BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka

Transkriptio

1

2 BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka Maasulkusuojaus Jarmo Partanen

3 Maasulku Keskijänniteverkko on Suomessa joko maasta erotettu tai sammutuskuristimen kautta maadoitettu. pieni virta Oikosulku, suuri virta vaikea havaita suuri virta 3

4 Maasulku Maasulku - pieniä virtoja, vaarallisia kosketusjännitteitä Maasta erotetussa ja sammutetussa verkossa 1-vaihaisen maasulun vikavirralle ei ole pieni-impedanssista kulkureitti, joka oikosulkisi virtapiirin. Vikavirralla on kulkureitti vain johtojen maakapasitanssien kautta. Vikavirta on erittäin pieni (1-200 A) 4

5 Maasulku Maasulkuvirta riippuu yhtenäisen verkon (päämuuntajan syöttämästä) johtopituudesta ja johtolajin maakapasitanssista. Likiarvokaavoja: Avojohto: Esim. 110/20 I f U l kv km A Maakaapeli: I 60 km 20 kv f U l kv km 5 A 20 avojohtoa 4 A 20 kaapelia 240 A Kyseessä yhteispituus (ei runkojohtojen pituus). 5

6 Maasulkuvirta Maasulkuvirta I mf U v 3C 0 jossa C o on verkon maakapasitanssi/vaihe Maasulkuvirta riippuu siis päämuuntajan perässä olevan verkon kokonaispituudesta ja johtojen maakapasitansseista. Kun vikapaikassa on vikaresistanssia I mf 3 1 (3 C o C or f ) 2 U v Ts. vikaresistanssi pienentää jo ennestäänkin pientä vikavirtaa. Suuren vikaresistanssin kautta tapahtuvat viat ovatkin erittäin vaikeita havainnoida. 6

7 Jännitteet maasulun aikana Maasulun aikana muuttuvat verkon kaikkien vaiheiden ja myös tähtipisteen jännite. Vian aikana viallisen vaiheen jännite alenee. Jos R f on nolla, on viallisen vaiheen jännite nolla. Terveiden vaiheiden jännitteet nousevat. Jos R f on nolla, ovat jännitteet pääjännitteen suuruiset Tähtipisteen jännite nousee vian aikana. Jos R f on nolla, on tähtipisteen jännite vaihejännitteen suuruinen U o = U v 7

8 Jännitteet maasulun aikana Maasulun aikana muuttuvat verkon kaikkien vaiheiden ja tähtipisteen jännitteet Vian aikana viallisen vaiheen jännite pienenee. Jos R f on nolla, on viallisen vaiheen jännite nolla. Terveiden vaiheiden jännitteet nousevat. Jos vikaresistanssi on nolla, ovat jännitteet pääjännitteen suuruiset U 3 U v 8

9 Tähtipistejännite Mitä suurempi vikavastus niin sitä pienempi nollajännite. kun R f = niin U o = 0 U o 1 1 ( 3 C Rf) o 2 U v 9

10 Maadoitusjännite, kosketusjännite Mennessään maahan maasulkuvirta kohtaa aina jonkin suuruisen maadoitusresistanssin R e. Tämän seurauksena maasulkupaikan jännite verrattuna äärettömän kaukana olevaan todelliseen maapotentiaaliin nähden nousee arvoon (maadoitusjännite U e ) U e = I e R e Maadoitusjännitteelle on standardissa SFS 6001 määritetty suurimmat sallitut arvot. U k * U emax tp [V] jossa k on asennuksen mukaan määräytyvä kerroin U tp on sallittu kosketusjännite 10

11 Maadoitusjännite, kosketusjännite Maadoitusjännite ei ole sama kuin maasulkupaikassa mahdollisesti olevan henkilön tai eläimen kokema kosketusjännite. 11

12 Maadoitusjännite, kosketusjännite Sallitut kosketusjännitteet ovat Sallittujen kosketusjännitteiden arvot laukaisuajan mukaisesti Laukaisuaika [s] 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 U TP [V] Perustilanteessa kerroin k saa arvon 2 (jakelumuuntamon maadoitukset standardin ohjeen mukaiset) Jos teknisten tai taloudellisten seikkojen takia ei voida saavuttaa tavoitetasoa, voidaan käyttää arvoa k=4. Tällöin jokainen pj-johtohaara on maadoitettava ja muuntamolla potentiaalintasaus Erityisen vaikeissa oloissa voidaan käyttää arvoa k=5. Tällöin muuntamolle on tehtävä potentiaalintasaus ja jokaisella liittymällä pitää olla maadoitus, joka suositellaan yhdistettäväksi rakennuksen pääpotentiaalintasausjärjestelmään 12

13 PJ-verkon maadoitukset 20/0,4 kv 500 m > 200 m = PEN-johtimen maadoitus = PEN-johtimen maadoitus, huonot maadoitusolosuhteet 500 m PJ-muuntopiirin maadoittaminen normaaleissa ja huonoissa maadoitusolosuhteissa. 13

14 Sammutettu verkko Sammutetussa verkossa kytketään päämuuntajan tähtipisteen ja maan väliin sammutuskuristin eli induktanssi, jolla kompensoidaan kapasitiivista maasulkuvirtaa. Jos sammutuskuristimen reaktanssi L on yhtä suuri kuin maakapasitanssien muodostama reaktanssi 1/3C o niin maasulkuvirta I m 0. Käytännössä on aina hieman epäviritystä, tällöinkin maasulkuvirta on hyvin pieni. 14

15 Sammutettu verkko Pienen maasulkuvirran ansiosta maadoitusjännite-vaatimukset on helpompi saavuttaa ja pienivirtainen maasulkuvalokaari sammuu usein myös itsestään (ilman pikajälleenkytkentää). 15

16 Maasta erotettu verkko, sammutettu verkko Maasta erotettu verkko Sammutettu verkko L1 L2 I L1 L2 I C1 L3 C 1 L3 110/21 kv 110/21 kv If a C 2 L1 L2 L3 II L I L R I R If a C 2 L1 L2 L3 II R f R f b b I c 16

17 Sammutettu verkko I mf R f 1 R R 2 2 3C R 2 f R L 3C L U 3 Pienivirtainen maasulkuvalokaari sammuu itsestään Verkon Maasta erotetun Sammutetun verkon nimellisjännite verkon maasulkuvirta jäännösmaasulkuvirta kv A A <

18 Maasulku - esimerkki Esimerkki: Sähköasemalta lähtee viisi kj-lähtöä. Lähtö 1 on avojohtolähtö ja sen kokonaisjohtopituus on 80 km. Lähdöt 2, 3 ja 4 ovat kaapelilähtöjä ja niiden kokonaispituudet ovat 10 km, 15 km ja 0.5 km. Avojohtojen maakapasitanssi/vaihe on 6 nf/km, kaapeleilla vastaava arvo on 320 nf/km. a) Laske maasulkuvirta, kun suora maasulku tapahtuu lähdön 1 alussa b) Laske suurin maasulkuvirta, kun varasyöttötilanteessa lähdön 4 perään on kytketty 100 km avojohtoa ja 5 km maakaapelia c) miten normaalikytkentää vastaavat vikavirta ja nollajännite muuttuvat, kun vikaresistanssi vaihtelee k d) maasulku tapahtuu suojamaadoitukseen, jonka maadoitusresistanssi on 20. Kuinka suuri on maadoituksen yli vaikuttava maadoitus-jännite. Kuinka maadoitusjännite muuttuu, jos maadoitusta parannetaan siten, että sen resistanssi on 5. e) minkä suuruinen induktanssi tähtipisteeseen on kytkettävä, jos verkon kapasitiivinen maasulkuvirta halutaan kompensoida (sammutus) 18

19 2-vaiheinen maasulku, vikavirtapiiri 2-vaiheinen oikosulku maan kautta vikavirta yleensä suuri (vaikeasti laskettavissa), kulkee maassa siellä, missä johtavuus suurin (vesijohtoputket, kaapelien vaipat, ymv.) suuria jännite-eroja maastossa esim. vesijohtoputkien ja telekaapelien välillä, seurauksena läpilyöntejä ja merkittäviä vaurioita 19

20 2-vaiheinen maasulku, esiintyminen Maasulkupaikat eri paikassa, mahdollisesti hyvinkin kaukana toisistaan Ensin yleensä 1-vaiheinen maasulku, jonka seurauksena terveiden vaiheiden jännitteet nousevat pääjännitteen suuruisiksi Edellä mainitun seurauksena viallinen venttiilisuoja tai kaapelipääte lyö läpi Kaksivaiheinen maaoikosulku (yksi vikapaikka) ei yleensä aiheuta ongelmia (2-vaiheinen oikosulku) 20

21 2-vaiheinen maasulku, esimerkki 21

22 Keskijänniteverkon maasulkusuojaus Mahdollisia maasulun havainnointikriteerejä: perustaajuinen tähtipistejännite avokolmiomittaus perustaajuinen summavirta virtamuuntajien summakytkentä tai kaapelivirtamuuntaja vaihejännitteen muutos; ei käytössä käyttötaajuinen ylijännite suurtaajuiset muutosvirrat; ei käytössä viallisen vaiheen maakapasitanssi purkautuu terveiden vaiheiden maakapasitanssit latautuvat nopea mutta laukaisu ohimenevästäkin viasta virran ja jännitteen yliaallot; ei käytössä 22

23 Keskijänniteverkon maasulkusuojaus Käytetään suunnattuja maasulun suuntareleitä Toimintaehdot: summavirta > asetusarvo tähtipistejännite > asetusarvo virran ja jännitteen välinen vaihesiirtokulma 90 o 75 o maasta erotetussa verkossa 0 o 75 o sammutetussa verkossa Käytössä on myös jonkin verran vanhoja tehonsuuntareleitä: U o *I o > Q as (U o *I r > P as ) 23

24 Keskijänniteverkon maasulkusuojaus Selektiivisen maasulkusuojauksen järjestämiseksi tarvitaan sekä nollavirran että nollajännitteen mittausta. Nollavirran I v mittaus: I v 3C 0 3C 3C 0 0 j I mf 24

25 Keskijänniteverkon maasulkusuojaus 25

26 Keskijänniteverkon maasulkusuojaus L1 L2 I L1 L2 I C 1 L3 C1 L3 110/21 kv 110/21 kv I f a C 2 L1 L2 L3 II L I L R I R If a C 2 L1 L2 L3 II Rf R f b b I c 26

27 Maasta erotettu verkko Releen toimintakarakteristika 27

28 Sammutettu verkko Releen toimintakarakteristika 28

29 Maasulkusuojauksen suunnittelu Suojauksen toimivuuden kannalta kiinnostavimpia ovat pienimmät esiintyvät: nollavirrat (suuri vikaresistanssi, vähän verkkoa) tähtipistejännitteet (suuri vikaresistanssi, paljon verkkoa) Maadoitusjännitevaatimusten kannalta tärkeitä ovat: suurin maasulkuvirta maasulun kestoaika (aikoja ei summata jälleenkytkennöissä) Maasulun itsestään sammumisen ja vian paikannuksen kannalta maasulun kestoajan tulisi olla mahdollisimman pitkä 29

30 30 Maasulkusuojauksen suunnittelu Laskentakaavat maasta erotettu verkko: sammutettu verkko: U R C C I v f o o mf 2 ) (3 1 3 U R C U v o f o ) ( U C C I v o o f o f o o mf L R R R R L R ) 1 (3 ) ( ) 1 (3 1 mf o o I o R L C U ) 1 (3 2 2 ) (1/ 1

31 Maasulkusuojauksen suunnittelu Tähtipisteen jännite 31

32 Maasulkusuojauksen suunnittelu Esimerkki: Suunnittele kuvan mukaiselle verkolle maasulkusuojauksen asetteluarvot. Suojauksen tulee toimia selektiivisesti 500 vikaresistanssin kautta syntyvässä maasulussa aina, kun vähintään kaksi lähtöä on kytkettynä. Avojohdon maakapasitanssi on 6.0 nf/km,vaihe. Maakaapelin (AHXAMK-W 120 mm 2 ) maakapasitanssi on 230 nf/km,vaihe. Avojohtoa 80 km Maakaapelia 14 km 110/20 kv Maakaapelia 21 km Maakaapelia 0,7 km 32

33 Maasulkusuojauksen suunnittelu Käytetään suunnattuja maasulun suuntareleitä: toimintaehdot: summavirta > asetusarvo tähtipistejännite > asetusarvo virran ja jännitteen välinen vaihesiirtokulma 90 o 75 o maasta erotetussa verkossa 0 o 75 o sammutetussa verkossa Käytössä on myös jonkin verran tehonsuuntareleitä: U o *I o > Q as (U o *I r > P as ) 33

34 Maasulkusuojauksen haasteet Suuri-impedanssiset maasulut kun vikavastus on suuri (esim. puu johdolla tai johdon kylmäpää maassa), R f > 10 kohm, ovat sekä maasulkuvirta, että tähtipistejännite hyvin pieniä. vikojen havainnointi on vaikeata nykytekniikallakin! indikointimenetelmiä: tähtipistejännitteen muutosten seuranta osittaispurkausmittaukset transienttireleet mittausten vieminen syvälle verkkoon (pieni virran epäsymmetria helpompi havaita) 34

35 Maasulkusuojauksen haasteet 35

36 Maasulkusuojauksen haasteet 36

37 Maasulkusuojauksen haasteet 37

38 Maasulkusuojauksen haasteet 38

39 Maasulkusuojauksen haasteet 39

40 Maasulkusuojauksen haasteet 40

41 Maasulkusuojauksen haasteet 41