotantopisteen lähialueen kokonaiskulutusta, mutta siirrettävän tehon suunta säilyy. Tuotantolaitoksen sijainti määräytyy normaalisti jakeluverkosta riippumattomista tekijöistä. Esimerkiksi tuulivoimala sijoitetaan tuulen kannalta edulliseen paikkaan ja pienvesivoimala sille sopivaan paikkaan. Jakeluverkko toki asettaa omat rajoituksensa liitettäville laitoksille, ja jakeluverkon läheisyys on perusedellytys hajautetun tuotannon

10 2 suunnittelemiselle kyseiselle paikalle. Lähtökohtana on kuitenkin tuotannon mahdollistava sijoituspaikka, ei verkon sijainti. Hajautetulla tuotannolla on monia etuja. Paikallisen tuotannon myötä siirrettävän sähkön määrä ja tämän seurauksena siirtohäviöt pienenevät. Kauempana sähköasemalta sijaitessaan hajautettu tuotanto tukee lähialueen jännitettä, joka on usein alempi kuin sähköaseman läheisyydessä. Toisaalta liiallinen jännitteennousu muodostuu usein tuotannon määrää rajoittavaksi tekijäksi. Tuotantolaitoksen tyypistä riippuen energian tuotantotapa on yleensä hyvin ympäristöystävällinen. Edellä kuvatun mukaisesti jakeluverkko on alun perin suunniteltu tehon yhteen suuntaan siirtämistä varten. Hajautettu tuotanto jakeluverkossa monimutkaistaa asioita monella tavalla, varsinkin teholtaan nopeasti vaihtelevan tuotannon, esimerkiksi tuuli- tai aurinkovoiman, kyseessä ollessa. Nyt verkossa on useampi tehonlähde ja teho voi kulkea myös lähdön loppupäästä sähköasemaa kohti. Vastaavasti vikatilanteessa vikavirtalähteitä on useampi; sähköasema ja kaikki verkkoon sijoitetut pienvoimalat. Lähdön suojaus ei välttämättä enää toimi alkuperäisillä asetuksillaan, koska verkossa kulkevien vikavirtojen suuruudet ja mahdollisesti myös suunnat muuttuvat. Tämä ongelma voidaan ratkaista muuttamalla suojauksen asetuksia uuden tilanteen mukaisiksi, mutta toisaalta on muistettava, että suojauksen on toimittava myös pienvoimaloiden ollessa irti verkosta, eli täysin alkuperäistä säteittäistä käyttöä vastaavassa tilanteessa. Useamman voimalan tapauksessa on tuotannon tyypistä ja luotettavuudesta riippuen päätettävä, onko tilanne, jossa kaikki tuotantolaitokset ovat yhtä aikaa irti verkosta, mahdollinen. Saman lähdön alueelle kytkettyjen tuulivoimaloiden tapauksessa on erittäin mahdollista, että kaikki voimalat ovat yhtä aikaa irti verkosta esimerkiksi tyynellä ilmalla tai kovalla myrskyllä.

11 3 Kuva 1.1. Yleiskuva hajautetun tuotannon mahdollisesta sijoittamisesta jakeluverkkoon ja huomioitavista vikatapauksista Tuotannon luonteesta johtuen pienvoimaloita joudutaan liittämään verkkoon tuotannon mahdollistavien ehtojen mukaisesti. Edellä esitetyn kuvan mukaisesti pienvoimala voi sijaita esimerkiksi lähdön alussa tai aivan sen lopussa. Samalla lähdöllä voi myös olla useampi voimala. Lähtö voi sisältää kulutuspisteitä eli asiakkaita tai olla rakennettu vain voimalan sähköasemaan liittämistä varten. Suoraan sähköasemaan liittäminen voi olla taloudellisesti kannattavaa lähinnä voimalan sijoituspaikan ollessa hyvin lähellä sähköasemaa. Osa lähdöistä voi myös olla pysyvästi tai väliaikaisesti kytkettynä renkaaseen. Suojauksen kannalta joudutaan tarkastelemaan kaikki mahdolliset verkon käyttötilanteet ja varmistamaan suojauksen toiminta kussakin tilanteessa koko verkon alueella. Erityisesti tarkasteltavia asioita ovat: Johtojen ja komponenttien oikosulkukestoisuudet Lähdön suojauksen havahtuminen erilaisissa vikatilanteissa Pienvoimalan verkosta irtoaminen jälleenkytkennän aikana Pienvoimalan aseman kautta viereiselle lähdölle syöttämä vikavirta Jännitekuopat ja niiden voimalalle aiheuttamat häiriöt

12 4 Hajautettua tuotantoa suunniteltaessa on huomioitava kaikentyyppiset viat. Oikosulkukestoisuuden kannalta tärkein vikatyyppi on kolmivaiheinen oikosulku, jonka aikana verkossa vaikuttavat suurimmat vikavirrat. Suojauksen havahtuvuutta tarkasteltaessa taas tärkeimmät vikatyypit ovat kaksivaiheinen oikosulku sekä maasulku, koska näiden aiheuttamat vikavirrat ovat pienimpiä. Vika voi sijaita esimerkiksi voimalalähdön alku- tai loppupäässä, viereisellä lähdöllä, sähköasemalla tai siirtoverkossa päämuuntajan toisella puolella. Erilaisia vikojen sijainteja on esitetty kuvassa 1.1. Lähdön alussa sijaitsevat viat ovat yleisesti tärkeitä oikosulkukestoisuuksien ja sähköaseman kautta kulkevien vikavirtojen kannalta. Lähdön lopussa sijaitseva vika taas on tärkeä suojauksen havahtumisen kannalta. Verkon turvallisen ja tehokkaan käytön takaamiseksi hajautettu tuotanto on huomioitava oikealla tavalla myös nykyaikaisissa verkkotieto- ja käytöntukijärjestelmissä. Erityisesti suunnitteluvaiheessa hajautetun tuotannon verkostovaikutukset on osattava ennakoida oikein.

13 5 2. SUOSITUKSISTA HAJAUTETUN TUOTANNON VERKKOON LIITTÄMISEKSI ERI MAISSA 2.1 YLEISTÄ Hajautetun tuotannon liittäminen yleiseen jakeluverkkoon edellyttää riittävän selkeää ohjeistusta sekä asioiden tarkkaa sopimista sähköverkon haltijan ja pienvoimalan omistajan välillä. Sen lisäksi, että pienvoimalan liitäntä on suojattava oikealla tavalla sekä jakeluverkon että itse voimalan suojaamiseksi, on otettava huomioon myös voimalan laajemmat vaikutukset jakeluverkkoon. Myös jakeluverkon eri pisteisiin sijoitettujen voimaloiden yhteisvaikutus vikatilanteissa on huomioitava. Tuulivoiman kannalta ongelmallisuutta lisää tuotannon erittäin nopea vaihtelu. Toiminnan on oltava turvallista kaikilla mahdollisilla kulutus-tuotanto yhdistelmillä. Edellä esitetyn vuoksi onkin tärkeää, että voimaloiden verkkoon liittämisestä on olemassa mahdollisimman selkeät pelisäännöt, joita kaikki osapuolet noudattavat. Yleisten vaatimusten lisäksi jakeluverkon haltijan on määritettävä tarkasteltavalle liittymispisteelle tiettyjä raja-arvoja riippuen verkon ominaisuuksista liittymispisteessä. Tässä kappaleessa tarkastellaan Suomessa käytössä olevia liitäntäsuosituksia ja verrataan niitä muiden maiden suosituksiin. 2.2 SUOSITUKSET SUOMESSA Suomessa yleisesti käytettävät määritelmät hajautetun tuotannon verkkoon liittämiseksi perustuvat Sähköenergialiitto ry:n julkaisemaan ohjeeseen [1]. Julkaisu on luonteeltaan suositus, ei määräys tai standardi. Lisäksi hajautettuun tuotantoon voidaan soveltaa mm. standardeja sähkölaitteiden aiheuttamista verkkohäiriöistä ja yleisen jakeluverkon jakelujännitteen ominaisuuksista.

14 Turvallisuus Pienvoimalan yksinsyötön mahdollisuus on aina estettävä. Jos verkkoa ei syötetä muualta tai verkon jännite katoaa kokonaan tai osittain, on suojauksen erotettava voimala verkosta. Erityisesti verkkotöitä tehtäessä pienvoimala voi muussa tapauksessa aiheuttaa vaaratilanteen. Normaalista syötöstä erotettu johto voi jäädä jännitteiseksi johtuen sen toiseen päähän kytketystä pienvoimalasta. Kaikkien verkon voimaloiden tulisikin olla verkonhaltijan tiedossa. Lisäksi pienvoimalaan kytketyt johtolähdöt ja muuntajat tulisi merkitä erillisellä varoituskyltillä. Pienvoimala on aina varustettava laitteilla, joilla se voidaan erottaa yleisestä verkosta. Verkonhaltijalla on oltava aina mahdollisuus käyttää näitä laitteita ja ne on voitava lukita pysyvästi aukiasentoon. [1] Jakelujännitteen ominaisuudet Standardi SFS-EN määrittelee keski- ja pienjänniteverkon jakelujännitteen ominaisuudet. Sähköenergialiiton suosituksen mukaan tätä standardia ei kuitenkaan tule soveltaa pienvoimaloihin, vaan nykyaikaisilla laitteistoilla on pyrittävä saavuttamaan parempi jännitteen laatutaso. Standardia voidaan toki käyttää vertailupohjana mutta sen ei tulisi olla suunnittelun lähtökohta. Usein hajautetun tuotannon tehot ovat pieniä ja siten myös vaikutus sähkön laatuun on pieni. Jos voimalan tuottama teho on suuri verkon oikosulkutehoon verrattuna, voi tuotanto kuitenkin vaikuttaa merkittävästi myös laatuun. Laadun kannalta voidaan muodostaa tiettyjä ehtoja, jotka pienvoimalan on täytettävä. Kytkettäessä voimala verkkoon tai erotettaessa se verkosta eivät jännitevaihtelut saa olla liian suuria. Jännitevaihteluihin vaikuttaa oleellisesti generaattorin oikea tahdistaminen verkkoon. Myös jännitetason on kaiken aikaa pysyttävä standardin rajoissa eikä nopeita jännitteenmuutoksia saa esiintyä liikaa. [1]

15 Nopeat jännitevaihtelut Jännitevaihtelut aiheuttavat häiritsevää välkyntäilmiötä. Välkyntä on erityisesti tuulivoimaloihin liittyvä ongelma. Välkyntä aiheuttaa käytännössä esimerkiksi valojen vilkkumista haitaten täten sähkönkäyttäjiä. Ihmissilmää ärsyttävät eniten taajuuksilla 5 10 Hz tapahtuvat vaihtelut. Vaihteluiden mittaamiseen on kehitetty välkyntämittari, jossa käytetään lyhytaikaista häiritsevyysindeksiä ja tämän pohjalta muodostettavaa pitkäaikaista häiritsevyysindeksiä. Mittareiden toiminnassa on kuitenkin ollut ongelmia eikä niitä toistaiseksi ole kovin laajassa käytössä. Tulevaisuudessa asia muuttunee kuitenkin tärkeämmäksi ja myös mittareiden käyttö yleistynee. Standardin mukaan viikon mittausjaksolla jakelujännitteen pitkäaikaista häiritsevyyttä kuvaavan P lt arvon on oltava 95 % ajasta alle 1. [1] Pitkäaikainen häiritsevyysindeksi lasketaan kahdestatoista kahden tunnin aikavälin arvosta. Lyhytaikaisen ja pitkäaikaisen häiritsevyysindeksin välinen yhtälö on seuraava: P 12 3 st, i P 3 lt = (2.1) i= 1 12,missä P lt on pitkäaikainen häiritsevyysindeksi P st on lyhytaikainen häiritsevyysindeksi i on kahden tunnin aikajakson järjestysluku [21] Muutosilmiöitä on perinteisesti arvioitu asettamalla suositukset jännitteen suhteellisen muutoksen suuruudelle eri muutostaajuuksilla. Standardissa arvot määritetään kuvaajana esittämällä sallittu sähkölaitteen aiheuttama jännitevaihtelu vaihtelujen esiintymistiheyden funktiona.

16 8 10 Muutos-% 1 0,1 0, Muutosta minuutissa Kuva 2.1. Suurin sallittu jännitteen muutos vaihtelujen esiintymistiheyden funktiona. [2] Harvoin toistuvan jännitemuutoksen maksimisuuruus on noin 3 %. Sähköenergialiiton suosituksen mukaan pienvoimalan käynnistyksessä voidaan kuitenkin sallia noin 5 % muutos, kun käynnistys tapahtuu korkeintaan 2-3 kertaa tunnissa. Esimerkiksi 2 % jännitemuutoksia saa esiintyä korkeintaan 3 kertaa minuutissa, kun taas 1 % muutoksia saa esiintyä 27 kertaa. Huomionarvoista on, että jännitekuoppa, jossa jännite palautuu takaisin alkuarvoonsa, lasketaan standardissa kahtena jännitemuutoksena. [1][2]

17 Liittymispisteen tekniset vaatimukset Standardin mukaisesti pienvoimalan kytkeminen verkkoon saa aiheuttaa korkeintaan 5 % hetkellisen jännitemuutoksen. Sähköenergialiiton selvityksen mukaan suunnittelulähtökohtana kannattaa kuitenkin käyttää enintään 4 % muutosta. Pienvoimalan kytkeytymisestä aiheutuva jännitemuutos voidaan laskea: S n U = isuhde UV, (2.2) S k missä i suhde on voimalan kytkentävirran suhde nimellisvirtaan S k on verkon oikosulkuteho ensimmäisessä yhteisessä pisteessä S n on pienvoimalan nimellisteho U V on verkon vaihejännite Tästä voidaan johtaa S k UV = isuhde S n, (2.3) U johon voidaan sijoittaa U/U V = 0.04 eli U V / U = 25, jolloin saadaan ehto jonka mukaan verkkoon kytkeminen voidaan normaalisti sallia: S k 25 i S (2.3) suhde n Esimerkiksi epätahtigeneraattorin tapauksessa i suhde on tyypillisesti luokkaa 3 8. Tällöin liittymispisteen oikosulkutehon on oltava suurimmillaan 200 kertaa voimalan nimellisteho. Jos voimala tahdistetaan verkkoon pehmokäynnistimillä, voidaan kytkentävirtaa rajoittaa oleellisesti. i suhde voidaan rajoittaa arvoon 1 tai jopa pienemmäksi. Tämä mahdollistaa voimalan liittämisen oikosulkuteholtaan selvästi pienempäänkin liittymispisteeseen. Jos voimala kytkeytyy irti verkosta ja takaisin verkkoon useampia kertoja

18 10 tunnissa, tulisi yksittäisen muutoksen olla edellä mainittua pienempi tai kytkeytymistaajuutta voidaan joutua rajoittamaan. [1] Voimalan kytkentämenetelmä on aina sovittava erikseen verkonhaltijan kanssa. Sähköenergialiitto suosittelee käytettäväksi automaattista tahdistuslaitteistoa. Lisäksi epätahtigeneraattorin käynnistymisen tulisi tapahtua mahdollisimman lähellä synkronista olevalla pyörimisnopeudella, jotta suurilta käynnistysvirtapiikeiltä vältyttäisiin. Sähköenergialiiton mukaan yleisohjeena voidaan käyttää käynnistys- ja kytkentävirran rajoittamista mahdollisimman lähelle nimellisvirtaa. [1] 2.3 SUOSITUKSET MUISSA MAISSA Tuulivoimaa käyttävissä maissa ei ole yhtenäistä käytäntöä tai ohjeistusta verkkoon liitettävän tuulivoiman määrittelyistä. Seuraavassa tarkastellaan Viron, Saksan ja Ruotsin tuulivoimalan liittämisvaatimuksia ja erityisesti niiden eroavaisuuksia Suomen käytännöistä Viro Virossa monet liittämiseen ja turvallisuuteen liittyvät perusasiat on ilmoitettu kuten Suomessakin. Eroja löytyy lähinnä määritellyistä rajoista. Jännitevaihteluihin liittyvän välkynnän häiritsevyysindeksirajat ilmoitetaan suoraan lukuarvoina, lyhytaikaiselle häiritsevyysindeksille P st = 0.35 ja pitkäaikaiselle P lt = Myös jännitevaihteluiden suuruusluokka prosentteina vaihtelutaajuuden funktiona annetaan vastaavasti kuin Suomessa. Suosituksessa määritellään erikseen myös häiritsevyysindeksit kytkentätilanteissa. Yliaaltovirtojen suhteen Virossa käytettävät suositukset vastaavat täysin Suomessa käytössä olevia. Viron suositus sisältää myös rajaarvot tuulivoimalan tietoliikenteelle sekä kauko-ohjattaville laitteille aiheuttamille häiriöille. [22]

19 11 Suojauksen toiminnalle on määritelty suositeltavat asetteluarvot kuten Suomessakin. Jännite- ja taajuusreleiden raja-arvot ovat hieman Suomen vastaavia sallivampia erityisesti alijännitteen ja taajuuden muutosten suhteen. Suuria eroja ei kuitenkaan ole. Yksin syötön esto on Vironkin suosituksissa tärkeä ominaisuus, jota hoidetaan juuri jännite- ja taajuusreleillä. Erityisesti suuritehoisilla generaattoreilla tai kun voimala on kytketty sähköasemalla kiskoon, johon liittyy myös asiakkaita, automaattinen jännitteensäätö voi olla välttämätön. Suosituksen mukaan verkonhaltijan on suoritettava tarvittavat laskennat jännitteensäädön tarpeellisuuden toteamiseksi ja valmisteltava tekninen toteutus. [22] Viron suosituksessa on määritelty erityiset voimaloiden stabiilisuutta koskevat vaatimukset. Voimaloiden on siedettävä tietynlaiset verkon viat menettämättä stabiiliuttaan. Nämä vaatimukset eivät koske jakeluverkkoon säteittäisesti kytkettyjen voimaloiden aiheuttamia vikoja, koska säteittäisellä verkon osalla suojaus erottaa voimalan vikatilanteessa aina muusta verkosta. Vaatimusten mukaan voimalan on siedettävä kolmivaiheinen oikosulkuvika verkossa menettämättä stabiiliuttaan. Huomautuksena mainitaan, että normaalisti vika kytkeytyy pois 0.5 sekunnissa, mutta se voi kestää kauemminkin. Jälleenkytkentää ei kuitenkaan kyseisessä tilanteessa tapahdu. Vastaavasti voimalan on siedettävä tilanne, jossa tapahtuu kaksivaiheinen oikosulku verkossa ja jälleenkytkentä epäonnistuu. Jälleenkytkentä tapahtuu n. 0.5 sekunnin kuluessa oikosulusta ja jälleenkytkennän jälkeen oikosulku vaikuttaa n sekuntia. [22] Lisäksi suosituksessa määritellään tarkat rajat erilaisten mittalaitteiden tarkkuudelle ja mm. pätö- ja loistehojen mittauksen tarkkuudelle. Viron suositus sisältää myös erittäin yksityiskohtaiset ohjeet siitä, mitä tietoja voimalan rakentajan on ilmoitettava verkonhaltijalle hakiessaan mahdollisuutta liittää voimalansa verkkoon. Hakemuksesta on käytävä ilmi hakijan tiedot, toivottu asennuspaikka, toivottu verkon liittymispiste, voimaloiden lukumäärä ja voimalatyypin/-tyyppien tekniset tiedot sekä niille suoritettujen testien mittaustulokset. [22]

20 12 Voimalatyypistä on hakemuksessa ilmoitettava ainakin turbiinityyppi, lapamäärä, roottorin halkaisija, napakorkeus, lapasäätömenetelmä, nopeussäätömenetelmä, generaattorin tyyppi, mahdollinen taajuusmuuttajan tyyppi sekä muuntajan tyyppi. Numerotietoina voimalasta on ilmoitettava ainakin nimellinen pätö-, näennäis- ja loisteho, nimellinen tuulennopeus, nimellinen virta ja jännite sekä käynnistysvirta ja muuntajan muuntosuhde. [22] Lisäksi hakemuspohjassa on eritelty tarkasti voimalalle suoritetut mittaukset ja niiden tulokset. Mittausten on oltava niihin kykenevän tahon suorittamat ja standardin IEC Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines mukaiset. Mittausten suorittajan ja testatun laitteiston tiedot on ilmoitettava ensiksi. Seuraavaksi ilmoitetaan testauspaikka ja verkkoliityntä, olosuhteet, asetukset sekä mahdolliset poikkeukset standardista. Mittausten tulee olla kuitattu tarkistetuksi ja hyväksytyksi. [22] Varsinaisina mittaustuloksina tulee esittää mm. suurin voimalatyypille sallittu teho, suurin mitattu teho 60 ja 0.2 sekunnin keskiarvoina, loistehon suuruus eri pätötehon tuotannoilla, välkyntäkertoimet eri tuulen nopeuksilla ja verkon impedanssin vaihekulmilla, välkyntä- ja jännitemuutoskertoimet kytkentätilanteissa sekä harmonisten yliaaltojen määrät. [22] Saksa Saksan liitäntäsuositukset vastaavat pitkälti Suomen suosituksia. Joitakin eroja kuitenkin on. Taajuudelle annetut rajat ovat alitaajuudelle 47.5 Hz ja ylitaajuudelle 51.5 Hz. Suomeen verrattuna ylitaajuus sallitaan siis hieman suurempana mutta toisaalta alitaajuus pienempänä. Toiminta-aikasuositukset ovat samat kuin Suomessa. [11] Ylijännitteen raja-arvoksi suositellaan samaa arvoa (110 %) kuin Suomessa, mutta toiminta-ajaksi kyseisessä tapauksessa sallitaan 100 ms, kun taas

21 13 Suomen suosituksissa se on 50 ms. Alijännitteen rajaksi suositellaan 80 %. Toiminta-ajan alijännitetapauksessa tulee olla vähintään 3 s ja korkeintaan 5 s. Tämä johtuu Saksassa käytettävästä asetuksesta, jonka mukaan verkossa tapahtuvien häiriöiden aiheuttamat jännitekuopat eivät saa aiheuttaa voimalan erottamista verkosta. 3 sekunnin minimiaikaraja alijännitteelle on asetettu tätä varten. Suurin osa jakeluverkossa esiintyvistä jännitekuopista on kestoltaan alle 1 sekunnin joten turhat verkosta erottamiset näissä tilanteissa voidaan välttää. Toisaalta jännitekuoppa voi kestää minuutinkin, jolloin voimalan on pakko irrota verkosta. [7][11] Myös Saksan suosituksessa on annettu valmiit mallit lomakkeista, joilla kysytään tarvittavat tiedot voimaloista. Lomakkeissa kysytään mm. liittymäpisteen ja liittymismuuntajan tiedot, voimalan valmistaja, generaattorityyppi ja nimellisteho sekä muita yleisiä tietoja. Erikseen kysytään myös taajuus- ja jännitesuojausten toimintarajat ja ajat. Lisäksi hakijan on ilmoitettava vikavirran suuruus kolmessa erilaisessa vikatilanteessa. Vikavirrat on ilmoitettava suhteellisarvoina 200 ja 1000 millisekunnin kuluttua vian jälkeen. [11] Ruotsi Ruotsin suojaussuositukset on jaettu kolmeen eri luokkaan: yleisiin tilanteisiin, joihin kaikkien voimaloiden suojauksen on varauduttava, itse tuulivoimalaitoksen suojaukseen sekä verkon suojaukseen. Yleiset suojaustilannesuositukset eivät sisällä tarkempaa tietoa suojauksen käytännön toteuttamisesta, vaan ne määrittelevät yleisemmällä tasolla, mitkä suojauksen tavoitteet ovat. Tuulivoimalan suojaussuositukset määrittävät voimalan ja generaattorin suojaukseen vaadittavat suojalaitteet. Verkon suojaussuositukset ovat tämän tarkastelun kannalta oleellisimmat. Ne vastaavat pitkälti Suomen suosituksia, mutta jänniteperusteisen laukaisun asetteluissa on pieniä eroja. Ylijännitteen nopean laukaisun raja on 120 % ja laukaisuaika pidempi kuin Suomessa. Toisaalta hidas laukaisu tehdään huomattavasti lyhyemmässä ajassa kuin Suomen suosituksissa. Ruotsissa on käytössä myös erikseen

22 14 alijännitteen nopea laukaisu. Ruotsin suosituksissa myös tuulivoimalan ja verkon oikosulkutehojen suhde on rajattu arvoon 1/10. Tämä rajoitus on otettu käyttöön nimenomaan kappaleessa 5.4 käsitellyn lähdön ylivirtasuojauksen toiminnan estymisongelman vuoksi. [35] Seuraavassa taulukossa esitetään eri maiden suojauksen asetussuosituksia. Ylijännite nopea - Asettelu - Toiminta-aika Ylijännite hidas - Asettelu - Toiminta-aika Alijännite nopea - Asettelu - Toiminta-aika Alijännite hidas - Asettelu - Toiminta-aika Ylitaajuus - Asettelu - Toiminta-aika Alitaajuus - Asettelu - Toiminta-aika Suomi Saksa Ruotsi Viro Belgia USA (Texas) 110 % 50 ms 106 % 60 s 110 % 100 ms 120 % 200 ms % 10 s % 0.2 s 90 % 10 s 51 Hz 200 ms 47 Hz 200 ms 80 % 5 s 51.5 Hz 200 ms 47.5 Hz 200 ms 90 % 10 s 51 Hz 200 ms 47 Hz 200 ms 110 % 500 ms 106 % 60 s 110 % 200 ms - 80 % 0.2 s 85 % 10 s 53 Hz 300 ms 47 Hz 300 ms 110 % 166 ms % 30 s 70 % s - 90 % 30 s 52 Hz 200 ms 48 Hz 200 ms 60.5 Hz 250 ms 59.3 Hz 250 ms Taulukko 2.1. Hajautetun tuotannon suojauksen asetussuosituksia eri maissa. (USA:n taajuus 60 Hz) 2.4 MUUT HUOMIOITAVAT ASIAT Ympäristönäkökulmat Tuulivoimaa tai muuta energiantuotantoa jakeluverkkoon hajautettaessa on otettava huomioon monia ympäristöön ja ihmisten turvallisuuteen liittyviä asioita. Yleisesti tuulivoiman rakentamista koskevat samat määräykset kuin muutakin rakentamista. Tuulivoimalan aiheuttama ääni on normaalisti voimalan lapojen suhinaa. Suositusten mukaan tämän äänen kantautuminen tulisi ottaa huomioon, eikä tuulivoimalaa saa sijoittaa alle 300 metrin

23 15 etäisyydelle asuinrakennuksista. Tämä sääntö sulkee suuren osan Suomen rannikoista pois tuulivoimakäytöstä, koska rannoille on tyypillisesti rakennettu melko tiheään loma-asutusta. [23] Turvallisuuden kannalta tärkeä tekijä on jään muodostuminen voimalan lapoihin ja erityisesti jään hallitsematon irtoilu. Kansainvälisellä tasolla onkin määritelty turvaetäisyyksiä laitoksille, joissa jäätymistä esiintyy ja joiden lähellä liikkuu usein ihmisiä. Suojaetäisyys on 1,5 x voimalan lavan yläpyyhkäisykohta. Suojaetäisyyksistä ei kuitenkaan ole annettu kansallisia suosituksia tai määräyksiä. Voimalan varustaminen jäänestojärjestelmällä tai jäätunnistimilla poistaa tämän ongelman käytännössä kokonaan. [23] Jos tuulivoimaloita on useampia, on ne sijoitettava riittävän etäälle toisistaan. Sen lisäksi, että liian lähekkäin sijoitetut voimalat varjostavat toisiaan pienentäen siten talteen saatua energiaa, on kyse myös voimalan kestävyydestä. Voimalat aiheuttavat tuulen pyörteilyä, joka rasittaa merkittävästi toisen voimalan laakereita, lapoja ja vaihteistoa aiheuttaen käyttöiän lyhenemistä. Suomessa suositellaan laitosten välimatkaksi noin 5 kertaa roottorin halkaisijaa. Jos laitoksia on kuitenkin vain 2 tai 3, riittää kertoimeksi noin 4. [23] 2.5 TURVALLISUUDEN PARANTAMISMAHDOLLISUUDET Hajautetun tuotannon turvallisuuden parantamiseksi on tehty monenlaisia ehdotuksia. Turvallisuusnäkökulmat nousevat sitä tärkeämmiksi mitä enemmän hajautettua tuotantoa verkkoon asennetaan. Pienvoimaloiden määrän kasvun myötä koko järjestelmän hallinta vaikeutuu. Joidenkin mielipiteiden mukaan [24] pienvoimala tulisi aina varustaa yksinkertaisella hätäkytkimellä, joka on voimalan ulkopuolella kaikkien ulottuvilla. Tämä tulisi sisällyttää myös liityntäsuosituksiin. Lisäksi tulisi muodostaa kaikkien osapuolten saatavilla oleva tietokanta verkkoon asennetuista pienvoimaloista ja niiden sijainnista, tilasta jne. Erityisesti huomiota on kiinnitettävä pienimpiin,

24 16 pienjänniteverkossa toimiviin voimaloihin, joita saattaa olla paljon ja joita on vaikeampi valvoa. [24]

25 17 3. HAJAUTETUN TUOTANNON VAIKUTUKSET VERKON SUOJAUKSEEN 3.1 YLEISTÄ Normaali jakeluverkko on alun perin suunniteltu tehon yhteen suuntaan siirtämistä silmälläpitäen. Tällöin suojauksen toteutus ja koordinointi on ollut kohtuullisen yksinkertaista, koska tehoa on syötetty asemalta kulutuspisteitä kohti ja suojauksen tehtävä on vikatilanteessa ollut erottaa pienin tarvittava vikaantunut verkon osa muusta verkosta. Hajautetun tuotannon sijoittaminen verkkoon muuttaa tilannetta monella tavalla. Nyt tehoa voidaan siirtää myös vastakkaiseen suuntaan ja vikavirralla voi olla monia eri kulkureittejä. Erityisesti tuulivoimaan liittyvä ominaisuus on, että tuotettu teho vaihtelee nopeasti ja tästä johtuen suojauksen on toimittava kaikissa mahdollisissa tilanteissa oikein ilman suojausasettelujen muutoksia. Oikosulkutilanteiden kannalta on tärkeää tarkastella komponenttien oikosulkukestoisuuksia ja toisaalta varmistaa suojauksen toimivuus. Kestoisuuksia verkon eri osissa tutkittaessa tarkastellaan 3-vaiheista oikosulkutilannetta hajautetun tuotannon tehon ollessa suurin mahdollinen. Vastaavasti suojauksen toimivuutta tarkasteltaessa on joissain tilanteissa tärkeämpää tarkastella 2-vaiheista oikosulkua, jolloin voidaan tarkistaa suojauksen toimivuus pienillä vikavirroilla. 3.2 ERILAISET GENERAATTORILAITTEISTOT JA NIIDEN TOIMINTA VIKATILANTEESSA Tahtigeneraattori Tahtigeneraattorin magnetointi- ja ohjausjärjestelmät ovat hyvin tärkeässä osassa generaattorin stabiiliuden kannalta verkostohäiriöiden aikana. Generaattorin jännitteen nopean ja tehokkaan säädön avulla tehon syöttämistä

26 18 verkkoon voidaan jatkaa vaikka verkon jännite laskisikin esimerkiksi jännitekuopan tai suuren kuormituksen seurauksena. Toisaalta nopea säätö vähentää generaattorin vaimennusta ja voi johtaa värähtelevään epästabiiliuteen. Tämä voi muodostua ongelmaksi varsinkin kun heikkoon verkkoon sijoitetaan suuritehoinen voimala. [3] Tahtigeneraattorin toimintaa vian aikana mallinnetaan muutosreaktanssien avulla. Muutosreaktansseilla pyritään kuvaamaan tahtigeneraattorin käyttäytymistä muutostilanteessa. Käytännössä mallinnus toimii kohtuullisen hyvin. Reaktanssien suuruuteen vaikuttavat generaattorin rakenteet, mm. magnetointi- ja vaimennuskäämitykset. Oikosulkuvirran alkuarvo vaimenee ajan myötä. Vaimeneminen johtuu juuri generaattorin reaktanssin suurenemisesta vian jatkuessa. Tätä mallinnetaan muutosreaktansseilla. Syntyvä ylivirta-aalto voidaan jakaa kolmeen osaan: subtransientti-, transientti- ja jatkuvuustilan osaan. Kuva 3.1. Tahtigeneraattorin oikosulkuvirta.[27] Oikosulkuvirta on suurimmillaan subtransienttijaksossa ja vaimenee sen jälkeen kohti jatkuvuustilaa. Alkuoikosulkuvirta on tyypillisesti luokkaa kertaa nimellisvirta ja muutosoikosulkuvirta luokkaa kertaa nimellisvirta. Vian pitkittyessä oikosulkuvirta pienenee edelleen. Vikatilanteen

27 19 aikana generaattorin pyörimisnopeus kasvaa. Myös generaattorin ja verkon jännitteiden välinen vaihe-ero kasvaa. Nämä yhdessä aiheuttavat voimakkaan virtapiikin vian verkosta erottamisen hetkellä. Virtapiikki voi olla jopa 10- kertainen nimellisvirtaan verrattuna. Vian erottamisen jälkeen tahtigeneraattorin syöttämä virta värähtelee rajusti johtuen generaattorin napajännitteen palautumisesta verkkojännitteen tasolle. [30][31] Jos vikaa ei eroteta, oikosulkuvirta pienenee nopeasti kohti generaattorin nimellisvirtaa. Generaattorin oikosulkumagnetointi pystyy kuitenkin tässä vaiheessa kasvattamaan vikavirran nimellisvirtaa suuremmaksi. Tämän jälkeen generaattori jää syöttämään samansuuruista vikavirtaa. Seuraavaan kuvaan on merkitty katkoviivalla tilanne, jossa vika ei poistu vaan generaattori jää syöttämään vikaa. Kuvan virta- ja aika-akselit eivät ole vertailukelpoisia tilanteiden välillä, vaan kuvaajan tarkoituksena on esittää virran käyttäytymisen perusperiaate vikatilanteessa. [3][42] Kuva 3.2. Tahtigeneraattorin syöttämän vikavirran periaatteellinen käyttäytyminen vikatilanteessa. Katkoviivalla merkittynä vikavirran muutos tilanteessa, jossa vika jää verkkoon pysyvästi. [30]

28 20 Tahtigeneraattorin kolmivaiheisessa vikatilanteessa verkkoon syöttämä vikavirta voidaan esittää: I = E f t ' 1 1 t '' Td Td + ( ) e + ( ) e ' '' ' X d X d X d X d X d cos( ω t + λ) 1 t T E ( ) a f e cosλ, (3.1) '' X d missä X d X d X d E f T d T d T a λ ω t on jatkuvuustilan tahtireaktanssi on transienttitahtireaktanssi on subtransienttitahtireaktanssi on generaattorin jännite ennen vikaa on oikosulkutilanteen transienttiaikavakio on oikosulkutilanteen subtransienttiaikavakio on tasakomponentin aikavakio on generaattorin vaihekulma vikahetkellä on generaattorin kulmanopeus on vikatilanteen alusta kulunut aika Yhtälön 3.1 jälkimmäinen osa kuvaa vikavirran tasakomponenttia, joka riippuu täysin vikahetken vaihekulmasta. Vastaavasti alkuosa kuvaa vikavirran vaihtokomponenttia. Tasakomponentin aikavakio T a voidaan esittää: '' T = ( X + X ) / ω ( R + R ), (3.2) a d e a e missä X e R e R a on ulkoinen vikapisteen reaktanssi on ulkoinen vikapisteen resistanssi on ankkurikäämin resistanssi Tahtikoneen impedanssin X/R-suhde on tyypillisesti paljon suurempi kuin muun jakeluverkon. Edellä esitetyn yhtälön mukaisesti ankkurikäämin

29 21 aikavakio T a saakin selvästi suurimmat arvonsa vian tapahtuessa lähellä generaattoria. Tästä seuraa edelleen vikavirran tasakomponentin suurempi kesto. Tämä johtuu edellä esitetyn yhtälön 3.1 tasakomponentin kertoimesta: t T e a (3.3) Ankkurikäämin aikavakion T a kasvaessa eksponenttiyhtälön arvot kasvavat ja vaimeneminen tapahtuu vasta suuremmilla t:n arvoilla eli pidemmän ajan kuluttua vikatilanteesta. [3] Vian sattuessa lähellä generaattoria tasakomponentti pienenee hitaammin kuin kauempana sattuvassa viassa. Vikavirran vaihtokomponentti taas vaimenee nopeimmin generaattorin läheisyydessä. Toisaalta sen alkuarvo on suurimmillaan juuri generaattorin läheisyydessä. Tahtigeneraattorin tapauksessa tasakomponentin suuruus ja kesto vian sattuessa lähellä voimalaa on otettava huomioon hajautettua tuotantoa suunniteltaessa. [3][27] Tahtigeneraattori pystyy syöttämään vikavirtaa myös pitkittyneessä vikatilanteessa. Tyypillisesti tahtigeneraattorin vikavirta on aluksi monikymmenkertainen maksimituotannon virtaan verrattuna, mutta se pienenee nopeasti verkon jännitteen ja samalla generaattorin magnetointitehon laskiessa. Esimerkiksi 0.2 sekunnin kuluttua vikavirta saattaa jo lähestyä generaattorin maksimituotantovirtaa. Generaattorin magnetointilaitteisto pystyy kuitenkin tässä vaiheessa vahvistamaan vikavirran jälleen esimerkiksi kolminkertaiseksi. Tätä menetelmää kutsutaan oikosulkumagnetoinniksi ja se on nykyisin erittäin yleisessä käytössä tahtigeneraattoreissa. Verkon suojauksen kannalta vikavirran syöttökyvyn ylläpito on erittäin tärkeää, koska suojaus perustuu aikarajoihin ja liian nopeasti laskevan vikavirran seurauksena vika saattaa jäädä huomaamatta. Vikavirran vahvistamismahdollisuus ja vahvistuksen suuruus riippuu käytössä olevasta magnetointijärjestelmästä. On kuitenkin järkevää toteuttaa suojaus myös jollain muulla kuin pelkästään oikosulkuvirran perusteella, koska generaattorin vikavirransyöttökykyyn ei välttämättä voida aina luottaa. [3][17][30]

30 Epätahtigeneraattori Epätahtigeneraattorin toiminta vikatilanteessa poikkeaa tahtikoneen toiminnasta. Verkossa tapahtuva kolmivaiheinen vika estää generaattorin magnetointiin tarvittavan loistehon saannin. Tämän seurauksena generaattorin syöttämä vikavirta vaimenee nopeasti, jopa 0.2 sekunnissa. Tästä johtuen verkon suojausta ei voida toteuttaa ylivirtaan perustuen. Epäsymmetrisen vian tapauksessa epätahtigeneraattori kuitenkin pystyy syöttämään myös pysyvää vikavirtaa. [3][30] Vikatilanteessa epätahtigeneraattorin verkkoon syöttämä alkutilan vikavirta on suuruudeltaan n kertainen generaattorin nimellisvirtaan verrattuna. Tämä vastaa suuruusluokaltaan generaattorin käynnistämisestä aiheutuvaa virtaa ilman pehmokäynnistimen käyttöä. Verkon jännitteen laskiessa muutostilan vikavirta pienenee n kertaiseksi nimellisvirtaan verrattuna. Tästä eteenpäin vikavirta laskee nopeasti kohti generaattorin nimellisvirran suuruutta, jos vika pitkittyy. Kun suojaus erottaa vian verkosta ja verkon jännite palautuu normaaliksi, syntyy jälleen voimakas kytkentätilannetta muistuttava virtapiikki. Tällöin verkkoon syötettävä virta voi olla huippuarvoltaan jopa 10-kertainen nimellisvirtaan verrattuna. Verkkojännitteen palautumisen myötä generaattorin verkkoon syöttämä virta laskee muutamassa sekunnissa alkuperäiselle tasolleen. [30]

31 23 Kuva 3.3. Epätahtigeneraattorin syöttämän vikavirran periaatteellinen käyttäytyminen vikatilanteessa. [30] Koska generaattori ei pysty varmasti syöttämään vikavirtaa riittävän pitkään, on vikapaikkaa syöttävän lähdön ylivirtasuojauksen toimittava ensin. Tämän jälkeen pienvoimala erotetaan verkosta yksinsyötön estosuojan toimiessa. Tämä voi perustua esimerkiksi liittymispisteen jännitteen tai taajuuden muutokseen. Voimalan suojaus ja erottaminen verkosta on siis toteutettava jollain muulla kuin pelkän ylivirran perusteella. [3][17][30] Tehoelektroniikkaratkaisut Tehoelektroniikkakomponentteja käytetään tuulivoimalassa tyypillisesti vaihtelevan pyörimisnopeuden mahdollistamiseksi tai hidasnopeuksista voimakonetta käytettäessä vaihteiston käyttötarpeen välttämiseksi. Tällöin tuotettu sähkö tasasuunnataan ja jälleen vaihtosuunnataan oikean taajuiseksi. Tämän ansiosta voimala pystyy hyödyntämään tehokkaammin puuskittaisen tuulen, koska tuotetun sähkön alkuperäinen taajuus saa vaihdella vapaasti. Tehokkuuden lisäksi vaihtelevan pyörimisnopeuden avulla saavutetaan monia muita etuja. Näitä ovat esimerkiksi pienemmät tehovaihtelut verkon

32 24 liittymispisteessä, mahdollisuus tehokertoimen tarkempaan säätämiseen, pienempi voimalan aiheuttama melu sekä pienemmät voimalaan kohdistuvat mekaaniset rasitukset. Toteutuksen haittapuolia ovat komponenttien kalleus ja tehoelektroniikkalaitteistosta verkkoon aiheutuvat yliaallot ja häiriöt. [28][34] Vikatilanteessa tehoelektroniikalla toteutettu liittymislaitteisto ei normaalisti pysty syöttämään verkkoon pitkäkestoista vikavirtaa. Tämä on otettava huomioon ja suojaus on toteutettava samoilla periaatteilla kuin epätahtigeneraattorin tapauksessa. Tehoelektroniikkalaitteisto voidaan myös erikseen suunnitella niin, että se syöttää vikavirtaa pidempään. Normaalisti tämä ominaisuus ei kuitenkaan kuulu laitteisiin. Edellä esitetystä johtuen tehoelektroniikan välityksellä verkkoon liitetty pienvoimala huomioidaan oikosulkutilanteessa vain alkuoikosulkuvirran osalta. Virtana käytetään tällöin voimalan nimellistehon mukaista virtaa kerrottuna tietyllä kertoimella. Käsitykset sopivasta kertoimesta vaihtelevat. Seuraavassa taulukossa on esitetty eri lähteiden mukaisia arvoja. Todellinen voimalan verkkoon syöttämä vikavirta riippuu tietysti tehoelektroniikkalaitteistosta ja sen säätöjärjestelmästä, mutta käytännössä odotettavissa oleva arvo lienee jossain esitettyjen välillä. [3] Taulukko 3.1. Eri suositusten mukaisia kertoimia tehoelektroniikalla toteutetun voimalan syöttämän vikavirran määrittämiseksi. Lähde IEC 909, Short circuit current calculation for threephase a.c. systems [40] CIGRE, Impact of increasing contributions of dispersed generation on the power systems Solar Electric Power Association, Photovoltaic (PV) Tutorial [32] CERTS, White Paper on Integration of Distributed Energy Resources [39] Kerroin I vika /I nom

33 Taajuusmuuttaja Tehoelektroniikalla toteutettu taajuusmuuttaja muodostuu yksinkertaisimmillaan generaattorista, tasasuuntaajasta ja vaihtosuuntaajasta. Kuva 3.4. Periaatekuva taajuusmuuttajan rakenteesta. Itse taajuusmuuttaja sisältää normaalisti tietyt suojaukset vikatilanteiden varalta. Näitä ovat ylivirrat generaattorissa, muuttajan välipiirissä tai verkon syöttöpisteessä, verkkojännitteiden muutokset tai epäsymmetria, ylijännite sekä muuttajan kytkinkomponenttien ylikuormitus. Ylivirtasuojauksessa tarkastellaan verkon kolmen eri vaiheen virtoja ja välipiirin tasavirtaa. Näistä muodostetaan yksi signaali, jota verrataan komparaattorille asetettuun ylivirtarajaan. Rajan ylittyessä kaikki muuttajan kytkinkomponentit ohjataan ei-johtavaan tilaan. Komponentteihin jo varastoitunut energia kulutetaan varistorissa. Sähköverkon syöttöpisteen vaihejännitteitä tarkkaillaan tasasuuntaamalla kolmen vaiheen jännitteet tasajännitteeksi ja seuraamalla tasajännitteen suuruutta. Verkon jännitteessä tapahtuvien muutosten seurauksena tasajännite muuttuu ja sen ylittäessä sille asetetun raja-arvon voidaan voimalan toiminta keskeyttää. Vaiheiden symmetriaa voidaan tarkkailla yksinkertaisesti mittaamalla verkon nollajännitettä. Kytkinkomponenttien ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa esimerkiksi seuraamalla muuttajan jäähdytysprofiilin lämpötilaa sopivalla anturilla. [28][29] Taajuusmuuttaja on varustettava myös ylijännitesuojalla, koska komponentteihin varastoituu energiaa, joka voi aiheuttaa ylijännitteitä

34 26 erilaisissa kytkentätilanteissa. Suojaus voidaan toteuttaa kytkemällä vaihtosuuntaussillan vaiheet diodisillan kautta ylijännitesuojassa sijaitsevaan kondensaattoriin. Kun jonkin vaiheen jännite nousee yli kondensaattorin jännitteen, ylijännitepiikin energia purkautuu ylijännitesuojan varistorin kautta. Purkaus loppuu, kun jännite on jälleen laskenut riittävän alas. [29] Generaattorilaitteiston toteutuksen vaikutus suojaukseen Suojauksen toteutuksen kannalta epätahtigeneraattori ja tahtigeneraattori ovat melko samanlaisia. Vain tahtigeneraattori pystyy syöttämään pitkittynyttä vikavirtaa, mutta toisaalta tämä ominaisuus ei ole riittävän luotettava verkon ainoaksi suojausperusteeksi. Suojauksen kannalta molemmat generaattorityypit on ehdottomasti otettava huomioon, koska vikavirta on vaimenemisestaan huolimatta merkittävä suojauksen toiminta-aikana. Myöskään tehoelektroniikalla toteutettu taajuusmuuttajaratkaisu ei pysty syöttämään pidempikestoista vikavirtaa. Kaikissa tapauksissa suojauksen on siis perustuttava johonkin muuhun ominaisuuteen kuin pelkkään ylivirtaan. Tutkimusten [15] mukaan tahtikone syöttää verkkoon suurempaa vikavirtaa kuin epätahtikone. Kyseisessä tapauksessa vikavirtojen suhde oli n. 3. Lähteen [30] mukaan suurin mahdollinen vikavirta erityyppisiltä generaattoreilta on samaa suuruusluokkaa, mutta epätahtigeneraattorin vikavirran vaihtelualue on laajempi. Tarkkojen vikavirtojen määrittäminen on kuitenkin tapauskohtaista ja edellyttää eri generaattorityyppien teknisten ominaisuuksien tuntemista. Taajuusmuuttajan osalta vikavirta riippuu pitkälti muuttajan teknisestä toteutuksesta. Taajuusmuuttajaa käytettäessä vikavirran syöttöä rajoittaa laitteiston sisäinen suojaus, joka katkaisee vikavirran nopeasti. Samalla koko muuttaja kytkeytyy johtamattomaan tilaan, jolloin sillä ei enää ole vaikutusta verkon suojauksen toimintaan. Vikavirran suuruutta rajoittaa suuntaajasilta, joten vikavirran suuruus ja kesto on muuttajakohtainen. Suunnittelussa voidaan alkuoikosulkuvirtana käyttää voimalan nimellisvirtaa halutulla kertoimella, esimerkiksi kolmella, kerrottuna. Muutosoikosulkuvirtaan

35 27 taajuusmuuttajavoimalalla ei enää ole vaikutusta. Verkon suojauksen kannalta taajuusmuuttajatekniikalla toteutettu voimala ei siis edellytä suuria muutoksia. Lähinnä on mahdollista, että taajuusmuuttajatekniikalla toteutettu pienvoimala häiritsee verkon suojausta alkuoikosulkuvirran ajan eli käytännössä hidastaa suojauksen toimintaa. Tämä hidastus on pieni (esim. noin 0.05 s), mutta se on otettava huomioon johdinten ja komponenttien oikosulkukestoisuuksia arvioitaessa. 3.3 JÄNNITETASON MUUTOKSET Liitettäessä pienvoimala jakeluverkkoon on jännitetason pysyttävä standardien rajoissa. Liittymispisteessä tapahtuva muutos sähköntuotannossa aiheuttaa muutoksen jännitetasossa. Jännitetason suhteellinen muutos voidaan laskea: U U R K P X Q R I X I N + K N K p + K q, (3.4) 2 U U missä P N on generaattorin nimellispätöteho Q N on generaattorin nimellisloisteho I p on pätötehon siirrosta aiheutuva virtakomponentti I q on loistehon siirrosta aiheutuva virtakomponentti R K on verkon oikosulkuresistanssi X K on verkon oikosulkureaktanssi U on alkuperäinen pääjännite liittymispisteessä Käytettäessä kolmivaiheisia tehoja jännite ilmaistaan pääjännitteenä ja vastaavasti vaihevirtoja tai tehoja käytettäessä jännite ilmaistaan vaihejännitteenä. [1][2] Yhtälössä ei oteta huomioon voimalan liittymispisteen jännitettä vastaan kohtisuoraan olevaa jännitehäviön komponenttia. Tästä johtuen yhtälön epätarkkuus on suurin heikossa sähköverkossa tuotetun tehon ollessa suuri. Kohtuullisilla tuotantomäärillä kaavan tarkkuus on kuitenkin riittävä. [2]

36 28 Loistehon suunta ja suuruus riippuvat generaattorin magnetoinnista. Tilanteessa, jossa tehoa syötetään verkkoon, ovat sekä P N että Q N positiivisia. Generaattorin magnetointi taas ottaa loistehoa verkosta pienentäen jännitteennousua. Yhtälön mukaisesti jännite nousee enemmän, kun verkkoon syötetään sekä pätö- että loistehoa. Jos pienvoimalan tehokerrointa pystytään säätämään, voidaan liian korkeaksi nousevaa jännitettä rajoittaa loistehon tuotantoa pienentämällä ja vastaavasti liian alhaista jännitettä voidaan tukea lisäämällä loistehon tuotantoa. [1] Pienvoimalan irtoaminen verkosta voi aiheuttaa hetkellisen muutoksen jännitetasossa. Muutos on sitä suurempi mitä suurempi itse voimala on. Hallitussa verkosta erottamisessa tuotanto kannattaakin ensin laskea minimiin. Vikatilanteessa syntyvä jännitekuoppa voi olla hyvin suuri. Toisaalta voimalan käynnistyksessä syntyvä jännitekuoppa on samaa suuruusluokkaa, joten voimalan koon rajoittaminen vikatilanteissa syntyvien jännitekuoppien vuoksi ei ole tarpeellista. [1] Voimalan kytkeytymisestä aiheutuvia jännitetasomuutoksia voidaan pienentää nykyaikaisella tekniikalla. Ensimmäiset tuulivoimalat Tanskassa kytkettiin suoraan verkkoon kun generaattori oli saavuttanut oikean nopeuden. Kytkemisestä aiheutunut virtapiikki saattoi olla jopa 8 kertaa generaattorin nimellisvirran suuruinen. Nykyaikaisella tekniikalla toteutettu tuulivoimala varustetaan kuitenkin yleensä pehmokäynnistimellä, jonka avulla käynnistysvirran suuruutta voidaan rajoittaa. Virta pystytään laskemaan jopa generaattorin nimellisvirran tasolle. Pehmokäynnistin muodostuu vastarinnan kytketyistä tyristoreista. Tyristorien sytytystä viivästetään, jolloin generaattorin jännitettä voidaan alentaa. Varsinkaan suuremmissa tuulivoimaloissa suora käynnistys ilman pehmokäynnistintä ei ole edes mahdollinen, koska voimalan roottori muodostaa suuren hitausmomentin ja käynnistyksestä tulee niin raskas ja pitkään kestävä, että voimalan ylivirtasuoja laukeaa. [8][9] Jos samalla johtolähdöllä on monta pienvoimalaa, jotka irtoavat vikatilanteessa yhtä aikaa verkosta, voidaan uudelleenkytkeytymisessä

37 29 syntyviä jännitetasomuutoksia pienentää merkittävästi porrastamalla voimaloiden kytkeytyminen asettamalla niille erisuuruiset aikaviiveet. [2] 3.4 NOPEAT JÄNNITEVAIHTELUT Pienvoimalat lisäävät normaalisti verkon jännitevaihteluita. Erityisesti tuulivoiman osalta vaihtelut voivat olla merkittäviä. Tuulen nopeuden vaihtelu aiheuttaa jännitteen vaihtelua verkossa. Lisäksi esimerkiksi voimalan tornin varjostusvaikutus, lapojen värähtely ja tuulen nopeuden erot lapojen ylä- ja alapyyhkäisykohdissa aiheuttavat vaihteluja. Suurinta vaihtelu on pienillä tuulennopeuksilla ja vastaavasti pienintä tuulen nopeuden ollessa niin suuri, ettei tuotantoa voida enää kasvattaa. [1][2] Voimalan pyörimisen hitausmomentti ja epätahtikoneen pyörimisnopeuden vaihtelu lieventävät tuulivoimalaan liittyviä jännitevaihteluja jonkin verran. Lisäksi epätahtigeneraattorin ottama loisteho kasvaa tuotetun pätötehon kasvaessa pienentäen samalla jännitteen nousua. Vastaavasti loisteho pienenee tuotetun pätötehon laskiessa hidastaen jännitteen laskua. Näistä syistä lopulliset jännitevaihtelut jäävät pienemmäksi kuin tuotetun pätötehon vaihtelut. Useampi samalle alueelle sijoitettu tuulivoimala tasaa tuotantoa puuskittaisessa tuulessa merkittävästi. [2] Tuotetun tehon muutosten aiheuttaman jännitevaihtelun määrittely on monesta syystä vaikeaa. Vaihteluiden taajuuteen ja suuruuteen vaikuttavat tuulisuuden lisäksi mm. generaattorin ominaisuudet ja verkon impedanssi. Pelkkä jännitemittaus voimalan liitäntäpisteessä ei välttämättä anna oikeaa tulosta, koska tuloksissa näkyvät myös muualla verkossa syntyvät vaihtelut ja liittymispisteen reaktanssi/resistanssi (X/R) -suhde vaikuttaa tuloksiin merkittävästi. Tuulivoimaloille onkin ehdotettu menetelmää, jossa jännite- ja virtamittaukset eri tuulivoimalatyypeille tehtäisiin erillisellä testivoimalalla. Näiden mittausten perusteella laskettaisiin jännitevaihtelutuloksia erilaisille verkon oikosulkutehoille ja X/R-suhteille. Uuden voimalan verkkoon asennusta suunniteltaessa riittäisi tällöin liittymispisteen oikosulkutehon ja

38 30 X/R-suhteen määritys, jonka perusteella voimalatyypille mitatut vaihtelut voitaisiin skaalata oikeiksi. Joidenkin tutkimustulosten mukaan nopeista jännitevaihteluista aiheutuva välkyntä on vähäisintä X/R-suhteen arvoilla 1,6-1,8. [2][3] 3.5 YLIAALLOT Voimala, joka sisältää paljon tehoelektroniikkaa, kasvattaa jännitteen särötasoa merkittävästi. Perinteisen voimalan merkitys on sitä vastoin pieni. Standardissa määritellään raja-arvot yliaaltojännitteille. Lisäksi raja-arvo määritellään myös harmoniselle kokonaissärölle. Sähköenergialiiton mukaan pienvoimalaa suunniteltaessa tulisi kuitenkin käyttää tiukempia tavoitteita kuin standardin vaatima minimitaso. Käytännössä jo standardin rajojen lähestyminen voi aiheuttaa ongelmia verkossa. [1] Verkossa jännitteen säröytyminen riippuu kyseisessä verkon osassa kulkevista yliaaltovirroista. Vaikka siis voimalan jännitteen käyrämuoto liittymäpisteessä olisikin hyväksyttävissä rajoissa, voi voimalan lisääminen verkkoon aiheuttaa jännitteen liiallisen säröytymisen jossain muussa verkon pisteessä. Tässä tilanteessa voimalan aiheuttamat yliaallot aiheuttavat säröytymisen yhdessä verkon muiden yliaaltojen kanssa. Tästä syystä on aiheellista tutkia ja rajoittaa verkkoon syötettäviä yliaaltovirtoja. Kokonaissärön määränä voidaan Sähköenergialiiton mukaan käyttää suunnitteluvaiheessa arvoa 5 %. Sallitut yliaaltovirrat esitetään normaalisti prosentteina liittymän referenssivirrasta. [1] Taulukko 3.2. Yliaaltovirtojen raja-arvot. [1] Järjestysluku Parittomat yliaaltovirrat Parilliset yliaaltovirrat < % 1.0 % % 0.5 % % 0.4 % % 0.2 % % 0.1 %

39 VIKAVIRTATASOJEN MUUTOKSET Kaikentyyppiset generaattorit kasvattavat verkon vikavirtatasoja ja aiheuttavat muutoksia vikavirran kulkureitteihin. Pienvoimalan toimiessa rinnan jakeluverkon kanssa vikapaikkaan syötetään tyypillisesti vikavirtaa kahdesta suunnasta, pienvoimalalta ja sähköasemalta. Hajautetun tuotannon aiheuttamat muutokset vikavirtatasoissa on luonnollisesti otettava huomioon uutta voimalaa suunniteltaessa. Komponenttien oikosulkukestoisuudet ja katkaisijoiden katkaisukyky eivät saa ylittyä. Uusien generaattorien lisääminen verkkoon voi myös kasvattaa katkaisijan vikatilanteessa kokemaa tasajännitekomponenttia, mikä tulee myös ottaa huomioon. Myös releiden asetteluja voi olla aiheellista muuttaa. Suojauksen kannalta tilanne voi muodostua ongelmalliseksi, koska vikavirtaa syötetään useasta suunnasta. [1][25][30] Tilanteessa, jossa verkon vikavirtataso on jo valmiiksi lähellä käytettyjen kytkinlaitteiden tai johdinlajien oikosulkukestoisuutta, kasvava vikavirtataso voi muodostua jopa esteeksi hajautetun tuotannon verkkoon asentamiselle. Kytkinlaitteiden päivittäminen suuremmiksi voi tulla hyvin kalliiksi. Samoin johdinlajien vaihtaminen paksumpiin voi olla suuri urakka. Pienvoimalan vikavirtaa voidaan rajoittaa sijoittamalla generaattorin ja verkon väliin muuntaja tai reaktori. Tämä kuitenkin kasvattaa häviöitä ja lisää generaattorin jännitteen vaihteluita. Joissain maissa käytetään myös sulakkeen tyyppistä vikavirranrajoitinta. [3] 3.7 VERKON KÄYTTÖ RENKAASSA Jakeluverkon sisältäessä hajautettua tuotantoa on verkko periaatteessa aina kytkettynä renkaaseen, koska tehoa syötetään useammasta lähteestä. Verkon suojauksen kannalta hajautettu tuotanto ei kuitenkaan aiheuta varsinaista rengaskytkentää, koska hajautetun tuotannon suojaus pyritään yleensä suunnittelemaan niin, että lähdön suojaus saa toimia kuten säteittäisessä

40 32 verkon tapauksessa. Tyypillisesti pienvoimala kytkeytyy vikatilanteessa nopeasti irti ja lähdön suojaus toimii tämän jälkeen normaalisti. Verkon käyttö aidossa renkaassa on harkinnan arvoista hajautettua tuotantoa sisältävässä jakeluverkossa. Erityisesti tilanteessa, jossa verkko on heikko ja tuotanto kohtuullisen suurta, rengaskäytöstä voi olla merkittäviä hyötyjä. Näitä ovat mm. tehonjaon tasoittuminen, jännitteenalenemien ja nousujen minimointi sekä häviöiden minimointi. Tyypillisesti on kannattavaa kytkeä rengas nimenomaan syötettäväksi samalta sähköasemalta. Tällöin mm. kiskojännitteen säädön ja johtolähtöjen suojausten toteutus on helpompaa. [4] Oikosulkusuojaus rengasverkossa Rengasverkossa oikosulkuvirrat kasvavat jonkin verran verkon säteittäiseen käyttöön verrattuna. Vikapaikan ja sähköaseman välillä on vikahetkellä kaksi tai useampi yhteyttä, jotka muodostavat rinnankytkennän. Tämän seurauksena aseman ja vikapaikan välinen impedanssi pienenee ja vikavirta kasvaa. Yksinkertainen tapa oikosulkusuojauksen toteutukseen rengasverkossa on käyttää samanlaista suojausta kuin säteittäisessäkin käytössä. Tällöin kummankin vikapaikkaa syöttävän lähdön suojaukset toimivat. Suojalaitteiden asettelujen muuttaminen saattaa silti olla tarpeellista, koska vikapaikkaan virtaava vikavirta jakautuu kahdelle tai useammalle releelle ja on siten säteittäistä käyttötilannetta pienempi. Muuten on mahdollista, että mikään syöttävistä releistä ei rengaskäyttötilanteessa havahdu ja vika jää vaikuttamaan verkkoon. Mahdollista on myös, että yksi releistä, yleensä vikapaikkaa lähinnä sijaitseva, havahtuu, mutta muut eivät. Tällöin havahtuvan releen avattua katkaisijan myös toisen releen vikavirta kasvaa ja sekin havahtuu. Suojauksen kokonaistoiminta-aika kuitenkin kasvaa samalla merkittävästi. Näitä suojaustapoja käytettäessä jännitteettömäksi jäävä alue on pienintä mahdollista suurempi ja asiakkaiden kokemat katkot lisääntyvät merkittävästi. [4][37]

41 33 On myös mahdollista avata ensin rengas vikatilanteessa. Tämän jälkeen kummankin lähdön suojaus toimii normaalisti ja vika sijaitsee vain toisella lähdöllä. Tällöin voi kuitenkin johtojen oikosulkukestoisuus muodostua ongelmaksi renkaan purkamiseen kuluvasta ajasta johtuen. Avaaminen tapahtuu renkaan varrella sijaitsevalla kuormanerottimella tai jälleenkytkentäkatkaisijalla. Erottimen laukaisu perustuu yksinkertaisesti jompaankumpaan suuntaan kulkevan vikavirran suuruuteen. Vian tapahtuessa kaukana voi erottimen kautta kulkeva vikavirta olla hyvinkin pieni. Toisaalta erottimen laukaisuraja voidaan säätää hyvin lähelle suurimpia kuormitustilanteen virtoja, koska renkaan turhakaan avaaminen ei aiheuta verkolle ongelmia. Renkaan avaamisesta mahdollisesti aiheutuvat jännitetason muutokset voivat tosin rajoittaa tätä mahdollisuutta. [4][17][37] Oikosulkuvian laskennallisen paikannuksen kannalta rengaskäyttö vähentää mahdollisia vian sijaintipaikkavaihtoehtoja. Koska vikavirta kulkee vikapisteeseen vähintään kahta reittiä, voidaan virran jakautumisen perusteella määrittää vian sijainti renkaan muodostavalla runkojohdolla. Tämän jälkeen alue, jolla vika voi sijaita, on jo valmiiksi melko pieni ja lopullista vikapaikkaa voidaan etsiä kokonaisvikavirran perusteella. Vikapaikan määritys voidaan toteuttaa tällä tavalla vaikka rengas avattaisiinkin heti vian ilmaannuttua. [4][37] Maasulkusuojaus rengasverkossa Maasulku rengaskäytössä havaitaan nollajännitteen perusteella, kuten säteittäisessä käytössäkin. Kahden renkaaseen kytketyn lähdön tapauksessa maasulun paikantamiseen tarvitaan lisäksi lähtöjen releiden nollavirtatiedot. Nollavirtojen summan ja nollajännitteen vaihekulman perusteella vika voidaan paikantaa tiettyyn kohtaan rengasta. Nollavirtatieto kuitenkin tarvitaan molemmilta suojareleiltä, mikä edellyttää tiedonsiirtoyhteyttä releiden välillä. [4][37]

42 34 Vikatilanteessa on mahdollista avata rengas edellä kuvattujen releiden tietojen perusteella. Kauko-ohjaukseen perustuva avaus olisi kuitenkin liian hidas. Tämän vuoksi rengaserottimen tulisikin itse havaita vika ja avata rengas. Tällöin ei myöskään tarvita tiedonsiirtoyhteyttä sähköasemalle, vaan erotinasema voi hoitaa itsenäisesti niin erottimen avaamisen kuin sulkemisenkin vikatilanteen poistuttua. Jos sähköasema syöttää vain muutamaa rengasta tai rengasyhteyksien käyttö on luonteeltaan tilapäistä, on myös mahdollista avata aina kaikki renkaat aseman nollajännitemittauksen perusteella. Toinen vaihtoehto on avata aina kaikki verkot renkaat pelkän nollajännitteen perusteella. Tämän jälkeen maasulkusuojaus toimisi kuten säteittäisessä tapauksessa. [4][37] Verkon rengaskäyttöön liittyvä selkeä etu on myös, että runkojohdolla tapahtuva johdinkatkeama aiheuttaa käytännössä aina maasulkutilanteen, koska johtimen maahan koskettava pää on aina sähköaseman syöttämä. Tällöin vika havaitaan nopeasti. [37] Maasulkuvian paikantaminen maasta erotetussa tai sammutetussa verkossa on vaikeaa. Vikapaikan ja sähköaseman välisellä impedanssilla ei ole käytännössä vaikutusta vikavirran suuruuteen. Tämän vuoksi vian sijainti joudutaan määrittämään jollain muulla tavalla kuin oikosulun tapauksessa. Renkaaseen kytkettyjen lähtöjen tapauksessa etäisyyden määrityksessä voidaan käyttää lähtöjen summavirtaa ja nollajännitettä. Lähtöjen syöttämä maasulkuvirta jakaantuu lähtöjen kesken aseman ja vikapaikan välisten impedanssien suhteessa. Johtojen impedanssien perusteella ei säteittäisessä käytössä siis voida määrittää vikapaikkaa, mutta rengaskäytössä voidaan hyödyntää johtojen impedansseista johtuvaa vikavirran jakaantumista. Toinen vaihtoehto on käyttää vian aikana tehtävää keinotekoista nollajännitteen muutosta ja seurata, miten muutoksen seuraukset jakaantuvat lähtöjen kesken. Vaiheen ja maan välisen admittanssin muutoksen jakaantuminen tapahtuu suhteessa vian etäisyyteen. [37]

43 JÄNNITEKUOPPATILANTEET Jännitekuoppa tarkoittaa jännitteen hetkellistä alenemista tasolle 1 90 % alkuperäisestä arvostaan. Jännitekuopan kesto on tyypillisesti millisekunneista yhteen minuuttiin. Jännitekuoppia aiheuttavat jakelu- ja siirtoverkoissa tapahtuvat viat ja kytkennät. Jännitekuopat voivat levitä verkossa esimerkiksi viereiselle johtolähdölle tai asemalle. [7] Jännitteen laskiessa nopeasti generaattorin liittymispisteessä generaattori ei pysty siirtämään verkkoon kaikkea jännitekuopan alkuhetkellä tuottamaansa tehoa. Tämän seurauksena generaattorin pyörimisnopeus alkaa kasvaa. Epätahtigeneraattorin tapauksessa seurauksena voi olla erittäin suuri pyörimisnopeus, tahtigeneraattori taas menettää stabiiliutensa eli irtoaa verkon taajuudesta roottorin ja verkon jännitteen välisen kulman kasvaessa yli 90 asteen. [26] Jännitekuoppien huomioiminen hajautetun tuotannon suojauksessa saattaa olla hankalaa. Jännitekuoppatilanteen selvittämiseksi olisi järkevää, että hajautettu tuotanto tukisi jännitettä mahdollisimman pitkään. Toisaalta jännitekuopan aiheuttamat momentit voivat rasittaa voimalan rakenteita merkittävällä tavalla. Pidempään kestävän jännitekuopan seurauksena tahtigeneraattori menettää stabiiliutensa ja sammuu itsestään ellei sitä eroteta ajoissa suojauksen toimesta. Aika, jossa generaattori menettää stabiiliutensa, pienenee nopeasti jännitekuopan syvyyden kasvaessa. Samoin voimalan kokemat rasitukset kasvavat jännitekuopan syvyyden mukana. [6][10] Saksan hajautettua tuulivoimatuotantoa koskeviin suosituksiin on määritelty tarkat rajat voimalan suojauksen toiminnalle jännitekuoppatilanteessa [11]. Määritelmät koskevat nimenomaan muualla verkossa tapahtuvien häiriöiden aiheuttamia jännitekuoppia, samalla lähdöllä tapahtuvan oikosulun aiheuttamassa jännitekuopassa voimalan on aina irrottava. Saksan suositusten mukaisesti voimalan on selviydyttävä 3 sekuntia kestävästä, toisella lähdöllä tapahtuvan vian aiheuttamasta jännitekuopasta, jonka jäännösjännite on vähintään 15 %. [11]

44 36 Jännitekuopan voimalalle aiheuttamia rasituksia koskevassa tutkimuksessa [10] todettiin, että 0.3 sekunnin kuoppa 20 % jäännösjännitteellä aiheuttaa voimalan akseliin normaaliin käyttöön verrattuna 3.5-kertaisen vääntömomentin. Samalla generaattorin kokema sähköinen momentti kasvaa 6-kertaiseksi. Lisäksi jännitekuopan syntyhetkellä tuotettu sähköinen momentti alkaa värähdellä. Tämän seurauksena myös akselin mekaaninen momentti alkaa värähdellä. Sähköisen momentin värähtely tapahtuu tuotetun sähkön taajuudella (50 Hz) ja nopeasti vaimentuen. Mekaaninen värähtely sen sijaan vaimenee hyvin hitaasti ja tapahtuu generaattorille ja turbiinille ominaisella luonnollisella taajuudella. Moninkertainen ja värähtelevä vääntömomentti vaurioittaa voimalaa helposti. Toisaalta tutkimuksesta ei käy ilmi mitään ohjeellista raja-arvoa, jonka voimala vielä toistuvasti kestäisi. [10][12] Toisessa tutkimuksessa [6] tarkasteltiin jännitekuopan syvyyden ja keston vaikutusta tahtigeneraattorin stabiiliuden säilymiseen. Tutkitut generaattorit olivat teholtaan 6 MW teollisuusgeneraattoreita. Tulosten mukaan tahtigeneraattori menettää stabiiliutensa 50 % jäännösjännitteellä noin 1 sekunnissa ja 15 % jäännösjännitteellä noin 0.5 sekunnissa. Seuraavassa kuvassa generaattori säilyttää stabiiliutensa esitetyn rajan yläpuolisella alueella.

45 37 Tahtigeneraattorin stabiilius Suurin sallittu jännitekuopan kesto (s) 2,5 2 1,5 1 0, ,1 0,23 0,33 0,42 0,5 0,54 0,62 0,65 Jäännösjännite (pu) Kuva 3.5. Tahtigeneraattorin stabiilin toiminnan raja jännitekuopan keston ja jäännösjännitteen mukaan. [6] Kolmannessa tutkimuksessa [13] mitattiin jännitekuopan aiheuttamia vaihteluita voimalan tuottamassa pätö- ja loistehossa. Erittäin lyhyt kuoppa, jonka jäännösjännite oli noin 86 %, saattoi tuotetun pätö- ja loistehon värähtelemään normaalitilanteeseen verrattuna moninkertaisella amplitudilla. Värähtely vaimenee huomattavasti hitaammin kuin itse jännite palautuu normaalitasolleen. Tämä aiheuttaa varmasti ongelmia jakeluverkon sähkön laadussa. Jännitekuoppa oli kuitenkin tässä tilanteessa niin lyhyt, ettei suojaus voisikaan toimia sen aikana. [13] Suuremmalla tuulipuistolla, joka sisältää 30 kappaletta 660 kw induktiogeneraattoreita, on tutkittu toiminnan stabiiliutta liittymispisteen jännitteen kadotessa kokonaan. Kyseisen tilanteen voi aiheuttaa tarkoituksellisesti toteutettu tuulipuiston saarekekäyttö. Lähes samaan tilanteeseen voi johtaa todella syvä jännitekuoppa, jossa jäännösjännite on vain muutaman prosentin luokkaa. Tulosten mukaan puisto säilyttää vielä stabiiliutensa 300 ms kestävän, mutta ei enää 450 ms kestävän täydellisen

46 38 jännitekatkon ajan. Edellä esitetyissä tuloksissa 0 % jäännösjännitteellä stabiiliusraja oli noin 0.4 sekuntia, joten tulokset ovat hyvin samaa luokkaa. Ensimmäinen tutkimus tosin käsitteli suurempitehoisia generaattoreita ja jälkimmäinen suurehkoa tuulipuistoa, joten voidaan olettaa, että näiden toiminta häiriötilanteessa on vakaampaa kuin yksittäisen pienvoimalan. [6][38] Yksittäisen pienvoimalan näkökulmasta kannattaakin tarkastella tutkimusta, joka käsitteli pienen kokoluokan vesivoimageneraattorien käyttäytymistä verkossa tapahtuvan vian aikana [26]. Tutkitut generaattorit olivat tahti- ja epätahtikoneita, joiden tehot olivat pieniä ja liittymä verkkoon tapahtui 400 V tai 20 kv jännitteellä. Verkko oli pääasiassa avojohtoverkkoa harvaan asutulla alueella, jossa vuosittaisten oikosulkuvikojen ja verkkohäiriöiden määrä oli suuri. Tahtikoneiden stabiiliuden menetyksen osalta tulokset vastasivat edellä esitettyjä tuloksia. 20 % jäännösjännitteellä aikaraja stabiiliuden säilyttämiselle oli yli 400 ms, 15 % jännitteellä 300 ms jne. Seuraava kuva esittää kahden erilaisen tahtikonetyypin stabiiliusrajoja. Tahtigeneraattorin stabiilius Suurin sallittu jännitekuopan kesto (s) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ,05 0,1 0,15 0,2 Jäännösjännite (pu) Kuva 3.6. Kahden tahtigeneraattorityypin stabiiliusrajat jännitekuopan keston ja jäännösjännitteen mukaan esitettynä. [26]

47 39 Lisäksi tutkimuksen tuloksista käy ilmi epätahtikoneen nopeuden kasvu jännitekuopan syvyydestä ja kestosta riippuen. Esimerkiksi 20 % jäännösjännitteellä 400 ms kestävä kuoppa nostaa generaattorin pyörimisnopeuden yli kaksinkertaiseksi. Seuraavassa kuvaajassa on esitetty epätahtigeneraattorin pyörimisnopeuden kasvu jännitekuopan seurauksena erilaisilla jännitekuoppien kestoilla. Kuva 3.7. Epätahtigeneraattorin pyörimisnopeuden muutos jännitekuopan seurauksena. [26] Tutkimuksen lopputuloksena esitetään, että tutkitulla alueella käytetty 400 ms vianselvitysaika on liian suuri tahtigeneraattoreiden stabiiliuden ja epätahtigeneraattorien pyörimisnopeuksiin liittyvien rasitusten kannalta. Voimalat tulisi siis erottaa verkosta niiden omalla suojauksella nopeammin. [26] Jännitekuoppakysymyksessä kohtaavatkin selvästi kaksi etunäkökulmaa. Jakeluverkkoyhtiön näkökulmasta olisi kannattavaa, jos tuulivoimalat pysyisivät verkossa mahdollisimman pitkään jännitekuopan aikana.