MIKA RISTIMÄKI DISTANSSISUOJAUKSEN KOORDINOINTI Projektityö

Transkriptio

1 MKA STMÄK DSTANSSSUOJAUKSEN KOODNONT Projektityö Tarkastaja: Sami epo

2 Alkusanat Tämä dokumentti on Tampereen teknillisen yliopiston sähkövoimatekniikan laitoksen järjestämällä kurssilla SVT-2490 Sähkövoimatekniikan projektityö tehtävä harjoitustyö. Työ käsittelee distanssisuojauksen koordinointia. Työn on ohjannut tekniikan tohtori vanhempi tutkija Sami epo, jolta on työn suorittamiseen saatu ohjeita ja neuvoja.

3 SSÄYS 1. Johdanto 1 2. Silmukoidun sähköverkon distanssisuojauksen periaate Distanssisuojauksen yleinen perusperiaate mpedanssikuvaaja Suojausvyöhykkeet Varasuojaus Suojaus ilman kommunikaatioyhteyttä johdon toiseen päähän Suojaus kommunikaatioyhteyden ollessa käytettävissä johdon toiseen päähän 8 3. Distanssireleen keskeisimmät suojausasettelut (ABB:n distanssirele E 511) Distanssisuojauksen ongelmia Virtamuuntajan kyllästyminen Vikaresistanssi Syöttävän väliaseman vaikutus distanssireleen toimintaan ähivika askentaesimerkki Power World ohjelmalla Oikosulkuvioille asetteluiden määritys ja toimivuuden tarkastelu simuloimalla Maasulkuvioille asetteluiden määritys ja toimivuuden tarkastelu simuloimalla Simuloidun verkon suojaukseen liittyviä muita tekijöitä Johtopäätökset 35 ähteet 36

4 1 1. Johdanto Tämä kirjallisuusselvitys luonteinen projektityö käsittelee distanssisuojauksen koordinointia. Työn tarkoituksena oli selvittää silmukoidun sähköverkon distanssisuojauksen periaate, varasuojauksen muodostuminen, distanssireleen keskeisimmät asetteluarvot ja mitä seikkoja on otettava huomioon selektiivisen suojauksen toteutumiseksi. Työssä käytettiin Power World simulointiohjelmistoa laskennollisesti määritettyjen distanssireleen asetteluarvojen toimivuuden tutkimiseen. Distanssisuojausta käytetään pääasiassa siirtoverkkojen suojaukseen. Suojausmenetelmä kehitettiin jo 1920-luvulla. (Ziegler 2006, s. 11) Siirtoverkot ovat silmukoituja ja suojaus voidaan toteuttaa mm. suunnattujen ylivirtasuojien tai distanssisuojauksen avulla (Technical reference manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s ). Distanssisuojauksen avulla voidaan toteuttaa siirtoverkoissa selektiivinen maasulku- ja oikosulkusuojaus. Suomessa siirtojohdoilla maasulkuvirrat ovat suuria ukkosjohtimien aiheuttaman pienen maasulkuresistanssin ja muuntajan tähtipisteen suoran maadoituksen ansiosta, mikä mahdollistaa distanssisuojausperiaatteella toimivan maasulkusuojauksen toimivuuden. (Mörsky 1992, s.57) uvussa 2 käsitellään silmukoidun sähköverkon distanssisuojauksen periaatetta, luvussa 3 käsitellään distanssireleen keskeisempiä suojausasetteluita ja hieman releen toimintaa, luvussa 4 käsitellään distanssisuojaukseen liittyviä ongelmia ja luvussa 5 on laskentaesimerkki Power World ohjelmalla.

5 2 2. Silmukoidun sähköverkon distanssisuojauksen periaate 2.1 Distanssisuojauksen yleinen perusperiaate Distanssisuojaus perustuu impedanssin mittaukseen vikatilanteessa. Kuvassa 2.1. on esimerkki vikatilanteesta. Vian tapahtuessa releen sijaintipaikassa virrat ovat suuria ja jännitteet pieniä verrattuna normaaliin tilanteeseen. Vikatilanteessa impedanssi on siis normaalitilanteeseen verrattuna pienempi. mpedanssi on siis sopiva suure mitattavaksi vian havaitsemiseksi. eleen määrittämä impedanssi on verrannollinen vian etäisyyteen. Vian ollessa lähellä sähköasemaa releelle virtamuuntajan avulla viedyt virtatiedot ovat suuria ja jännitemuuntajan avulla viedyt jännitetiedot ovat pieniä. mpedanssi siis muodostuu tällaisessa tapauksessa erityisen pieneksi. Vian ollessa hieman kauempana releelle vietävä jännite muodostuu suuremmaksi vikavirran releen sijaintipaikan ja vikapaikan välisissä impedansseissa aiheuttamien jännitehäviöiden vuoksi. Vikavirta muodostuu nyt pienemmäksi, koska vikavirtapiirissä on enemmän impedanssia. Tällä tavoin muodostuu suurempi releen määrittämä impedanssi kuin vian ollessa lähellä sähköasemaa. Mitä kauempana vikapaikka on sitä suuremmaksi muodostuu sähköasemalla mitattu jännite ja sitä pienemmäksi muodostuu sähköasemalla mitattu virta. ele voidaan asetella toimimaan sitä nopeammin mitä pienempi impedanssi on. Distanssirele mittaa siis sijaintipaikan ja vikapaikan välistä impedanssia. (Mörsky 1992, s. 57)

6 3 2.2 mpedanssikuvaaja Distanssireleen toimintaa voidaan kuvata X-koordinaatistossa, jossa origona on distanssireleen sijoituspaikka. Distanssisuojauksessa käytetään suunnattuja suojausvyöhykkeitä. Numeerisilla releillä vian suunnan määritys perustuu laskettujen impedanssien etumerkin tarkasteluun. Konventionaalisilla releillä suunnan määritys voi perustua jännitteen ja virran vaihekulman vertailuun. Vyöhykkeitä on yleensä 3 5 kappaletta. ele laskee impedanssin ja jos impedanssi on suuruudeltaan sellainen, että se osuu vyöhykkeeseen 1, (kuvassa vyöhyke lähimpänä origoa) rele lähettää katkaisijalle laukaisukäskyn laukaisuajan ollessa 0,1 s. Tätä vyöhykettä ei ole viivästetty ja 0,1 s laukaisuaika muodostuu katkaisijan ja releen toiminta-ajoista. Mikäli impedanssi osuu vyöhykkeeseen 2 laukaisuaika on 0,4 s ja impedanssin osuessa vyöhykkeeseen 3 laukaisuaika on 0,8 s. Mikäli mitattu impedanssi on vyöhykkeiden ulkopuolella, rele ei lähetä laukaisukäskyä katkaisijalle. Kuva 2.2. on sähkömekaanisen releen impedanssikuvaaja. eleissä voi olla myös suuntaamaton lisäporras, joka reagoi myös releen takana oleviin vikoihin ja laukaisee ajassa 1,5 s. eleissä on myös havahtumisvyöhyke, jonka hidastus on noin 5 s. Havahtumisen perustuessa ali-

7 4 impedanssiin havahtumisvyöhyke on kiinteä impedanssi tasossa. Havahtumistoiminnon tehtävänä on havaita ja luokitella oikosulut voimajärjestelmässä. Vikaantuneet vaiheet pitää tunnistaa oikein. Erityisesti tämä on tärkeää yksivaiheisissa maasuluissa yksivaiheisen selektiivisen laukaisun toteutumiseksi jälleenkytkentä toiminnossa. Havahtumistoiminnon havahtumista ja havahtumistilan poiskytkeytymistä käytetään määrittämään vian loppu ja alku. Havahtumistoiminto voi käynnistää vyöhykkeiden aikalaskurit ja viantallennuksen. Kuvassa 2.3. sinisellä paksulla viivalla piirretty vyöhyke on havahtumisvyöhyke. Kantaverkoissa havahtuminen perustuu aliimpedanssiin, kun keskijännitteillä voidaan käyttää ylivirtahavahtumista. (Mörsky 1992, s. 70; uppa 2005, s , s ; Harju 2006, s ; Ziegler 2006, s , s. 43) Kuvassa 2.3 on numeerisen distanssireleen X-kuvio, joka on melko vapaasti aseteltavissa. eleissä käytetään algoritmia, jolla voidaan laskea vikaimpedanssi X ja arvoineen mitatuista virrasta ja jännitteestä. Näitä arvoja verrataan matemaattisella menetelmällä aseteltuihin suojauskuvioiden arvoihin. Numeerisilla releillä voidaan saada aikaan suurempi vikaimpedanssivara. Erityisesti maasulkuvioissa nelikulmio toimintakuvio on käytännöllinen, koska sen avulla voidaan havaita suuri vikaresistanssisetkin viat. Vikaimpedanssi on yleensä resistiivinen ja nelikulmio kuviossa resistiivinen ulottuma on vapaasti säädettävissä. Tällä tavoin on mahdollista, että suuri resistanssisetkin viat havaitaan. esistiivinen ulottuma asetellaan yleensä niin suureksi kuin mahdollista suojauksen herkkyyden varmistamiseksi huomioiden maksimi kuormituksen aiheuttaman rajoituksen. Kuvion muotoilulla pyritään estämään kuormitus virran aiheuttamat laukaisut. Kuvassa 2.3. merkintä A tarkoittaa kuormituksen kulmaa, jolloin havahtumiskuvion resistiivinen ulottuma voidaan tehdä

8 5 hieman lyhyemmäksi kuvan 2 mukaisesti normaali kuormitustilanteiden aiheuttamien havahtumisien välttämiseksi. (Mörsky 1992, s.64-65; Hirvonen 2007) Numeerisissa releissä reaktiiviset ja resistiiviset ulottumat voidaan asetella erikseen maasulku ja oikosulkuvioille. Tällöin jokainen distanssisuojaus vyöhyke koostuu täysin itsenäisistä asetteluparametreistä oikosulku- ja maasulkuvioille. (Harju 2006, s. 53; Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 93) 2.3 Suojausvyöhykkeet mpedanssikuvaaja kappaleessa mainittujen vyöhykkeiden avulla voidaan toteuttaa kuvassa 2.4. näkyvät porrasominaisuuskäyrät. Englannin kielisessä kirjallisuudessa kuvaajasta 2.4. käytetään nimitystä grading diagram. Käsitellään vyöhykkeiden asettelua seuraavaksi. eleen A 1. vyöhyke toimii ajassa 0,1 s. Se asetellaan 85 % suojattavasta johdosto 1. (Mörsky 1992, s. 70). eleelle aseteltavissa impedanssi tiedoissa saattaa olla epätarkkuutta, eikä virtojen eikä jännitteiden mittaus ole aina täysin ideaalinen varsinkaan transientti tilanteissa (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 78). Tällä perusteella vyöhykettä ei asetella 100 % suojattavasta johdosta 1, koska tällöin olisi vaarana että suojaus toimisi epäselektiivisesti avaten katkaisijan johdolla 2 tapahtuvien vikojen vuoksi. 2. Vyöhyke toimii ajassa 0,4 s. Kyseiselle vyöhykkeelle aseteltavat impedanssiarvot asetetaan niin, että suojauksen ulottuma on vähintään 120 % johdosto 1. Tällä halutaan varmistaa se, että varmasti koko johto 1 tulee suojattua mahdollisista epätarkkuuksista huolimatta. (Mörsky 1992, s. 70) Tapauksessa jossa pitkän johdon jälkeen tulee lyhyt johto 2. vyöhykkeelle vaadittu 120 % asettelu saattaa ulottua seuraavan johdon 1. vyöhykkeen yli, jolloin aiheutuu epäselektiivinen toiminta. Tällaisessa tapauksessa on lisättävä 2. vyöhykkeen aikaviivettä selektiivisyyden turvaamiseksi. Vyöhykkeen 2 ulottumaa ei saa pienentää alle 120 % suojattavasta johdosta, koska tällöin olisi vaarana

9 6 että 2. vyöhyke ei ulottuisikaan koko suojattavan johdon pituudelle. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 101) eleen A 2. vyöhyke ei voi täysin varasuojata johtoa 2, koska vaarana on että releen A 2. vyöhyke ja releen C 2. vyöhyke osuisivat päällekkäin aiheuttaen mahdollisen epäselektiivisen toiminnan. Tarvitaan siis varasuojana käytetty 3. vyöhyke, joka toimii ajassa 0,8 s. 3. Vyöhyke suojaa 2 johdon kokonaan ja sitä seuraavastakin johdosta 10 %. Suojauksen on toimittava myös toiseen suuntaan samalla tavoin, kuten kuvaajasta käy ilmi. (Nagrath 1997, s ) 2.4 Varasuojaus Varasuojaus on tarpeellinen tilanteessa, jossa varsinainen suojaus ei toimi. Toinen ja kolmas porras toimivat varasuojana osittain seuraavan sähköaseman ensimmäiselle ja toiselle portaalle oheisen kuvan 2.5. mukaisesti. (Mörsky 1992, s. 345) Distanssireleet toimivat heikosti suuri resistanssisissa maasulkuvioissa. Suuri resistanssisia maasulkuvikoja ei voida havaita, koska kuorma impedanssi raja tulee vastaan. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 82) Parhaimmillaan distanssireleillä on pystytty selvittämään vielä vikaresistanssiltaan 200 Ω vikoja. Määräyksissä edellytetään, että suojauksen on toimittava 500 Ω vikaresistanssiin asti. (Mörsky 1992, s. 264) Jos suojausvyöhyke kuvioita suurennettaisiin niin, että suuriresistanssiset maasulutkin havaittaisiin saattaisi rele reagoida jo normaalissa kuormitustilanteessakin. Varasuojana käytetään suunnattua nollavirtarelettä, joka on varustettu 1,3 s aikahidastuksella. Distanssireleen 3 vyöhyke ehtii toimia tällöin ensin. Suunnattujen vyöhykkeiden varasuojauksen on suuntamaton havahtumisvyöhyke. Tämä vyöhyke toimii hitaammin kuin varasuojana toimiva herkkä nollavirtarele. (Mörsky 1992, s. 264, s. 347) Distanssisuojauksessa varsinaisten distanssireleitten varalla käytetään varareleitä. Varareleiden tulee olla eri periaatteella toimivia ja ne ovat yleensä eri valmistajan valmistamia. Jos varsinainen suojaus on toteutettu numeerisilla releillä varasuojina voivat toimia joissain tapauksissa sähkömekaaniset releet. Distanssisuojauksessa saatetaan käyttää myös identtisiä vara- ja pääreleitä. Varasuojaus voidaan toteuttaa myös yhdistämällä distanssisuojaus differentiaalisuojauksen tai suunnatun ylivirtasuojauksen kanssa. Varasuojareleille ei asenneta omia mittamuuntajia, vaan

10 7 käytetään virtamuuntajilla eri sydämiä ja jännitemuuntajilla eri johdotuksia. Katkaisijoilla käytetään kahta laukaisukelaa. Akusto ja laukaisupiirit ovat täysin erillisiä pää- ja varasuojauksessa. (Mörsky 1992, s ; Ziegler 2006, s. 269, s. 277) Distanssirelettä voidaan myös käyttää tarjoamaan varasuojaus tehomuuntajille ja kiskoille (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 39). Vasta-asemien distanssireleillä voidaan toteuttaa vain rajoitettu kiskosuoja kuvan 2.6. mukaisesti. Vikatilanteessa vasta-asemien distanssireleet havaitsevat vian 2. vyöhykkeessä ja lähettävät laukaisukäskyn katkaisijoilleen. Tällöin kiskoon kytketyt johdot kytkeytyvät irti. Kiskoon mahdollisesti kytketyt generaattorit jatkavat toimintaansa, kunnes niiden omat suojareleet havahtuvat ja lähettävät laukaisukäskyn katkaisijoille tehden kiskosta jännitteettömän. On mahdollista päästä lyhyempään laukaisuaikaan toteuttamalla suojaus distanssireleen taaksepäin katsovalla vyöhykkeellä ns. 1 1 / 2 vyöhykkeellä toimintaviiveen ollessa 250 ms. Tällaisessa tapauksessa aseman B distanssireleet toimivat ennen asemien A ja C 2. vyöhykkeellä toimivia distanssireleitä. Siirtojohdot jäävät jännitteisiksi ja häiriö muodostuu pienemmäksi. (Mörsky 1992, s ) 2.5 Suojaus ilman kommunikaatioyhteyttä johdon toiseen päähän Distanssisuojaus toimii selektiivisesti, vaikka releillä ei olisi sähköasemien välillä yhteyttä toisiinsa. Distanssisuojauksella voidaan havaita viat virtamuuntajien takana vastakkaisella sähköasemalla, mikä on etuna differentiaalisuojaukseen, jolla ei voida havaita vikoja virtamuuntajan takana vastakkaisella sähköasemalla. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 60) Pikajällenkytkennän toteuttaminen suojattavalla johdolla on mahdollista ilman apuyhteyttä käyttämällä vyöhykkeen 1 ulottuman laajennuslogiikkaa. Automaattinen

11 8 jälleenkytkentätoiminto ohjaa tätä laajennuslogiikkaa. Suojattavalla johdolla normaalitilanteessa molempien päiden 1. vyöhyke on yliulottuva. Vian ilmetessä missä pisteessä tahansa suojattavaa johtoa käynnistyy jälleenkytkentä molemmissa päissä yhtäaikaisesti 1. vyöhykkeiden toimesta. Jälleenkytkentäyksiköiden ohjatessa johdon päiden katkaisijoita kiinni on muutettu 1. vyöhykkeiden asetteluita niin, että ne ovat aliulottuvia kuten normaalisti. Jollei vika ole kadonnut ja se sijaitsee molempien aliulottuvien vyöhykkeiden suojausalueella seurauksena on selektiivinen lopullinen laukaisu tai uusi jälleenkytkentä. Vian ollessa lähellä vasta-asemaa paikallisaseman aliulottuvan vyöhykkeen ulottumattomissa seurauksena on paikallisaseman katkaisijan lopullinen laukaiseminen aikaselektiivisellä varasuojaus vyöhykkeellä. Tarpeeton jälleenkytkentä aiheutuu vian sijaitessa vyöhykkeen 1 laajennetulla suojausalueella vasta-aseman takana. ele ei toimi turhaan toista kertaa, koska vyöhykkeen 1 yliulottuma palautetaan takaisin aliulottumaksi ja vika sijaitsee nyt suojausalueen ulkopuolella. (ABB:n TTT-käsikirja , s. 40) 2.6 Suojaus kommunikaatioyhteyden ollessa käytettävissä johdon toiseen päähän Distanssisuojaus toimii, vaikka releillä ei olisi sähköasemien välillä yhteyttä toisiinsa. Yhteyden avulla saavutetaan kuitenkin monia etuja. Suomessa 400 kv johdoilla käytetään aina apuyhteyttä. Apuyhteyttä käytetään myöskin joissain tapauksissa 110 kv ja 220 kv johtojen suojauksessa. Apuyhteyden tiedonsiirtotekniikkana käytetään voimajohtoa (kantoaalto), radiolinkkiä tai nykyisin useimmin käytettyä ukkosjohtimessa olevaa valokaapelia. (Mörsky 1992, s. 286) Johdon pituudesta ilman apuyhteyttä vain n. 70 % on suojattu nopealla 1. vyöhykkeen toiminta-ajalla. Apuyhteyden avulla päästäisiin 100 %. Apuyhteyttä käytetään havahtumistiedon siirtämiseen suojalta toiselle. (ABB:n TTT-käsikirja , s. 37; Ziegler 2006, s 50) Nopean suojauksen ja pikajällenkytkentöjen onnistumisedellytysten parantamiseksi koko johtopituudelle käyttöön on otettava logiikka ja apuyhteys johdon päiden välille (ABB:n TTT-käsikirja , s. 17). Yleensä yksi kommunikaatio kanava molempiin suuntiin tarvitaan. Kanavan tehtävänä on siirtää on / off signaalit. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 137) Useimmiten käytettävät logiikat ovat salliva yli- tai aliulottuva suojaus tai lukitussuojaus (ABB:n TTT-käsikirja , s. 37).

12 9 Salliva aliulottuman logiikka, jota kutsutaan englanninkieliseltä termiltään permissive underreaching transfer trip (PUTT) on esitetty kuvassa 2.7. Paikallisaseman releen havahtuessa vyöhykkeessä 1 Z 1 ollessa tällöin tosi vasta-aseman releelle lähetetään laukaisukäsky. Tässä tapauksessa yhteys voi olla yksi kanavainen. Vastaanotettu signaali aiheuttaa laukaisun ainoastaan, jos rele on havahtunut vikaan eli Z A on tosi. Sallivan aliulottuman logiikkaa käytetään nykyisin Suomessa ainoastaan tapauksissa, joissa vanha rele on vastapäisellä asemalla. (Ziegler 2006, s 53; ABB:n TTT-käsikirja , s. 37; Hirvonen 2007) Sallivan yliulottuman logiikan englannin kieliseltä termiltään permissive overreaching transfer trip (POTT) toimintaperiaate on esitetty kuvassa 2.8. Paikallisaseman releen havahtuessa yliulottuvassa vyöhykkeessä 2 tai 3 Z 1B ollessa tällöin tosi vasta-aseman releelle lähetetään laukaisukäsky. Tällöin yhteyden pitää olla kaksikanavainen selektiivisyyden säilyttämiseksi. (ABB:n TTT-käsikirja , s. 37) Toisesta päästä on siis tultava signaalin laukaisun tapahtumiseksi. Tällaista menetelmää käytetään erityisesti lyhyillä johdoilla vikaimpedanssin vaikutuksen vähentämiseksi. Suomessa käytetään usein sallivaa yliulottuvaa logiikkaa, eli logiikkaa ei käytetä pelkästään lyhyillä johdoilla (Hirvonen 2007). Sallivan yliulottuman logiikalla saavutetaan nopea laukaisu ainoastaan tapauksessa, jossa molempien päiden

13 10 releet havaitsevat vian yliulottuvassa vyöhykkeessä ja lähettävät toisilleen laukaisu signaalin. (Ziegler 2006, s ; Mörsky 1992, s. 288) Sallivaa yli- tai aliulottuvaa suojausta käytettäessä kaksoisjohdon suojauksessa vaarana on viallisen johdon katkaisijoiden eriaikaisen laukaisun aikaansaama vikavirran suunnan kääntyminen rinnakkaisella terveellä johdolla juuri viallisen johdon ensimmäisen katkaisijan aukenemisen jälkeen. Seurauksena saattaa olla terveen johdon suojauksen epäselektiivinen toiminta. Tämä ongelma on erityisen paha mikäli toisen pään syötön oikosulkuteho on huomattavasti pienempi kuin toisen. (ABB:n TTT-käsikirja , s. 37) ukitsevassa yliulottuvassa suojauksessa englannin kieliseltä termiltään permissive overreaching transfer trip (POTT) with blocking käytetään hyväksi vasta-aseman taaksepäin katsovaa vyöhykettä. Jos taaksepäin katsova vyöhyke havahtuu, vastaasemalta lähetetään lukitsemiskäsky paikallisasemalle. Vika on tällöin paikallisaseman releen suojausalueen ulkopuolella. ukitussuojaus on Suomessa siirtojohtojen distanssisuojauksessa harvinainen. (Mörsky 1992, s. 288; Hirvonen 2007)

14 11 3. Distanssireleen keskeisimmät suojausasettelut (ABB:n distanssirele E 511) Distanssireleellä E 511 voidaan suojata siirtojohtoja ja kaapeleita. ele soveltuu erityisesti tähtipisteeltään suoraan maadoitettujen verkkojen suojaamiseen keskijännitteistä aina korkeimpiin jännitteisiin asti. E 511 voidaan käyttää myös kiskojen ja tehomuuntajien varasuojaukseen. eleen laukaisu voidaan toteuttaa yksi-, kaksi- tai kolminapaisesti. Häiriöiden välttämiseksi sarjamuotoinen tiedonsiirto on toteutettu optisilla yhteyksillä. (Harju 2006, s. 52; Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 18) Distanssireleen E 511 mittauselementit saavat tietoa virroista ja jännitteistä A/D muuntimelta. Tieto jaetaan muistipaikkoihin. Vikasilmukoita on kuusi. Kolme eri vaiheitten välistä silmukkaa ja kolme eri vaiheen ja maan välistä silmukkaa. Vikasilmukkaa on kuvattu kuvassa 3.1. U siis on oikosulkutilanteessa kahden eri viallisen vaiheen välinen jännite ja maasulussa viallisen vaiheen sekä maan välinen jännite. Virta on oikosulussa viallisen vaiheen ja terveen vaiheen virran erotus ja maasulussa virta toteuttaa yhtälön. + 1 k 0 * 3* 0 (1),missä 1 on viallisen vaiheen virta, 0 on nollavirta, k 0 on maasulun kompensointikerroin. Maasulun kompensointikerroin k 0 voidaan lausua kaavalla (2) k Z 0 Z Z 1 1 (2),missä Z 0 on suojattavan johdon nollaimpedanssi ja Z 1 on suojattavan johdon myötäimpedanssi. Yksivaiheisessa maasulussa pätee yhtälö 3* 0 1. (Mörsky 1992, s ) Jokaiselle kuudelle valvottavalle vika silmukalle näytteistetyt arvot jännitteestä

15 12 U, virrasta ja muutoksista virrassa näytteiden välillä ( ) tuodaan muistista ja syötetään rekursiiviseen Fourier suotimeen. Hyvät suodatusominaisuudet distanssireleessä ovat tärkeitä, koska distanssireleen täytyy arvioida nopeasti ja mahdollisimman tarkasti sähköinen etäisyys vikapaikkaan. Sisäänmenosignaaleissa saattaa olla monesti suuriakin häiriöitä. Mitattavat arvot saattavat vääristyä mittamuuntajien kyllästymisen takia tai kapasitiivisten jännitemuuntajien oskilloimisen johdosta transientti tilanteissa. Johdon tai kaapelin varausoskillaatio johtuen kapasitanssista vaiheiden välillä tai vaiheen ja maan välillä kaapeleilla tai pitkillä johdoilla saattaa olla ongelmallista. Suodin muodostaa kaksi toisiaan kohtisuorassa olevaa arvoa (osoitinta) jokaiselle sisäänmenolle integroiden tässä esimerkki tapauksessamme koko jakson yli. Mitattavasta suureesta saadaan reaali ja imaginääri osa perustaajuisesta osasta seuraavilla yhtälöillä, joissa esimerkkinä on käytetty virtaa. 1 e{ } T N 1 m{ } T N * * + T / 2 n Tn / 2 + T / 2 n T / 2 n i( t)*cos( ω * t) dt i( t)*sin( ω * t) dt n n (4) (3),missä ω N 2π * f N 2π * 50 on perustaajuinen kulmanopeus, T N on perustaajuuden jaksonaika i(t) on mitattu virta ajanhetkellä t. DC-komponentit ja summautuneet harmoniset suodattuvat pois. Samalla menetelmällä reaali ja imaginääriosa saadaan myös jännitteelle. Virran osoittimen kompleksiarvo voidaan lausua siis kaavalla. e( ) + j m( ) (5) (Ziegler 2006, s ) Kompleksiarvot virralle ja jännitteelle liittyvät silmukka impedanssiin kaavan 6 mukaisesti. X i( t) u( t) * i( t) + ( ) * (6) ω t,missä käsittää johdon resistanssin sekä vikaresistanssin, X on johdon reaktanssi, u(t) on mitattu jännite hetkellä t ja i/ t on virran muutos. Kompleksi muodossa saadaan X e( ) e( U ) * e( ) + * (7) ω t X m( U ) * m( ) + ω N N N m( ) * (8) t,missä e tarkoittaa reaaliosaa ja m tarkoittaa imaginääriosaa. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 67) Jännitteen reaaliarvon ja imaginääri arvon muodostamista yhtälöistä saadaan ratkaistua m. Tämän jälkeen voidaan ratkaista Xm. Tuloksena saadaan seuraavanlaiset yhtälöt. m( U ) * e( ) e( U ) * m( ) m (9) e( ) * m( ) m( ) * e( )

16 13 N Xm ω * t * (e( U ) m( ) m( U ) * e( )) e( ) * m( ) m( ) * e( ) Vikasilmukan resistanssia m ja reaktanssia Xm lasketaan joka millisekunti ja verrataan aseteltuihin vyöhykkeiden ulottumiin. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 68) Distanssireleen asettelut voidaan asetella oikosulkuvioille ja maasulkuvioille erikseen tai käyttää yksinkertaistettuja asetteluarvoja, joilla suojauksella on muuten samat arvot eroten vain resistiivisen ulottuman FPP (oikosulku) ja FPE (maasulku) kesken. esistiivisten ulottumien FPP ja FPE merkitys ilmenee kuvasta 3.2. ja tämän kappaleen loppupuolella olevasta tekstistä. Käytännössä näitä yksinkertaistettuja asetteluarvoja ei käytetä juuri koskaan, vaikka olisivatkin teknisesti täysin toimivat. (Technical reference manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 73; Hirvonen 2007) Seuraavassa tarkastellaan vyöhykkeiden 1-3 asetteluita. Maasulku ja oikosulku tapaukset käsitellään erikseen. Asetukset releelle voidaan asettaa sekä vikojen käsittely voidaan suorittaa ohjelmistotyökalua CAP 540 käyttäen. Paikallisesti E 511 voidaan konfiguroida ja asettaa käyttämällä HM:tä (Human-Machine nterface). CAP 540 ohjelmistotyökalun avulla voidaan luoda sovelluksiin sopivia toiminnallisuuksia yhdistelemällä toimilohkoja, loogisia elementtejä ja laskureita terminaalissa. Toimilohkot tarjoavat laajan valikoiman suojaus ja valvonta toimintoja, joita tarvitaan sähköverkoissa. Toimilohkot sijaitsevat funktiokirjastossa. Asetusten visualisointi työkalu SVT on työkalu visualisoimaan PST (parameter setting tool) parametrejä ali-impedanssi suojausfunktioille. SVT voi olla päällä samaan aikaan kun editoidaan arvoja PST:llä, jotta voidaan nähdä muutosten vaikutukset terminaalin asetuksissa. (Engineer T Terminal tool box CAP 540*1.3, s. 1-4) On olemassa muutamia funktioita, joilla voidaan toteuttaa distanssisuojaus. Tässä työssä tarkastellaan distanssisuojausfunktiota (ZM). ZM funktiota voidaan käyttää avojohtojen ja kaapelien suojaukseen. mpedanssin mittaus toteutetaan erikseen kolmessa vaihe maa silmukassa ja kolmessa vaihe vaihe silmukassa. esistiiviset ja reaktiiviset ulottumat voidaan asetella erikseen kullekin vyöhykkeelle. Vaihe-maa distanssisuojausta voidaan käyttää erityisesti tähtipisteeltään suoraan maadoitetuissa verkoissa. (Harju 2006, s. 54) Käsitellään seuraavaksi releen keskeisempiä asetteluarvoja. (10)

17 14 Vaihe-vaihe vioissa X1PP on suojausvyöhykkeen reaktiivinen ulottuma ja 1PP johdon myötä resistanssi. FPP on resistiivinen ulottuma (vikaresistanssi). Suojauksen toimintadiagrammin muodostumista on selvennetty kuvassa 3.2. Asetteluista voidaan valita ovatko Timer t1pp, Timer t2pp, ja Timer t3pp päällä, jotka mahdollistava kyseisen vyöhykkeen viivästetyn laukaisun. Parametrit t1pp, t2pp ja t3pp määrittävät kyseisen vyöhykkeen aikaviivästetyn laukaisun. (Technical reference manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 69) Maasulkuvioissa X1PE on suojausvyöhykkeen reaktiivinen ulottuma maasulkuvioissa. 1PE on myötäresistanssi. X0PE on johdon nollareaktanssi ja 0PE johdon nollaresistanssi. Nollareaktanssia ja nollaresistanssia tarvitaan maasulun kompensointikertoimen määritykseen. FPE on resistiivinen ulottuma (vikaresistanssi). Asetteluista voidaan valita ovatko Timer t1pe, Timer t2pe, ja Timer t3pe päällä, jotka mahdollistava kyseisen vyöhykkeen viivästetyn laukaisun. Parametrit t1pe, t2pe ja t3pe määrittävät kyseisen vyöhykkeen aikaviivästetyn laukaisun. (Technical reference manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 69) Suunnatun mittauselementin asetteluarvo Argdir on myötäsuunnatun suojauskuvion alempi kulma akseliin nähden Kulma voidaan asetella arvoväliltä (5 45). Oletusarvona on 15. Toimintakuvion alaraja on tehty alaspäin kaltevaksi, jottei lähivika impedanssin kiertymisen takia siirtyisi pois toimintakuviosta. eleen määrittämä vikaimpedanssi voi kiertyä vikapaikkaan eri suunnista tulevien vikavirtojen erilaisten vaihekulmien takia. mpedanssin kiertymistä käsitellään tarkemmin kappaleessa 4.2. ArgNeges on myötäsuunnatun suojauskuvion ylempi kulma akseliin nähden. Kulma voidaan asetella arvoväliltä (90 175). Oletusarvona on 115. (Technical reference manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 73)

18 15 4. Distanssisuojauksen ongelmia 4.1 Virtamuuntajan kyllästyminen Kyllästyminen jonka periaatetta on kuvattu kuvassa 4.1. aiheuttaa rautasydämellisen virtamuuntajan suurimmat virheet. Virtamuuntajan kyllästyminen on ongelma nykyaikaisissa releissäkin kehittyneistä algoritmeista huolimatta. Kyllästymisilmiö voi aiheutua kolmessa erilaisessa tilanteessa; symmetrisellä virralla, tasakomponentin vaikutuksesta johtuen tai remanenssin vuoksi (Nousiainen 2004, s. 94). Virtamuuntajan ensiövirran ollessa symmetrinen ja ylittäessä tarkkuusrajavirran virtamuuntaja alkaa kyllästyä. Kun virtamuuntajan ensiövirta kasvaa, toisiovirta ja täten toisiojännite kasvavat. Mitä suuremmaksi toisiojännite muodostuu sitä suuremmaksi magnetointivirta tulee. Virtamuuntajan magnetointikäyrän epälineaarisuuden vuoksi magneettivuo ei kasva verrannollisena magnetointi virtaan. Kyllästyneen virtamuuntajan toisiovirta putoaa nollaan jokaisella puolijaksolla vuontiheyden saavuttaessa maksimiarvonsa. Oheisesta kuvasta voidaan havaita, että magneettivuo pysyy hetken aikaa vakiona huippuarvossaan. Vakiona pysyvä magneettivuo ei induktiolain mukaan voi indusoida toisioon jännitettä, eikä näin ollen tällaisessa tilanteessa toisiossa voi kulkea virtaa. Toisiossa kulkee virtaa vain vuoaallon nousevilla ja laskevilla osilla. (uppa 2005, s. 22) Ensiövirran tasakomponentilla on sydämen vuota kasvattava vaikutus, jolloin on mahdollista että sydän kyllästyy aikaisemmin. Ensiövirtaa kytkettäessä ja katkaistaessa on mahdollista että sydämeen jää jäännösvuoto, jota kutsutaan myös remanenssiksi. emanenssin suuruus nykyaikaisilla sydänmateriaaleilla saattaa olla jopa 80% kyllästymisvuotiheydestä. Virran alkuosan toistumiseen remanenssilla on merkittävä vaikutus. emanenssin ja tasakomponentin yhteisvaikutus voi aiheuttaa oikosulkuvirran toistumisen huonosti. (Nousiainen 2004, s. 94) Kyllästymisen seuraamuksia ovat toisiovirran tehollisarvon pieneneminen ja nollakohtien siirtyminen. Vaiheen vertailuun ja amplitudin vertailuun perustuvissa distanssireleissä aiheutuu ongelmia (uppa 2005, s. 22). Kyllästymisilmiö lyhentää

19 16 ulottumaa, koska virta on todellista pienempi ja rele havaitsee todellista arvoa suuremman impedanssin. (Mörsky 1992, s. 284). Vikavirran transientin tasakomponentti saa aikaan distanssireleen yliulottumaa. Virtamuuntajan toistaessa tasakomponentin oikein tasavirta ei vaikuta kovinkaan paljoa releen näkemään jännitteeseen. Tällöin rele havaitsee liian pienen impedanssin. (Mörsky 1992, s. 284) Kyllästymisongelmia voidaan vähentää tärkeissä suojauskohteissa käyttämällä ns. lineaarista virtamuuntajaa. ineaarisoinnilla päästään kyllästymisen aiheuttamista ongelmista suurelta osin eroon. Virtamuuntajan lineaarisoinnilla tarkoitetaan magneettipiirin varustamista ilmaraolla. Tarkkuusrajakerroin nousee tällä tavoin peräti arvoon 500. (uppa 2005, s. 23) Tarkkuusrajakertoimella tarkoitetaan sitä, että virtamuuntajan on toimittava tarkkuusluokassaan (5P tai 10P) tarkkuusrajakertoimen ja nimellisvirran tulon mukaiseen rajaan asti. Tarkkuusrajakerroin on määritetty puhtaalla vaihtovirralla. (Mörsky 1992, s. 112) inearisointi tuo mukanaan myös ongelmia. Sähkömekaanisia releitä ei voida enää käyttää, koska ne ylittävät sallitun toisiotaakan arvon. Virtamuuntajien tarkkuus heikkenee. Tarkkuusluokkaa 5P ei voida enää saavuttaa, millä tarkoitetaan sitä että yhdistetty virhe on 5 % ensiön tarkkuusrajavirralla. inearisoitujen virtamuuntajien hinta on korkea ja niitä käytetään vain tärkeimmissä ja arvokkaimmissa kohteissa, joissa suojauksen nopeus on tärkeä. Suomessa nykyisin Fingrid vaatii aina sähköasemaprojekteihinsa linearisoidun virtamuuntajan. Ulkomaille rakennettaviin sähköasemiin tätä vaatimusta ei aina ole. (uppa 2005, s.23, Hirvonen 2007) 4.2 Vikaresistanssi Vikaimpedanssi voi aiheuttaa distanssireleen laukaisun väärässä vyöhykkeessä tai mahdollisesti releen havahtumattomuuden vian siirtyessä vikaimpedanssin vaikutuksesta ulos koko toiminta-alueelta (Mörsky 1992, s. 269). aukaisu voi siirtyä esimerkiksi 2. tai 3. vyöhykkeeseen. Tällöin on mahdollista, että vika on myös edeltävän johdon 2. tai 3. vyöhykkeessä. Tällaisessa tilanteessa saattaa aiheutua epäselektiivinen yhtäaikainen laukaisu. Jos edeltävä johto on huomattavasti pitempi toimintakuvion ollessa täten suurempi, on mahdollista että aiheutuu pelkästään edeltävän johdon laukaisu. (Mörsky 1992, s ) Distanssireleen määrittämä impedanssi muodostuu johdon impedanssista vikapaikkaan asti sekä vikaimpedanssista. Vikaimpedanssi voi muodostua valokaariresistanssista, suuri-impedanssissa vioissa esimerkiksi puiden oksien resistanssista ja maasulussa vaikuttaa lisäksi maadoitusimpedanssi. Maasulkutapauksissa impedanssit ovat merkittävästi suurempia johtuen maadoitusimpedansseista. Vikatapauksissa vikaimpedanssit ovat yleensä resistiivisiä. (Mörsky 1992, s. 269) Vikaresistanssin käsittelyssä on eroteltava oikosulkuviat ja maasulkuviat. Yksinkertaisuuden vuoksi käsitellään yhdestä suunnasta syötettyä johtoa.

20 17 Kolmivaiheisessa oikosulussa distanssirele havaitsee impedanssin Z +f/3, kaksivaiheisessa oikosulussa Z +f/2 ja yksivaiheisessa maasulussa Z +f/(1+k0), missä maasulunkompensointikerroin k0 voidaan lausua yhtälöllä k0(1/3)*(z0/z1-1), f on vikaresistanssi, Z0 on nollaimpedanssi ja Z 1 Z on myötäimpedanssi vikapaikkaan saakka. (Mörsky 1992, s. 269) Ei ole välttämättä selvää miten edellä esitetyt kaavat muodostuvat, joten tarkastellaan maasulkutilannetta ja kaksivaiheista vikatapausta tarkemmin. Kaksivaiheisessa oikosulkutilanteessa vaiheiden välinen jännite voidaan lausua kaavalla U 2 * ( * + jx * ) + f * (11), missä U on vaiheiden välinen jännite, on johdon resistanssi vikapaikkaan asti, X on johdon reaktanssi vikapaikkaan asti, on viallisessa vaiheessa kulkeva virta ja f on vikaresistanssi. Kaksivaiheista vikatilannetta voidaan kuvata kuvan 4.2. mukaisella piirillä. eleen mittaamaksi impedanssiksi saadaan yhtälön 12 mukaisesti Z U 1 2 U 2 * 1 U 2 * 2 * ( * + jx * 2 * ) + f * + f / 2 + jx (12) (Ziegler 2006, s. 127)

21 18 (14) ) * ( ) * * ( E E E E E Ph X X X X X X X (15) 1 ) (1 * * * * * * * ) * * ( E E E E E E E E E E Ph f f f f f Maasulussa vaiheen ja maan välistä jännitettä voidaan kuvata yhtälön 13 mukaisesti (13) * ) *( ) ( * f jx jx U E E E E Ph + + +, missä U Ph-E on viallisen vaiheen ja maan välinen jännite, E on maavirta, E on maaresistanssi, X E on maareaktanssi. Yhtälön muut termit ovat samoja kuin yhtälössä 11. Maasulkutilannetta voidaan kuvata kuvan 4.3. mukaisella piirillä. Vaiheen ja maan välisiksi reaktanssiksi ja resistanssiksi saadaan yhtälöiden 14 ja 15 mukaiset lausekkeet. Maa impedanssi Z E voidaan lausua yhtälön 16 mukaiselle lausekkeella nollaimpedanssin Z 0 ja myötäimpedanssin Z 1 avulla. (16) Vaiheen ja maan väliseksi resistanssiksi saadaan yhtälön 17 mukaisesti. ) ( 3 1 ) ( jx jx Z Z Z E + (17) 1 ) 3 1 * 3 1 ( k f f E Ph

22 19 Kun muistetaan maasulunkompensointikertoimen k0 olevan muotoa (1/3)*(Z 0 /Z 1-1) ja oletuksena on nollaimpedanssin olevan samassa suhteessa resistiivisiltä sekä reaktiivisilta osiltaan olevan verrannollinen myötäimpedanssiin kaavan Z 0 2,75*Z 1 mukaisesti voidaan sanoa, että väite siitä että vikaresistanssi f havaitaan maasulussa 1/(1+k0) kertaisena pitää paikkansa. (Ziegler 2006, s. 103, s. 128; Nagrath 1997, s. 386) Siirtojohdoilla maasulkuvirtaa tulee vikapaikkaan johdon molemmista päistä. Distanssirele havaitsee sitä suuremman vikaimpedanssin mitä enemmän virtaa vikapaikkaan vastakkaisesta päästä tulee, kuten kuvan 4.4 yhtälöstä voidaan havaita. Vikavirtojen suuruuteen vaikuttaa vikapaikan sijainti johdolla. Vikakohdan vikavirta jakautuu johdon eri päistä tuleviin virtoihin impedanssien suhteessa. (Mörsky 2005, s ). Vikaresistanssi näkyy releelle asemalla A suurena vian ollessa kaukana releestä, koska vikavirta jakautuu johdon eri päistä tuleviin virtoihin impedanssien suhteessa ja tällöin virta 2 muodostuu suureksi johdon impedanssin Z2 ollessa pieni aiheuttaen suurena havaitun vikaimpedanssin. Vian ollessa lähellä asemaa A johdon impedanssi Z2 on suuri ja vastakkaisesta päästä tuleva virta 2 ei muodostu suureeksi eikä näin ollen havaittu vikaresistanssikaan suurene paljoa kuvan 4.4. yhtälön mukaisesti. Periaatteellinen ei täysin todellisuuden mukainen kuva 4.5. selventää vielä sitä asiaa, että mitä kauempana vikapaikka on releestä sitä enemmän vastakkaisesta päästä tuleva syöttö suurentaa releen havaitsemaa vikaimpedanssia asemalta A ja asemalta B tilannetta katsottaessa.

23 20 Maasulkutilanteessa maasulun kompentointikertoimesta k0 johtuen distanssirele tajuaa vikaimpedanssin 1/(1+k0) kertaisena eli noin puolena niin kuin edellä todistettiin. ele määrittää vikatilanteessa impedanssin yhtälön 17 mukaisesti Z U + k 0 * 3* 0 (17),missä U on vikavaiheen jännite, on vikavaiheen virta ja 0 on nollavirta. Yksivaiheisessa maasulussa pätee yhtälö 3* 0. Syöttöjen ollessa molemmista päistä yhtä suuria ( 1 2) distanssirele havaitsee vikaresistanssin kuta kuinkin oikeina, koska [1/(1+k0)*(f+2/1*f)] 0,5*(f+f) f. (Mörsky 2005, s.273) Vikaresistanssi määritetään maasulkutilanteissa eri perustein kuin oikosulkutilanteissa. Maasulku tilanteessa vikaresistanssi f on teräsukkosjohdolla varustetulla pylväällä n. f 3Ω, johon on huomioitu ukkosjohtimien reduktiokertoimen ja resultoivan maadoitusimpedanssin tulo. Tähän arvoon on vielä lisättävä valokaaren resistanssi. (Mörsky 1992, s. 271) Huomion arvoista on, että vikavirta ei kokonaisuudessaan kulje maadoituselektrodiin ja sitä kautta maahan. Osa virrasta voi kulkeutua ukkosköysiä pitkin muihin maadoituksiin. Tämä asia huomioidaan reduktiokertoimen avulla. (uppa 2001, s. 23) Pylväiden maadoitusimpedanssit ja ukkosjohdin muodostavat ns. tikapuurakenteen. Pylväiden maadoitusimpedanssit kytkeytyvät rinnan. Vikatilanteessa

24 21 rinnakkain kytketyn tikapuuverkoston maadoitusimpedanssi on pieni verrattuna yksittäisen pylvään maadoitusimpedanssiin. (Ziegler 2006, s ) Esitetyn teorian Ziegler (2006, s. 144) mukaan molemmista suunnista tulevien syöttöjen vaikutus pätee vain kiinteille resistansseille ja valokaariresistanssin tapauksessa ilmiötä ei tarvitse ottaa huomioon. Kiinteän pylväsresistanssin vaikutuksen huomioimiseksi releelle aseteltavaan vikaresistanssiin otetaan molemmista suunnista tulevan syötön vaikutus huomioon. Valokaaren yli olevan jännitteen voidaan olettaa olevan vakio ja valokaari resistanssi laskee virran noustessa. Valokaari käyttäytyy siis erilailla kuin kiinteä resistanssi. Molemmista suunnista tulevaa syöttöä ei tarvitse ottaa huomioon valokaariresistanssin tapauksessa, koska valokaaren ylioleva jännite pysyy vakiona vaikka valokaaren läpi menevä virta kasvaisi. eleen havaitsema impedanssi ei kasva. ele näkee vikatilanteessa impedanssin kaavan 18 mukaisesti. U A Z A Z + A U arc (18) A,missä valokaaren jännite Uarc 2500 V/m on vakio, Z on johdon impedanssi vikapaikkaan asti ja A on releen sijainti paikan virta. (Ziegler 2006, s ). Jotta tehoa voitaisiin siirtää siirtojohtoa pitkin tarvitaan vaihesiirtoa johdon päiden väliseen jännitteeseen. Jännite lähettävässä päässä on edellä jännitettä vastaanottavassa päässä kulman α verran. Voidaan arvioida, että oikosulkuvirrat 1 ja 2 molemmista päistä ovat vaihesiirrossa keskenään tämän kulman verran. Vektori ( 2 / 1 )*f kääntyy alaspäin reaktiivisessa tasossa tehoa lähettävästä päästä katsottuna. Jos tilannetta katsotaan tehoa vastaanottavasta päästä vektori ( 1 / 2 )*f kääntyy ylöspäin. Distanssirele mittaa reaktanssiltaan liian pienen impedanssin tehoa lähettävästä päästä katsottuna. Tällaisessa tapauksessa tuloksena on yliulottumaa ja esim. 1. vyöhykkeen asetuksia määritettäessä tulisi varmistua siitä ettei vyöhykkeen ulottumaa ole aseteltu niin suureksi että se ulottuu seuraavan aseman takaisiin vikoihin. Moderneissa releissä toimintakuvion 1. vyöhykkeen yläraja kallistuu alaspäin yliulottuman välttämiseksi. Teho vastaanottavassa päässä nähdään liian iso impedanssi ja tuloksena on aliulottumaa. (Ziegler 2006, s ) 4.3 Syöttävän väliaseman vaikutus distanssireleen toimintaan Välisyöttö releen ja vikapaikan välissä vaikuttaa mitattavaan impedanssiin. ele näkee tällöin suuremman impedanssin ja havaitsee vian olevan kauempana kuin mitä se todellisuudessa onkaan. Tämä ilmiö tapahtuu, koska välisyötöstä tuleva virta saa aikaan jännitteen läpikulkemiensa impedanssien yli ja tämän ansiosta jännite nousee suuremmaksi releen sijaintipaikassa. Mitatun impedanssin virhe on verrannollinen välisyötöstä tulevaan virran B ja releen sijaintipaikan virran A suhteeseen. Virrat on esitetty kuvassa 4.6. Mitä suurempi virta välisyötöstä tulee sitä suurempi virhe impedanssin mittauksessa aiheutuu. (Ziegler 2006, s. 85) Tarkastellaan ilmiötä seuraavaksi laskennollisesti. Sähköasemalla A rele A näkee kuvan 4.6. mukaisessa vikatapauksessa impedanssin

25 22 Z M U M / A, missä U M on sähköasemalla A releen mittaama jännite ja A releen mittaama virta. Jännite UM voidaan lausua yhtälön 19 avulla U A * Z AC + ( A + B) * Z CF M (19),missä Z AC on sähköasemien A ja C välinen impedanssi, Z CF sähköaseman C ja vikapaikan F välinen impedanssi, A on sähköasemien A ja C välillä kulkeva virta ja B on sähköaseman B ja C välillä kulkeva virta. mpedanssille Z M voidaan määrittää lauseke 20. Z Z M CF Z + Z CF CF * * A B A + Z + Z CF * AC A B Z + Z AC AC * A + (1 + B A ) Z CF Tällaisessa tilanteessa rele näkee todellista suuremman impedanssin ja rele kuvittelee vian olevan kauempana kuin onkaan. Kun mietitään releen asetteluarvoja välisyötön vaikuttaessa releen ja vikapaikan välissä, täytyy käyttää pienintä mahdollista B / A suhdetta. Tällä tavoin varmistutaan siitä, ettei impedanssin arvoksi ole annettu sellaista arvoa, että rele reagoisi epäselektiivisesti sähköaseman D takaisiin vikoihin. Välisyöttö vaikuttaa sähköaseman A releen A 2. ja 3. vyöhykkeen asetteluihin. Suurena ongelmana voidaan pitää sitä, että kaikkia vikoja ei välillä C D edes havaita. Välisyötön vaikututusta asetteluiden laskentaan tarkastellaan Power World esimerkissä. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 80) (20)

26 ähivika Kolmivaiheisissa vikaimpedanssiltaan pienissä vioissa lähellä jännitemuuntajaa ongelmaksi muodostuu vian suunnan määrittäminen jännitteen pienentyessä lähes nollaan. Distanssireleen suuntaelimen on hankalaa arvioida onko vika johdolla vai kiskossa, koska informaatio jännitteen vaiheesta on epävarma. Numeerisissa releissä tämän ongelman poistamiseksi käytetään jännitteen ekstrapolointia tai jännitemuistia. (Mörsky 1992, s. 283) Kolmivaiheisissa lähivioissa distanssireleen E 511 muistijännite U 1M varmistaa oikean suunnanmäärityksen. Muistijännitettä käytetään 100 ms tai niin kauan, kunnes jännitetieto palautuu. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 72)

27 24 5. askentaesimerkki PowerWorld ohjelmalla Power World ohjelmalla analysoitiin kuvassa 5.1. olevaa verkkoa, joka pohjautui hyvin pitkälle ohjelmassa valmiiksi oleviin verkkomalleihin. Verkossa oli 5 kiskoa ja näitä kiskoja yhdistävät johdot olivat kaikki jännitteeltään 110 kv. Johdon 3-2 pituus oli 60 km, johdon km, johdon km ja johdon km. Erotinasemalla 2 oli ainoastaan erottimet, eikä katkaisijoita ja releitä lainkaan toisin kuin sähköasemilla. Erotinasemalle 2 tuotava johto 2-4 on johdonvarsiliittymä, jolla Fingridin mukaan tehon pitää olla pienempi kuin 25 MVA. Mörsky (1994, s. 18) on kirjassaan esittänyt, että tyypillisiä parametrejä 110 kv avojohdolle ovat myötäimpedanssi Z 1 (0,12+j0,40)Ω/km, ja suskeptanssi B 2,86uS/km. Nollaimpedanssi saatiin, kun myötäimpedanssin arvo kerrottiin luvulla 2,75. Nollaimpedanssiksi saatiin Z 0 2,75*(0,12+j0,40)Ω/km (0,33+j*1,10)Ω/km Nämä arvot syötettiin ohjelmaan parametreiksi johdoille. (Nagrath 1997, s. 386) askennassa pyrittiin tarkastelemaan releen ja vikapaikan väliin muodostuvien sivusyöttöjen vaikutusta distanssisuojauksen toimintaan. Sivusyötöt muodostuivat sähköasemalta 4 erotinasemalle 2 tulevasta syötöstä sekä sähköasemalle 1 kytketystä tuotannosta. Sivusyötöt vaikuttivat sähköasemalla 3 olevan releen 2 ja 3 vyöhykkeisiin. koska ne ulottuvat erotinaseman 2 ja sähköaseman 1 ylitse. 1. Vyöhykkeeseen sivusyötöt eivät juurikaan vaikuttaneet, koska ensimmäinen vyöhyke ei ulottunut erotinaseman 2 ylitse selektiivisyyden varmistamiseksi. Kolmivaiheisia vikaresistanssittomia oikosulkuja sekä vikaresistanssiltaan f10ω ja f50ω oikosulkuja generoitiin kullekin johdolle 25 % välein johdon pituudesta. Maasulkuvioille tehtiin täsmälleen samanlainen tarkastelu poiketen vikaresistanssittoman tapauksen osalta, jossa käytettiin vikaresistanssin arvoa 3,25Ω (Mörsky 1992, s. 271). 70 % siirtojohtojen vioista on maasulkuja, joten maasulkujen tarkastelu oli tärkeää. Solmupisteessä 3 määritettiin releen näkemä impedanssi solmun virta- ja jännitetietojen perusteella. Oikosulku ja maasulku tapauksissa käytettiin releen

28 25 manuaalin (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 66) mukaisia kaavoja oikosululle U Zap 1 1 U 2 2 (21) ja maasululle Zap 1 U + k 1 0 * N (22), joissa U 1 ja U 2 ovat viallisten vaiheiden vaihejännitteitä, 1 ja 2 viallisten vaiheiden vaihevirtoja ja N toteuttaa yhtälön N 3* 0 1. Jo edellä esille tullut maasulun kompensointi kerroin k 0 määritetään seuraavasti k 0 (Z N /Z 1 )1/3*[(Z 0 -Z 1 )/(Z 1 )], missä Z 0 on suojattavan johdon nollaimpedanssi ja Z 1 on suojattavan johdon myötäimpedanssi. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s ; Mörsky 2006, s. 69) Asetteluita tehdessä oli huomioitava, ettei suuressa kuormitustilanteessa muodostuva releen näkemä minimi kuormaimpedanssi aiheuta releen reagointia. Minimi kuormaimpedanssi lasketaan kaavalla 23 2 U Z load min (23) S, missä U on pienin pääjännite ja S suurin näennäisteho. (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 90) Kirjallisuudessa on esitetty, että 110 kv johdolla terminen rajateho on 150 MVA (Mörsky 1994, s.18). Asetteluiden laskennassa käytettiin 120 MVA arvoa, jotta asettelukuviosta saataisiin hieman suurempi. Maksimikuormitus tilanteessa pääjännite ei ole laskenut alle 110 kv. mpedanssiksi saatiin Zloadmin(110kV) 2 /120MVA100,833Ω. esistiivinen ulottuma tehokertoimella 1 ei siis saa olla suurempi kuin 100,833Ω. Kuvaaja 5.2. esittää tarkemmin sitä aluetta, johon impedanssi asetteluissa ei saa mennä.

29 26 Kuvaajaa 5.2. piirrettäessä on oletettu, että johdon terminen rajateho on 120 MVA ja tehokerroin on huonoimmillaan 0,94. Tehokerroin määrää sen kuinka paljon resistanssiakselilta lähtevä kaari kaartuu takaisin reaktanssi-akselia kohti. Mitä pienempi tehokerroin sitä enemmän käyrä kaartuu takaisinpäin rajoittaen resistiivisen ulottuman asettelua. Tehokerroin on 0,94 simuloitavassa verkossa sähköasemalla 3 normaalissa käyttötilanteessa 5.1 Oikosulkuvioille asetteluiden määritys ja toimivuuden tarkastelu simuloimalla Asetellaan 1. vyöhykkeen impedanssiarvot siten, että 80 % kiskojen 3 ja 4 välisestä johdosta tulee suojattua. 1. Vyöhykettä ei voida asetella pidemmäksi, koska silloin olisi vaarana että suojaus reagoisi epäselektiivisesti kiskon 4 takaisiin jakeluverkon vikoihin. Täysin johtavassa jäykässä kolmivaiheisessa oikosulussa distanssireleen mittaama impedanssi on johtoa edustavalla suoralla. Vikaresistanssi oikosulussa muodostuu pääasiassa valokaariresistanssista ja mahdollisesti esim. puiden oksien resistanssista. (Mörsky 2006, s 268) Valokaariresistanssia voidaan arvioida kaavalla 24 s arc 2,5* (24), missä s on valokaaren kantapisteiden välimatka metreinä ja vikavirta kiloampeereina (Mörsky 1992, s. 270). 110 kv johdon vaiheväli on 4 m (Fingrid 2007, s. 1). Simulaattorin mukaan vikavirta on 1. vyöhykkeen suojausalueella 2300 A. Valokaariresistanssiksi saadaan arc2,5*(4m/2,3ka)4,34 Ω. Valokaariresistanssin arvo ei ole riittävän suuri releelle aseteltavaksi vikaresistanssin arvoksi. Vikaresistanssin arvo kannattaa asetella niin suureksi kuin mahdollista suojauksen herkkyyden varmistamiseksi ottaen huomioon kuitenkin kuormituksen aiheuttaman rajoituksen. Käytetään edellä esitettyä kuvaajaa 5.2. hyväksi ja asetellaan resistiivinen

30 27 ulottuma sen avulla. Vikaresistanssin FPP arvoksi saadaan 82,633 Ω. Vyöhykkeen 1 impedanssiasetteluiksi saadaan Z10,8*65*(0,12+j0,40)6,24+j20,8, X1PP20,8Ω, 1PP6,24Ω, FPP82,6333Ω. Asetellaan 2. vyöhykkeen impedanssi arvot siten, että toinen vyöhyke suojaa kokonaan johdon 3-2 ja johdosta 2-1 noin 80 %. mpedanssien asettelussa otetaan huomioon välisyötön vaikutus. Kiskosta 4 kiskoon 2 tulee välisyöttö. Otetaan tämä välisyöttö huomioon 2. vyöhykkeen asetteluissa kappaleessa 4.4 esitettyä tapaa mukaillen. Virralla B kuvataan välisyötöstä tulevaa virtaa ja virralla A releen sijaintipaikan virtaa. Välisyötön muodostama B / A suhde on simulointien perusteella pienimmillään, kun vika on aivan sähköaseman 5 läheisyydessä. Kiskosta 4 kiskoon 2 tulevan virran suhde releen sijaintipaikan virtaan on simulaattorin mukaan B / A (0,159-73,17 ) pu / ( 0,474-17,55) pu 0,335-55,62. Kerrotaan impedanssien arvot varmistukseksi 0,8, jottei aseteltava vyöhyke menisi päällekkäin sähköaseman 2 releen 2. vyöhykkeen kanssa (Application manual ine distance protection terminal E 511*2.5, s. 79). Tällä tavoin pyritään varmistamaan selektiivinen toiminta. Asetellaan resistiivinen ulottuma niin suureksi kuin mahdollista kuormitusrajoitus huomioiden. Vyöhykkeen 2 impedanssiasetteluiksi saadaan Z20,8*0,8*(1,335)*(0,12+j*0,4)*40041,0112+j*136,704, X2PP136,704, 2PP41,0112, FPP82,633. Asetellaan 3 vyöhyke sitten, että se suojaa kokonaan sähköasemien 1 ja 5 välisen johdon ja mahdollisesta seuraavasta johdostakin 10 %. Vikaresistanssi asetellaan taas kuormitus huomioiden. Välisyötön vaikutus otetaan mukaan asetteluiden laskentaan. Z31,335*200*(0,12+j0,4)+200*(0,12+j0,4)*1,158,44+j*194,8 X3PP194,8Ω, 3PP58,44Ω, FPP82,633Ω Taulukossa 5.1. on esitetty sähköaseman 3 releen näkemät Power World ohjelman tietojen avulla lasketut impedanssit kolmivaiheisissa vioissa vikaresistanssiltaan ja kytkentätilanteeltaan vaihtelevissa tilanteissa todellisina arvoina.

31 28 Taulukko 5.1. Simulointien perusteella lasketut impedanssiarvot oikosulkuvioille releen sijaintipaikassa. Vian etäisyys impedanssin avulla ilmaistuna ja kilometreinä Kolmivaiheinen oikosulku (f0) Kolmivaiheinen oikosulku (f10) Kolmivaiheinen oikosulku (f50) Kolmivaiheinen oikosulku (f50) generaattori irti kiskosta ,800+6,000i (15 km) 1,800+5,999i 15,307+1,746i 57,343-11,207i 53,420-4,776i 3,600+12,000i (30 km) 3,603+12,003i 18,225+7,081i 62,778-7,640i 57,519+0,093i 5,400+18,000i (45 km) 5,408+18,013i 21,371+12,299i 68,797-4,427i 61,880+4,936i 7,200+24,000i (60 km) 7,219+24,029i 24,821+17,372i 75,560-1,622i 66,549+9,733i 11,400+38,000i (95 km) 17,654+42,161i 37,666+33,605i 92,245+9,665i 79,044+19,969i 15,600+52,000i (130 km) 28,442+59,895i 52,077+49,159i 111,643+19,607i 94,645+29,966i 19,800+66,000i (165 km) 39,568+77,227i 69,027+64,304i 135,174+28,294i 114,978+40,263i 24,000+80,000i (200 km) 50,992+94,151i 90,318+80,496i 165,268+36,577i 142,749+52,687i 30, ,000i (250 km) 110, ,803i 138, ,773i 189,960+33,190i 168,829+51,522i 36, ,000i (300 km) 170, ,149i 183,112+91,972i 210,073+21,924i 191,638+41,506i 42, ,000i (350 km) 207, ,132i 211,829+70,670i 225,746+7,919i 210,356+28,219i 48, ,000i (400 km) 224,862+82,323i 230,139+49,133i 239,725-5,112i 227,544+16,544i