HENRI WIRÉN JOHTOSUOJAT JA NIIDEN KÄYTTÖ SIIRTOJOHTOJEN YLIJÄNNITTEIDEN HALLINNASSA. Diplomityö

Transkriptio

1 HENRI WIRÉN JOHTOSUOJAT JA NIIDEN KÄYTTÖ SIIRTOJOHTOJEN YLIJÄNNITTEIDEN HALLINNASSA Diplomityö Tarkastajat: TkT Kari Lahti, Dos. Kari Kannus Tarkastajat ja aihe hyväksytty tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 7. huhtikuuta 2010

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma WIRÉN, HENRI: Johtosuojat ja niiden käyttö siirtojohtojen ylijännitteiden hallinnassa Diplomityö, 50 sivua Toukokuu 2010 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastajat: TkT Kari Lahti, Dos. Kari Kannus Avainsanat: Johtosuoja, Ylijännite, Siirtoverkko Siirtoverkossa yksi merkittävimmistä häiriöiden aiheuttajista ovat ukkoset, joiden seurauksena syntyneet suorat iskut sekä takaiskut johtimille aiheuttavat verkkoon jänniterasituksia, jotka purkautuvat maasulkuun johtavina ylilyönteinä, vaiheiden välisinä oikosulkuina tai molempien yhdistelmänä. Yleisesti vikojen poistokeinona käytetty pikajälleenkytkentä aiheuttaa lähdöllä toimituskeskeytyksen ja ympäröivään verkkoon leviävän jännitekuopan. Erityisesti kaksoisjohdoilla esiintyvät molempien virtapiirien laukeamiset ovat erittäin haitallisia. Näistä häiriöistä kärsii erityisesti prosessiteollisuus, jonka moottorikäyttöjen alasajot ja laiterikot voivat johtaa merkittäviin kustannuksiin. Metallioksidisuojien halpenemisen ja kevyemmän rakenteen ansiosta suojia on alettu käyttämään 1990-luvun alkupuolelta alkaen siirtoverkon laitesuojauksen lisäksi myös verkon suojaukseen. Verkkoon asennettavia suojia kutsutaan johtosuojiksi ja ne koostuvat joko kipinävälin ja metallioksidisuojan sarjaankytkennästä tai pelkästä metallioksidisuojasta. Tässä työssä näistä suojista käytetään nimitystä kipinävälillinen tai kipinävälitön johtosuoja. Johtosuojat tarjoavat oikein asennettuina ja mitoitettuina ylijännitteen aiheuttamalle virralle matalaimpedanssisen tien maahan siten että verkon toiminta ei häiriinny. Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa johtosuojauksen nykytilaa ja selvittää niitä tekijöitä jotka vaikuttavat suojauksen suunnitteluun. Työ koostuu kirjallisuusselvityksestä, jossa ensin tarkastellaan siirtoverkossa esiintyviä merkittävimpiä ylijännitelajeja, minkä jälkeen käydään läpi johtosuojien rakennetta ja mitoitusta. Luku 4. käsittelee ylijännitteiden hallinnan keskeisimpiä keinoja ja esittelee matemaattisen tarkastelutavan ylilyöntitiheyden määrittämiselle ja lopuksi tutustutaan johtosuojien käyttökokemuksiin kolmen eri tapauksen kautta. Tarkastelun tuloksena voidaan todeta, että johtosuojien käyttö tarjoaa tehokkaan tavan katkojen rajoittamiseen ja ylijännitteiden entistä parempaan hallintaan. Yksinkertaista ratkaisua johtosuojat eivät kuitenkaan tarjoa vaan suojaus koostuu aina eri tekijöiden summana, jossa tulee huomioidaan ukkosköysien, maadoituksen, pylväiden ja paikallisen salamatiheyden vaikutus kokonaisuuteen.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Energy Engineering WIRÉN, HENRI: Usage of line surge arresters to control overvoltages in transmission lines. Master of Science Thesis, 50 pages May 2010 Major: Electrical Power Engineering Examiners: Dr.Tech. Kari Lahti, Docent Kari Kannus Keywords: Line Surge Arrester, Overvoltage, Transmission network Lightning is a major cause of faults on typical transmission lines. Typically faults caused by lightning fall in two categories: direct strike to a line (shielding failure) or back flashover from a tower to a line. These faults may cause momentary or permanent interruptions on transmission circuits. When the fault is cleared by a circuit breaker or a recloser, the circuit may be successfully reclosed. In the past, this was acceptable but now with the proliferation of sensitive loads, momentary interruptions are a major concern. Moreover, if a flashover occurs on both circuits of a double circuit transmission line, the impact can be very detrimental. Line surge arresters fall in two broad design categories as follows: gapless arresters (Non Gapped Line Arrester or NGLA) and series-gapped arresters (Externally Gapped Line arrester or EGLA). Since the early 1990 s cost effective and light weight arresters have been available for installation on transmission lines. These arresters function as high impedance components at normal operating voltages and become low impedance components during lightningsurge conditions. The arrester conducts surge current to the ground while limiting the voltage on the equipment. This thesis discusses the application of arresters on transmission lines to improve the lightning flashover rate. The content is divided into following chapters: In the first part different overvoltages in transmission lines are discussed in detail, which is then followed by a description of line surge arresters and rating of them. In the fourth part different design methods and applications of the line surge arrester installations are discussed. Moreover, a mathematical method to calculate the total flashover rate of lines is introduced. Finally three different cases of line arrester applications are introduced. In conclusion, arresters can be an effective means for transmission line flashover reduction. It is possible to design and build effective line arrester installation by taking into account only ground resistance, ground wires and areal lightning distribution. Moreover normally only a small part of a line is struck by a lightning and hence it s cost-effective to calculate the optimal line arrester population installation for the line. Most importantly shielding of a transmission line against overvoltages is always sum of all the countermeasures including grounding, earth wires, tower design and line arresters.

4 IV ALKUSANAT Tämä työ on tehty opinnäytteeksi Tampereen teknillisen yliopiston sähköenergiatekniikan laitokselle. Työn ohjaajina ja tarkastajina ovat toimineet TkT Kari Lahti ja dosentti Kari Kannus. Haluan kiittää molempia tärkeistä kommenteista ja kannustavasta ilmapiiristä, joka on auttanut jaksamaan. Suuri kiitos myös rakkaalle Kaisalle sekä kotiväelle tuesta ja kannustuksesta näiden vuosien aikana.

5 V SISÄLLYS 1. JOHDANTO YLIJÄNNITTEET SIIRTOJOHDOILLA Luokittelu Pientaajuiset ylijännitteet Jyrkät transienttiylijännitteet Ukkosen aiheuttamat viat ja häiriöt Suomen siirtoverkossa Suora isku vaihejohtimeen Takaisku Indusoituva ylijännite Loivat transienttiylijännitteet JOHTOSUOJIEN RAKENNE JA MITOITUS Kipinävälitön johtosuoja NGLA (Non Gapped Line Arrester) Vikaantuneen suojan erotus Kipinävälillinen johtosuoja EGLA (Externally Gapped Line Arrester) Metallioksidisuojan mitoitus ja ominaissuureet Suojan toiminta Johtosuojan kipinävälin jännitelujuus ILMASTOLLISTEN YLIJÄNNITTEIDEN HALLINTA Siirtojohdon eristyskoordinaatio Ilmastollisten ylijännitteiden hallinnan parantaminen siirtojohdoilla Uusi johto Johdon reititys Maaperän resistiivisyys Luonnollinen suojaus Ukkosköydet Eristys Pylvään maadoitusimpedanssi Eri eristystasojen käyttö monijohtimilla Olemassa olevan siirtojohdon ukkossuojauksen parantaminen Maadoitusresistanssin vaikutus Johtosuojien vaikutus Johtosuojien kannattavuuden laskennallinen arviointi Salaman parametrit Ylilyöntitiheyden määritys Maadoitusresistanssin mallinnus JOHTOSUOJIEN KÄYTTÖKOKEMUKSET Tapaus 1, Venäjän ja Suomen välisen kaksoisjohdollisen 400 kv järjestelmän suojaus kipinävälittömillä johtosuojilla Tapaus 2, Nelijohdollisen järjestelmän suojauksen parantaminen kipinävälillisillä johtosuojilla... 40

6 5.3. Tapaus 3, 123 kv johdon suojaus kipinävälittömillä johtosuojilla YHTEENVETO LÄHTEET VI

7 VII TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT U ref Referenssijännite U m Laitteen maksimi käyttöjännite k p.u. Maasulkukerroin Suhteellisarvo (Per unit) Nordel Vuosina toiminut pohjoismaisten kantaverkkoyhtiöiden yhteistyöjärjestö. Entso-E Vuonna 2009 toimintansa aloittanut eurooppalaisten kantaverkkoyhtiöiden yhteistyöjärjestö. (European Network of Transmission System Operators for Electricity) U r Mitoitusjännite U c Suurin sallittu jatkuva käyttöjännite U s Suurin käyttöjännite I n Nimellispurkausvirta u res Jäännösjännite IEC MO International Electrotechnical Comission Metallioksidi TOV Käyttötaajuisen ylijännitteen sieto ajan funktiona (Temporary overvoltage) ρ NGLA Ominaisresistanssi Kipinävälitön johtosuoja (Non Gapped Line arrester) EGLA Kipinävälillinen johtosuoja (Externally Gapped Line Arrester)

8 VIII U w Eristystaso U cw Koordinaatiokestotaso U rp Edustava ylijännite U rw Vaadittava kestotaso k c Koordinaatiokerroin K Säätekijät ja laitteen asennuspaikan korkeuden merenpinnasta huomioiva kerroin D jθk Tarkasteltavalle elementille j osuvat salamaniskut jotka johtavat ylilyöntiin vaihekulman arvolla θ k I f Salamavirran amplitudi M Vaihekulmien kokonaismäärää N j Keskimääräinen salaman iskutiheys tarkasteltavalla elementillä j P j Salaman iskutodennäköisyys elementille j N g Paikallinen maasalamatiheys T d Ukkospäivien lukumäärä vuodessa (kerauninen tao) R T Maadotusresistanssi ionisoituneena R 0 Maadoitusresistanssin arvo alhaisella taajuudella mitattuna I g Maan ionisoitumiseen johtava virta E 0 Maan ionisoitumiseen johtava kentänvoimakkuus

9 1 1. JOHDANTO Yhteiskunnan sähköriippuvuus on kohonnut jo lähes niin suureksi, että häiriöt sähkönjakelussa voivat lamauttaa arjen toiminnot täysin. Keskeiset näistä kuten veden jakelu, likaveden käsittely, polttonesteiden jakelu, tietoliikenne ja lämmitys ovat melkein täysin sähköstä riippuvia. Näiden toimintojen varassa toimivat terveydenhuolto, teollisuus sekä kotitaloudet ovat tulleet yhä kriittisemmiksi sähkön käyttövarmuuden suhteen. Sähkön siirron ja toimituksen on oltava entistä tehokkaampaa ja luotettavampaa. Suurin osa siirtoverkon häiriöistä aiheutuu ylijännitteistä, jotka voivat syntyä ilmastollisista tekijöistä, verkon sisäisistä vioista tai tilanmuutoksista. Johdolle syntynyt ylijännite purkautuu joko maasulkuna tai vaiheiden välisenä oikosulkuna tai molempien yhdistelmänä. Vian poistokeinona käytetty pikajälleenkytkentä aiheuttaa lähdölle aina toimituskeskeytyksen ja saman kiskon muille lähdöille lyhytkestoisen jännitekuopan. Moottorikäyttöjä sisältävälle teollisuuskuormalle jo lyhyet katkokset sekä jännitekuopat voivat aiheuttavaa merkittäviä taloudellisia haittoja keskeytyksien ja laiterikkojen muodossa. Tämän lisäksi tiukentuneiden sähkön laatumääräysten ja ylijännitesuojien laadun sekä teknisen kehityksen ja hinnan alenemisen myötä, on tullut järkeväksi tutkia ylijännitteiden entistä parempaa hallintaa siirtoverkkotasolla. Asiakkaalle sähkön laadun heikkenemisestä aiheutuneiden kustannuksien minimoinnin lisäksi suojien entistä paremmat suojaustasot mahdollistavat kompaktimman johtorakenteen. Ylijännitteiden laadukkaampi kontrollointi sekä laite- että järjestelmätasolla on merkittävässä osassa verkon eristyskoordinaation mitoituksessa. Siirtoverkon eristysrakenteet muodostavat huomattavan osan verkon hankintakustannuksista ja siksi niiden optimaalinen mitoittaminen turvallisuuden ja käyttövarmuuden ohella tasolle, joka on taloudellisesti hyväksyttävää, on ensiarvoisen tärkeää.

10 2 Virtaa rajoittavat Metallioksidiylijännitesuojat (MO-suojat) ilmestyivät markkinoille 1970-luvulla ja siitä lähtien niitä on käytetty laajamittaisesti keskijänniteverkon laitteiden ylijännitesuojauksessa. Perinteisten virtaa rajoittamattomien kipinävälityyppisten suojien ja kipinävälillisten piikarbidisuojien rinnalla MO-suojat ovat osoittaneet paremmuutensa kestävyyden, toimintavarmuuden ja energianpurkauskyvyn alueilla. Laitesuojauksen lisäksi niitä on 80-luvun lopulla alettua käyttämään myös johtojen suojaukseen estämään eristimillä tapahtuvia ylilyöntejä ja myös näistä kokeiluista on saatu positiivisia tuloksia. Erityisesti Japanissa on suoritettu laajamittaisia johtosuojien asennuksia siirtoverkkoon. Tämän työn tavoitteena on tehdä kirjallinen selvitys siirtoverkon jännitetasolle asennettujen johtosuojien käyttökokemuksien ja tutkimusten tuloksista ja arvioida niiden pohjalta johtosuojauksen menetelmiä ja käyttöä.

11 3 2. YLIJÄNNITTEET SIIRTOJOHDOILLA Tässä työssä siirtojohdoista puhuttaessa viitataan vähintään 123 kv sähköverkkoihin. Ylijännitteet aiheutuvat siirtojohdoilla yleensä joko ilmastollisista ylijännitteistä tai verkon sisäisistä tekijöistä kuten vaihevioista, kytkentätoimenpiteistä, ferroresonanssista ja kuorman irtoamisesta. Näiden tekijöiden seurauksena siirtoverkkoon syntyneet ylijännitteet aiheuttavat oiko- sekä maasulkuja, joiden poistokeinona käytetty pikajälleenkytkentä aiheuttaa lähdölle toimituskeskeytyksen tai lyhytkestoisen jännitekuopan. Jo pienetkin poikkeamat sähkön laadussa saattavat olla erittäin haitallisia moottorikäyttöjä sisältäville teollisuuskuormille, kuten paperi- ja kemianteollisuuden prosesseille. Seuraavissa kappaleissa tutustutaan eri ylijännitelajien luokitteluun ja syvennytään tarkemmin siirtojohtojen jännitetasolla merkittäviin ylijännitteiden aiheuttajiin Luokittelu Ylijännitteeksi luokitellaan jännite, joka ylittää eristysrakenteen referenssiarvon. Vaihemaa välille referenssiarvo (U ref ) saadaan laskemalla vaihejännitteen huippuarvo suurimmasta käyttöjännitteen arvosta (U m, Highest voltage for equipment). = 2 3 Vaihevälille vastaava pääjännitteen huippuarvo on: (2.1) = 2 (2.2) U m on suurilla siirtojännitteillä verkon maksimi käyttöjännite. [1] Eristeen jännitelujuus riippuu jänniterasituksen ajallisesta vaihtelusta eli muodosta. Jännitteen muoto on keskeinen suure ja sille on määritelty oheisen listan mukaiset ylijännitelajit, joiden nimet kuvaavat kunkin ylijännitelajin aaltomuotoa.[1] Pientaajuiset ylijännitteet Loivat transienttiylijännitteet Jyrkät transienttiylijännitteet Erittäin jyrkät transienttiylijännitteet

12 4 Jokaiselle luokalle on sovittu oma koejännitteen muoto, jonka avulla voidaan testata uutta laitetekniikkaa tai siirtojännitteen noston vaikutuksia. On huomioitava, että koejännitteiden avulla voidaan ainoastaan mallintaa suuntaa-antavasti verkossa tapahtuvia jänniterasituksia. Uuden laitetekniikan käyttöönotto tai siirtojännitteen nosto voivat aiheuttaa tilanteita joissa standardin mukaiset koejännitteet eivät riitä kuvaamaan verkossa tapahtuvia jänniterasituksia. [1] Pientaajuisille ylijännitteille ominaista on niiden pitkäkestoisuus ja värähtelevyys. Ne syntyvät yleensä verkon tilanmuutoksista, kuten mm. kytkentätoimenpiteen tai vian aiheuttamasta katkaisijatoiminnasta. Muut ylijännitemuodot ovat nimensä mukaisesti hetkellisiä ja suhteellisen nopeasti vaimenevia. Loivat transienttiylijännitteet syntyvät yleensä kuten pientaajuiset ylijännitteet, mutta niiden kesto on millisekuntien luokkaa. Jyrkät transienttiylijännitteet syntyvät yleensä ilmastollisten ilmiöiden seurauksena. Erittäin jyrkät ylijännitteet ovat 0,1 µs luokkaa ja niiden muoto ja kesto sovitaan laitekohtaisesti. Ylijännitteet aiheutuvat moninaisista syistä ja tietyn tapahtuman perusteella voi syntyä hyvin erilaisia ylijännitemuotoja. On siis perusteltua tarkastella ylijännitteitä aiheuttajaperäisesti. Eristyksen mitoituksessa on otettava huomioon ylijännitteen amplitudin ja muodon lisäksi myös kunkin luokan aiheuttajan esiintymistiheys. [1] 2.2. Pientaajuiset ylijännitteet Transienttiylijännitteistä poiketen pientaajuiset ylijännitteet ovat jaksollisia ja pitkäaikaisia, tämän lisäksi niiden yhteydessä esiintyy useimmiten myös loivia transienttiylijännitteitä. Ylijännitteiden aiheuttajia ovat maasulku, kuorman irtikytkeytyminen, resonanssit, vajaanapaiset kytkennät, generaattorien itseherätys ja Ferranti-ilmiö. Suomessa pientaajuisten ylijännitteiden merkittävimpiä aiheuttajia 420 kv siirtoverkossa ovat maasulut. [1] Maasulku Yksivaiheinen maasulku aiheuttaa terveiden vaiheiden jännitteennousun käyttötaajuisena vaihe-maa-eristysvälissä. Kohonneen jännitteen suuruus on riippuvainen verkon maadoitustavasta, vikapaikan sijainnista ja vikaimpedanssista. Maadoitustapana voidaan käyttää maasta erotettua, sammutettua ja joko suoraan tai impedanssin kautta maadoitettua verkkoa. Maasulkukertoimella ilmoitetaan terveissä vaiheissa vaikuttavan ylijännitteen suuruus p.u.-arvona. Tehollisesti maadoittamalla voidaan alentaa eristysmitoitusta ja näin on esimerkiksi tehty Suomen 420 kv kantaverkossa, jonka maasulkukerroin on k 1,4. Pienen impedanssin kautta tai suoraan maadoitetuissa verkoissa maasulkukerroin on k 1,4, kun taas maasta erotettujen tai sammutettujen verkkojen tapauksessa se voi olla suurimmillaan 1,8 p.u..[1]

13 5 Kestoaikana voidaan pitää vian syntymisestä laukaisuun kuluvaa aikaa, joka tyypillisesti tehollisesti maadoitetuilla verkoilla on alle 1 s luokkaa ja sammutetuissa verkoissa alle 10 s luokkaa. Suomessa 420 kv ja 245 kv verkot ovat tehollisesti maadoitettuja, mutta 123 kv verkko ei ole[2]. Maasulun aikaansaamat ylijännitteet eivät yleensä ylitä eristyksen kestoisuuksia, mutta pitkähkö käyttö vikaa vastaan rasittaa eristyksiä ja lisäksi kaksoismaasulun mahdollisuus heikentää järjestelmän luotettavuutta.[1] Ferranti-ilmiö, johdon jännitteenanto ja kuormituksen irtikytkeytyminen [1] Kuormituksesta ja syöttävän johdon pituudesta riippuvan jännitehäviön katoaminen johdolta aikaansaa jännitteen nousun johdon loppupäässä. Jännitehäviön katoamisen lisäksi jännitteen nousua lisää generaattorien kiihtyminen sekä johdon varausvirta. Syntynyt ylijännite on vaiheiden sekä maan ja vaiheen välillä symmetrinen ja kolmivaiheinen. Jännitteennousu saattaa olla erityisen suuri kuormituksen irrottua, mikäli verkkoon jää irtoamisen jälkeen huomattavasti kapasitiivista kuormaa. Esimerkiksi 420 kv avojohdon päässä ylijännitteen aiheuttaa kapasitiivinen virta johtoa syöttävän verkon oikosulkuimpedanssissa yhdessä Ferranti-ilmiön kanssa. Varausvirran aikaansaamaa jännitteennousua voidaan kompensoida reaktoriteholla. Kuormittamattoman johdon jännitteenannossa pitkä johto voi joutua resonanssiin verkon oikosulkuimpedanssin kanssa aiheuttaen ylijännitteen, mikäli johdon varaustehoa ei kompensoida. Siirtoverkossa johdon varaustehoa voidaan kompensoida muuntajien tetriäärikäämitykseen kytketyillä reaktoreilla. Näin on esimerkiksi tehty Suomen 420 kv verkossa. Ferranti-ilmiössä johdon kapasitiivinen varausvirta nostaa tyhjäkäyvän siirtojohdon jännitettä sen avointa päätä kohden, koska varausvirta aiheuttaa johdon reaktanssissa negatiivisen jännitehäviön. Resonanssit muodostuvat verkon eri komponenttien kapasitiivisten ja induktiivisten piirien välille. Piirit saattavat joutua resonanssitilaan esimerkiksi yliaaltolähteen syöttämällä taajuudella. Resonansseja esiintyy vain silloin, kun verkon vaimennus on pieni, kuten esimerkiksi silloin kun verkko on heikosti kuormitettu. Ferroresonanssi eli kippivärähtely ilmenee esimerkiksi tehollisesti maadoitetussa järjestelmässä olevan maadoittamattoman tehomuuntajan ensiö- ja toisiokäämien välisen kapasitanssin ja alajännitepuolen kiskoston kapasitanssin sekä vaihe-maaväliin kytkettyjen jännitemuuntajien kanssa. Kippivärähtelyä pyritään vähentämään pitämällä

14 6 verkon kapasitanssi aina kippivärähtelyalueen vaatimaa suurempana tai lisäämällä värähtelypiiriin vaimennusta Jyrkät transienttiylijännitteet Salamapurkaus tapahtuu joko ukkospilvien välillä tai maahan ulottuvana maasalamana, joka voi olla polariteetiltaan positiivinen tai negatiivinen. Sähköverkkojen kannalta kriittisimpiä ovat positiiviset maasalamat, joita tyypillisesti on noin 10 % salamoista. Niitä esiintyy yleensä syys-, kevät- ja talviukkosissa ukkosmyrskyn loppuvaiheessa. [3] Jyrkät transienttiylijännitteet voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään niiden syntymekanismin perusteella: Suora isku vaihejohtimeen Salamanisku joko ukkosköyteen tai pylvääseen ja sen jälkeinen takaisku vaihejohtimeen Isku johtimen läheisyyteen, joka aiheuttaa salamaylijännitteen indusoitumisen vaihejohtimeen (merkitsevä vain alle 52 kv verkoissa) Syntyneeseen salamaylijännitteen transienttiaallon muotoon vaikuttavat salamavirran aallon amplitudi, jyrkkyys sekä polariteetti, pylvään sekä johdon aaltoimpedanssi, pylvään maadoitusimpedanssi ja johdon eristyksen ylilyöntijännite.[4] Ukkosen aiheuttamat viat ja häiriöt Suomen siirtoverkossa Entso-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity), entinen Nordel kuuluu tähän järjestöön, pitää pohjoismaisten siirtoverkkoyhtiöiden johtovikojen aiheuttajista tilastoa. Erittäin suuri osa siirtoverkon vioista aiheutuu ukkosesta, kuten on nähtävissä taulukosta Vuosien välillä ukkosesta aiheutuneiden vikojen keskiarvo 420 kv verkolle on 77 % ja suurin osa kaikkien jännitetasojen tuntemattomista vioista on hyvin todennäköisesti ukkosperäisiä. [5] Taulukko 2.1. Suomen kantaverkon johtovikojen syyt (%) vuosien ajalta. [5] pysyvät viat 1-vaiheiset Tuntematon Muut Laitteet Kunnossapidon aiheuttamat Ulkop.aiheutt. Muut luonnonilmiöt Ukkonen (kpl/100 km) Viat 2008 (kpl) Pituus (km) Jännite 420 kv ,18 0,24 76,5 8,2 0,0 3,1 2,0 4,1 6,1 51,0 4,1 245 kv ,50 0,70 43,1 3,6 3,6 0,6 0,6 1,2 47,4 68,0 3,5 123 kv ,70 1,85 41,6 3,9 1,9 1,4 0,5 0,8 49,8 76,5 2,5

15 7 Vikojen seurauksena toimittamatta jäänyt sähkö oli vuonna 2008 Fingridin verkossa kokonaisuudessaan 150 MWh, josta suurin osa (95 %) kohdistui 123 kv jännitetasolle. Vaikka ukkosesta aiheutuneet viat ovat suurin yksittäisten vikojen aiheuttaja, niiden seurauksena toimittamatta jääneen sähkön osuus on vain muutaman prosentin luokkaa (kuva 2.1.). Toisaalta suurin osa tuntemattomista vioista on todennäköisesti ukkosperäisiä, jolloin osuus nousee jo noin 20 prosenttiin. Ulkopuoliset ja muut viat ovat samaa luokkaa, kun taas kunnossapidon toimista aiheutunut osuus on noin 35 %. Suurin osa vioista jotka ovat tunnistetusti aiheutuneet ukkosesta selviävät siis yleensä pikajälleen- tai aikajälleenkytkennällä. [5] Kuva 2.1. Toimittamatta jäänyt sähköenergia vikatyypin mukaan [5] Suora isku vaihejohtimeen Negatiivisen maasalaman suora isku vaihejohtimeen aiheuttaa MV luokkaa olevan ylijännitepulssin, jonka rinnan nousuaika on noin 1-8 µs ja selän puoliarvoaika µs. Vastaavat positiivisen maasalaman arvot ovat suurempia ja näin ollen ne rasittavat sähköverkkoa huomattavasti enemmän. Suomessa negatiivisten iskujen huippuarvojen keskiarvot ovat olleet ka ja positiivisilla n ka luokkaa. Suurimmillaan virrat voivat nousta negatiivisilla 100 ka ja 250 ka positiivisilla. [3] Negatiivisille maasalamoille on yleistä iskujen kerrannaisuus yhden salamanlyönnin aikana, kun taas positiivisilla maasalamat sisältävät yleensä vain yhden iskun. Negatiivisten iskujen keskimääräinen kerrannaisuus Suomessa on ollut kaksi, mutta myös yli 10 kerrannaisuuksia on mitattu. Tämä on erityisesti huomioitava silloin, kun

16 8 arvioidaan ylijännitesuoja rasittumista peräkkäisten toimintojen seurauksena. [3] Suomen siirtoverkon kaikki 420 kv avojohto-osuudet on suojattu ukkosköysin, joten suora isku vaihejohtimeen on erittäin epätodennäköinen Takaisku Takaisku voi tapahtua, kun salama osuu johdon maadoitettuun osaan, kuten pylväälle tai ukkosköyteen. Salamavirran ollessa riittävän suuri ja maadoitusolosuhteiden ollessa huonot voi salamavirran ja resultoivan maadoitusimpedanssin tulo ylittää johdon jännitelujuuden jolloin tapahtuu ylilyönti maadoitetusta osasta vaihejohtimeen eli takaisku. Takaiskun syntymiseen vaikuttavat muun muassa pylvään impedanssi, vaihtojännitteen hetkellisarvo iskuhetkellä ja heijastukset. Takaiskusta aiheutuneen syöksyaallon amplitudi on noin 1 1,2 kertainen johdon eristimien positiivisen polariteetin ylilyöntijännitteeseen nähden. Ylijännitepulssin jyrkkyys (nousunopeus) on riippuvainen takaiskun etäisyydestä. Se vaimenee kääntäen verrannollisesti etäisyyden d (km) funktiona yksivaiheisella johtimella noin 700/d kv/µs ja nippujohtimilla 1700/d kv/µs. Jyrkkyydet vaihtelevat yleensä 500 kv/µs ja 2000 kv/µs välillä. Pulssi on muodoltaan jyrkkä, nousuaika luokkaa 0,5-2 µs ja pulssin selän puoliarvonaika on lyhyt 5-15 µs. [3,4] Indusoituva ylijännite Salaman iskiessä johtorakenteiden välittömään läheisyyteen syntyy sähkömagneettisen induktion kautta johdolle ylijännite. Induktion kautta syntyneet ylijännitteet ovat merkityksellisiä lähinnä keskijänniteverkossa, joissa ylijännitteen amplitudi on suhteellisen suuri verrattuna käyttöjännitteeseen Loivat transienttiylijännitteet Loivat transienttiylijännitteet aiheutuvat yleensä tilamuutosten tai vian seurauksena. Ne ovat merkitsevä mitoitustekijä yli 115 kv järjestelmille sekä suojan pisteestä katsottuna alhaisen aaltoimpedanssin omaaville järjestelmille kuten esimerkiksi kaapeleille ja kondensaattoriparistoille[4]. Pidemmän kestonsa vuoksi ne voivat olla energiasisällöltään suurempia kuin ukkosylijännitteet. Tästä johtuen ne ovatkin Suomen kantaverkon 420 kv jännitetasolla erityskoordinaation kannalta tärkein ylijännitetyyppi. Siirtoverkon tasolla kipinävälilliset suojat mitoitetaan yleensä niin, että kytkentäylijännitteet eivät aiheuta suojan toimintaa.

17 9 Loivien transienttiylijännitteiden tärkeimmät ominaisuudet [1]: Ilmaeristeisen eristysrakenteen jännitelujuuden minimi saavutetaan kytkentäsyöksyjännitteen pulssimuodolla Ylijännitteen suuruus on riippuvainen verkkotilanteesta ja jännitetasosta. (Merkitys kasvaa vasta jännitetason kasvaessa.) Riippuvuus jännitteen ja virran hetkellisarvoista. Huippuarvot ovat tilastollisia suureita Kytkentäylijännitteet ovat suuruudeltaan verrannollisia verkon jännitetasoon sekä kytkettävän johto-osuuden pituuteen. Lisäksi ne ovat riippuvaisia kytkentähetkellä johdolla olevasta jäännösvarauksesta, joka pahimmillaan voi olla suurempi kuin 1 p.u., jolloin ylijännitteen suuruus voi olla yli 3 p.u.. Yli 245 kv järjestelmissä on kiinnitettävä huomiota siihen, että muuntajien alemman jännitetason ylijännitesuojien suojaustason on syytä olla p.u. arvoltaan suurempi kuin ylemmän tason. Tällöin alemman portaan suojat eivät reagoi ylemmän jänniteportaan kytkentäylijännitteisiin. [4] Suurimpia ylijännitteen aiheuttajia 420 kv verkossa on tyhjäkäyvän johdon kytkeminen jännitteelliseksi ja erityisesti pikajälleenkytkentä. Ylijännite aiheutuu jännitteenannon synnyttämästä kulkuaallosta, jonka suuruus kasvaa johdon loppupäässä aiheutuvasta heijastumisesta. Tyhjäkäyvän johdon tapauksessa teoreettinen maksimi loppupään jännitteelle on 2 p.u.. Mikäli johto on ollut kuormitettuna ja yksivaiheisen maasulun poistoon käytetään pikajälleenkytkentää voi heijastuvan ylijännitteen huippu nousta jopa 3.4 p.u. arvoon. Suuruuteen vaikuttavat johdon jäännösvaraus ja katkaistavan jännitteen hetkellisarvo suhteessa jäännösvaraukseen.[1] Suomen 420 kv kantaverkossa ei ole ollut tarpeellista ryhtyä erityistoimenpiteisiin loivien transienttiylijännitteiden rajoittamiseksi. 123 kv verkossa on kokeilumielessä joidenkin kondensaattoriparistojen yhteydessä testattu tahdistettua kytkentää. Suurimmat Suomessa havaitut kytkentäylijännitteet ovat olleet 3,2 3,4 p.u. luokkaa.[1]

18 10 3. JOHTOSUOJIEN RAKENNE JA MITOITUS Vuonna 1970 markkinoille ilmestyneet metallioksidi-suojat tarjoavat oivan tavan suojata verkon komponentteja erityyppisiltä ylijännitteiltä. Ne ovat tarjonneet paremman energian purkauskyvyn, fyysisen kestävyyden sekä luotettavuuden kuin mitä konventionaalisilla suojilla on saavutettu. MO-suojilla on suojattu Suomen verkossa tuhansia muuntajia ja ne ovat korvaamassa vanhentuneet venttiilisuojat.[1] Ylijännitesuojan ensisijaisena tehtävänä on suojata kohde kuten esimerkiksi muuntaja tai kondensaattoriparisto ylijännitteiltä niin, että suojattavan kohteen jännitekestoisuutta ei ylitetä. Toissijaisena tehtävänä on verkkoon aiheutuneen ylijännitteen rajoittaminen tasolle, josta järjestelmälle ei aiheudu käyttöhäiriötä. Johtosuojan tarkoituksena onkin suojata koko verkko yksittäisen komponentin sijaan. Ne vähentävät tukieristimien ylilyönneistä johtuvia jälleenkytkentöjä ja parantavat siten sähkön laatua Johtosuojat eritellään rakenteensa mukaan kahteen eri kategoriaan: Kipinävälitön johtosuoja (Non Gapped Line Arrester, NGLA) kuvassa 3.1. sekä kipinävälillinen johtosuoja (Externally Gapped Line Arrester, EGLA) kuvassa 3.2., jota kutsutaan myös muussa kirjallisuudessa yhdistelmä-ylijännitesuojaksi Kipinävälitön johtosuoja NGLA (Non Gapped Line Arrester) Metallioksidisuojan epälineaarinen vastus kootaan sarjassa olevista varistorikiekoista. Kiekkojen vastusmateriaali on sinkkioksidi (ZnO) johon on lisätty pienet määrät muita metallioksideja. Lisäaineet määräävät lähes täysin vastusmateriaalin sähköiset ominaisuudet. Ne muodostavat ZnO-jyvästen väliin ohuita rajapintoja, joiden resistiivisyys on hyvin suuri pienillä kentänvoimakkuuksilla. Läpilyöntijännitteen suuruisilla kentänvoimakkuuksilla rajapinnat muuttuvat erittäin hyvin johtaviksi. Vastusmateriaalin valmistuksessa tärkeimpinä tekijöinä ovat seoksen puhtaus, hienojakoisuus ja homogeenisuus. [6]

19 11 Vastuskiekot päällystetään usein höyrystetyllä alumiinifilmillä ja joskus käytetään In- Ga seosta tai hopeointia. Kiekot puristetaan lasikuituvahvisteisen epoksiputkeen ja paketti muovataan täyteaineita sisältävien eteeni-propeeni-kumien (EPM ja EPDM) tai silikonikumien sisään. Vanhoihin posliinipäällysteisiin verrattaessa polymeerikuorisilla on etuina muun muassa: paino, koko, sirpaloimattomuus, tiiveys, likaisuuden kesto, termiset ominaisuudet, halvempi valmistusprosessi, käsiteltävyys, ilkivallan kestokyky. [6] Kuva 3.1. Mo-suojan rakenne. Kipinävälitön johtosuoja koostuu ainoastaan MO-suojasta. Perinteisesti tätä suojatyyppiä on käytetty sähköasemien sekä yksittäisten verkon komponenttien suojaukseen. Suoja asennetaan tyypillisesti siirtoverkon tukieristimien rinnalle suojattavan johto-osuuden jokaiselle pylväälle kuvan 3.2. osoittamalla tavalla. Johdon jännitetaso sekä haluttu suojaustaso määräävät suojan koon. Kuva 3.2. Mo-suoja asennettuna johdon tukieristimen rinnalle [7] Suoja kytketään suoraan vaiheen ja maan välille, joten tällöin sen vastusmateriaaliin sekä kuorimateriaaliin kohdistuu jatkuva jänniterasitus. Jänniterasitus aiheuttaa vuotovirran, joka vaikuttaa suojan ominaisuuksiin. Pintavuotovirta kuluttaa suojan

20 12 pintaa ja pinnalle kondensoitunut vesi ja lika edesauttavat vuotovirran kasvua. Lisäksi sisäinen vuotovirta kuluttaa vastuselementtiä ja heikentää sen sähköisiä ominaisuuksia ajan kuluessa Vikaantuneen suojan erotus Suojan vikaantuessa se aiheuttaa verkkoon pysyvän maasulun, joten sen yhteydessä tulisi käyttää automaattista erotuslaitetta. Yksi yleisimmistä erotuslaiteratkaisuista on räjähdepanoksen käyttö joko suojan terminaalissa tai varsinaisella liitinjohdolla. Toiminta perustuu suojan vikaantumisesta aiheutuneen käyttötaajuisen virran kasvamiseen jonka aiheuttama terminen energia laukaisee panoksen. [3] Asennuksen yhteydessä tulisi kiinnittää erityistä huomiota siihen, että erotuslaitteen irrottama suoja ja sen liitosjohto eivät aiheuta muilla vaiheilla oikosulkua.[4] 3.2. Kipinävälillinen johtosuoja EGLA (Externally Gapped Line Arrester) Suoja koostuu MO-suojasta ja sen kanssa sarjassa olevasta kipinävälistä. Rakenteella saavutetaan pelkkään MO-suojaan verrattuna pienempi mitoitus, suojan rasittuminen vain toiminnan aikana ja vikaantumisen vaarattomuus. Kuvasta 3.3. käy ilmi suojan periaatteellinen asennustapa pylväällä. Kuva 3.3. Kipinävälillinen johtosuoja asennettuna eristinketjun rinnalle [8] Pelkkään MO-suojaan verrattuna kipinäväli tekee suojan mitoituksen ongelmalliseksi. Kipinävälin tulisi toimia oikein MO-suojan hajoamisesta riippumatta, mutta sen luotettava mitoittaminen on hankalaa johtuen MO-suojan vaikutuksesta toimintajännitteeseen. Lisäksi mitoituksessa tulisi huomioida tuulen aiheuttamat muutokset ilmavälissä. [9, 10, 11]

21 Metallioksidisuojan mitoitus ja ominaissuureet Suojille suoritettavat koestukset ja niiden ominaissuureet määritellään IEC-standardissa Suojien kilpiarvoista on käytävä ilmi vähintään U c, U r sekä I n arvot. Jatkuva käyttöjännite U c Suurimman sallitun käyttötaajuisen jännitteen tehollisarvo, joka saa jatkuvasti vaikuttaa suojan yli. Järjestelmän suurimman käyttöjännitteen arvioinnissa tulee ottaa huomioon harmonisten yliaaltojen ja suojan vastusmateriaalin vanhenemisesta aiheutuvat vaikutukset. Tämä yleensä huomioidaan laskennassa viiden prosentin varmuusmarginaalilla, jolloin U c voidaan laskea kaavalla: 1,05 U 3 (3.1) Jossa U s on järjestelmän suurin käyttöjännite. U c jännitteen lopullinen valinta on kuitenkin tehtävä TOV-käyrän avulla ottaen huomioon verkossa esiintyvät käyttötaajuiset ylijännitteet. Mitoitusjännite U r Ilmoittaa suurimman käyttötaajuisen jännitteen jolla suoja toimii suunnitellusti lajikoestuksen toimintasyklikokeessa. Testi sisältää erityyppisiä virtapulsseja sekä käyttötaajuisia ylijänniterasituksia. IEC-standardin mukaisen toimintasyklitestin mukaan U r määritellään jännitteeksi jota suoja on kestettävä 10 s ajan testissä tehtävän rasituskokeen jälkeen. Arvo on osittain testaajan tai valmistajan valittavissa ja ei kerro suojan mitoituksesta yhtä mittavasti kuin TOV-käyrä. Nimellispurkausvirta I n Standardin määrittelemä 8/20 µs syöksyvirran huippuarvo, jolla suoja toimii suunnitellusti. Vaihtoehtoiset arvot ovat 20, 10, 5, 2,5 ja 1,5 ka. Nimellispurkausvirta ei varsinaisesti kerro suojan kestämää maksimivirtaa vaan liittyy suojan energiapurkauskyvyn sekä jäännösjännitteen määrittämiseen. Jäännösjännite u res Kertoo suojan suojaustatason eli purkausvirran aikana suojan yli vaikuttava jännitteen huippuarvo. Arvon mittaukseen käytetään jyrkkää virtapulssia jonka nousuaika 1 us ja selän puoliarvon aika < 20 µs. Tämä lisäksi suojan jäännösjännite mitataan syöksyvirtapulsseilla 8/20 µs, joiden amplitudit 0,5,, 2,0 sekä kytkentävirtapulssilla, joka on riippuvainen suojausluokasta.

22 14 TOV-käyrä Käyttötaajuisen ylijännitteen sietokäyrä, joka ilmaisee sen kuinka kauan suoja kestää U c suurempia jännitteitä niiden kestoajan funktiona. Standardin mukaan sietokäyrä on annettava 1200 s asti. Ilman esirasitusta olevan suojan käyrän lisäksi tulisi valmistajan ilmoittaa käyrä myös esirasitetulle suojalle. Verkoissa joissa ei ole automaattista erotuslaitetta, tulisi sietokäyrä ulottaa 24 tuntiin asti. Suojan valinnan kannalta käyrän tunteminen on ensiarvoisen tärkeää ja on suositeltavaa, että mitoitus tehdään ennalta rasitetun käyrän mukaisesti. Purkauskykyluokka (1-5) 10 ka ja 20 ka suojille ilmoitetaan purkauskykyluokka asteikolla 1-5. Se kertoo epäsuorasti suojan energiankäsittelykyvyn. Suojan jäännösjännite määrää todellisuudessa suojaan varastoituneen energian määrän, joten suurilla jäännösjännitteen arvoilla suojaan purkautuu siis johdosta vähemmän energiaa. Suomen jakeluverkossa käytettävät 10 ka suojat kuuluvat purkauskykyluokkiin 1 ja 2. Kolme ja sitä suuremmat luokat ovat käytössä siirtojännitteillä. Pienemmillä suojilla ilmoitetaan purkauskykyluokan sijasta pitkän suorakaiteen muotoisen virtapulssin kestoisuus.[1] Kipinävälillisten johtosuojien mitoituksessa ei tyypillisesti ole mitoitettu suojan toimintaa kytkentäylijännitteiden alueelle, koska tällä tavoin suojien yhteydessä olevan MO-suojan energianpurkauskykyluokka on voitu valita pienemmäksi Suojan toiminta Kipinävälitön johtosuoja (NGLA) Kuvassa 3.4. on MO-suojan virta-jännite kuvaaja, josta on nähtävissä suojan kolme eri toiminta-aluetta. Käyrän alkuosan lineaarinen alue on vuotovirran alue, jolloin varistorin läpi kulkeva virta on lähes puhtaasti kapasitiivista. Tämän jälkeen on suojan suurimman sallitun käyttötaajuisen jännitteen piste U c, usein noin 0,8. Suoja toimii käyttökohteessa suunnitellusti, mikäli käyttötaajuinen jännite ei ylitä tätä arvoa. Suojan valmistaja ilmoittaa U c arvon vaihtojännitteelle. U c pisteen jälkeen suojan ominaiskäyrä muuttuu hyvin epälineaariseksi ja virta on lähes kokonaan resistiivistä.

23 15 Kuva 3.4. Mo-suoja virta-jännite kuvaaja. U c suurin sallittu käyttöjännite, U r mitoitusjännite[4] Jännite-virta-suhdetta voidaan mallintaa yhtälöllä: = (3.1.) Missä k on vakio ja α epälineaarisuuskerroin jolle MO-suojan tapauksessa käytetään arvoja väliltä. Kerroin on riippuvainen tarkasteltavasta virta-alueesta. Mitä laajempaa aluetta halutaan tarkastella sitä pienempiä arvoja on käytettävä kertoimen arvoina, esimerkiksi arvolle 26 virta-alue on noin 1 A A ja arvolle 50 alue on 1 A 600 A. [4] Suojan jäännösjännite annetulla syöksyvirran arvolla on suoraan verrannollinen suojan suuruuteen ja näin olleen se on verrannollinen myös suojan mitoitusjännitteeseen. Tämän lisäksi syöksyvirta-aallon nousuaika vaikuttaa suojan jännitteen suuruuteen.[15] Tyypillisesti 1 µs nousevan syöksyvirtaimpulssin aiheuttama jännite on 8 12 % suurempi kuin standardi 8/20 µs syöksyvirtapulssilla aiheutuneet jännitteet. Rinnan nousuajan ollessa 45 µs 60 µs koetut jännitteet ovat 2 4 % alhaisempia kuin standardipulssilla. Suurin sallittu käyttötaajuinen jännite on 75 % ja 85 % välillä mitoitusjännitteestä. [4] U c -pisteessä suojan läpi kulkeva virta on yleensä muutamien milliampeerien luokkaa. Suojan läpäisevä virta suurenee syöksyvirtaimpulssin aikana virta-jännite käyrän mukaisesti saavuttaen maksiminsa. Syöksyvirran pienentyessä myös suojan jäännösjännite pienenee saavuttaen lopulta normaalin käyttöjännitteen tason. [4]

24 16 Kuva 3.5. Kipinävälillisen johtosuojan virta-jännite kuvaaja. U c suurin sallittu käyttöjännite[4] Kipinävälillinen johtosuoja (EGLA) Lisäämällä kipinäväli sarjaan MO-suojan kanssa voidaan alentaa suojattavan kohteen yli vaikuttavaa jäännösjännitettä. Englanninkielinen termi tällaiselle suojalle on Externally Gapped Line Arrester, josta käytetään kirjallisuudessa lyhennettä EGLA. Kipinävälillisellä suojalle syttymisjännite on jyrkillä aalloilla korkeampi kuin pelkällä MO-suojalla. Kuvassa 3.5. on kuvattu suojan toimintaa virta-jännite käyrällä. Syöksyvirran aikaansaama suojan yli oleva jännite kohoaa syöksyvirran aikana seuraten käyrää A-B. Kokonaisjännite koostuu MO-osan sekä kipinävälin yli vaikuttavista jännitteistä. Riippuen syöksyvirran jyrkkyydestä syttyy kipinäväli välillä B-C ja suojan yli oleva jännite putoaa pelkän MO-suojan jäännösjännitteen tasolle. Syöksyvirran kasvaessa suojan läpäisemä virta seuraa D-F käyrää. Virran pienentyessä suojan yli oleva jännite pienenee käyrää F-D pitkin, kunnes kipinäväli sammuu ja suojan yli oleva jännite romahtaa verkon käyttöjännitteen tasolle. Kuvaaja poikkeaa oleellisesti pelkän MO-suojan ominaiskäyrästä.[4]

25 Johtosuojan kipinävälin jännitelujuus Johtosuojan kipinävälin tulisi syttyä riittävän pienillä jännitteillä ja sen jännitelujuus ei saisi minkäänlaisilla jännitemuodoilla ylittää eristimien ylilyöntilujuutta. Siirtoverkossa olevilla suojilla välin tulisi olla riittävän suuri, jotta valokaari sammuu itsestään kaikilla salamavirran-arvoilla myös silloin kun MO-suoja on rikkoutunut. Johtosuojien MOsuojia ei ole taloudellisesti järkevää mitoittaa kestämään kytkentäylijännitteiden energiarasituksia ja on siis huolehdittava siitä, että kytkentäylijännitteet eivät aiheuta kipinävälin syttymistä. Siirtoverkossa tämä saattaa olla haastavaa, sillä pitkien ilmavälien kytkentäylijännitelujuus on alhaisempi kuin salamasyöksyjännitelujuus. Verkossa esiintyvät kytkentäjännitteet on siis pidettävä muilla toimenpiteillä riittävän alhaisella tasolla. [1] Johtosuojan yhteydessä olevalla lyhyellä kipinävälillä voidaan rajoittaa suojattavien eristimien yli vaikuttava salamaylijännite mahdollisimman alhaiselle tasolle. Toisaalta kipinävälin pituus halutaan pitää mahdollisimman suurena, s.e. se toimii vielä salamaylijännitteillä. Tähän vaikuttavat kaksi tekijää: Ilmavälin tulee kestää verkossa esiintyvät kytkentäylijännitteet. Yleensä tämä vaatimus on riittävä kattamaan myös muut verkossa esiintyvät käyttötoimenpiteistä johtuvat ylijännitteet. Ilmavälin tulee sammua itsestään ja mieluiten niin, että purkaus ei syty uudelleen verkon käyttöjännitteen jakson aikana. Kuvassa 3.6. on esitetty kipinävälin pituuden periaatteellinen vaikutus johtosuojan toimintaan. Vaaka-akselilla on kipinävälin elektrodien etäisyys toisistaan ja palkit kuvaavat toimintaa eri ylijännitteiden aikana. Ylin palkki kuvaa suojan toimintaa ukkosylijännitteillä, kaksi seuraavaa suojan kestoa kytkentäylijännitteillä ja kaksi viimeistä valokaaren sammumista. [13]

26 18 Kipinävälin pituus Minimi Maksimi Suojaus ukkosylijännitteeltä Ei syttymistä kytkentäylijännitteellä (Ehjä MO-suoja) Ei syttymistä kytkentäylijännitteellä (vikaantunut MO-suoja) Ei jäännösvirtaa (Ehjä MO-suoja) Ei jäännösvirtaa (Vikaantunut MO-suoja) Eristimen kipinäväli Etäisyys Kuva 3.6. Kipinävälin pituuden vaikutus siirtoverkon ylijännitesuojan toimintaan[13] Jotta kipinävälin suuruus voidaan mitoittaa oikein, tulee verkon haltijan tietää kytkentäylijännitteiden suuruus. Näin voidaan varmistua siitä, että läpilyöntiä ei tapahdu silloin kun MO-suoja on hajonnut ja kipinävälin kytkentäylijännitekestoisuus on heikentynyt. Tyypillisesti kipinävälin jännitekesto heikentyy tällöin noin %, koska MO-suoja nostaa koko suojan jännitelujuutta. Johtosuoja jonka kipinäväli on mitoitettu kestämään kytkentäylijännitteitä riittää tyypillisesti myös estämään kipinävälin uudelleen syttymisen käyttötaajuisella jännitteellä. [13] Kytkentäylijänniteongelmaan vaikuttaa merkittävästi elektrodivälin epähomogeenisuus. On pyrittävä mahdollisimman homogeeniseen kenttään elektrodien välillä ja esimerkiksi Japanissa on ratkaistu tämä ongelma siten, että 500 kv johtosuojiin on asennettu rengasmaiset elektrodirakenteet. Lisäksi johdon puoleinen elektrodi on asennettu suoraan vaihejohtimeen eristimen pään sijaan. Toimenpiteillä on saatu kytkentäylijännitelujuus % suuremmaksi kuin vastaavilla tankokipinäväleillä. [14] Kipinävälin oikea mitoitus käytetylle suojalle on ensiarvoisen tärkeää, koska liian pieni väli voi aiheuttaa suojan toiminnan myös pitkäkestoisilla kytkentäylijännitteillä, joka pahimmassa tapauksessa johtaa suojan termiseen hajoamiseen.

27 19 4. ILMASTOLLISTEN YLIJÄNNITTEIDEN HALLINTA Verkon komponentin kuten muuntajan, kaapelin, kaapelipäätteen tai GIS-laitteiston vaurioituminen aiheuttaa pitkähkön käyttökeskeytyksen, minkä vuoksi ylijännitesuojaus on useimmissa kohteissa perusteltua. Siirtoverkon johdoilla ylijännitteiden hallintaa voidaan parantaa muun muassa yhdellä tai useammalla seuraavista tavoista: Siirtojohtojen kahdentaminen Johdon eristystason nostaminen Maadoitusimpedanssin pienentäminen Yhden tai useamman ukkosjohdon asentaminen Johtosuojien käyttö Toisin kuin keskijänniteverkossa, siirtoverkossa käytetään yleisesti ukkosjohtimia Siirtojohdon eristyskoordinaatio Eristyskoordinaation tarkoituksena on laitteiden jännitelujuuden valinta ja optimointi tasolle, jolla verkossa esiintyvät ylijännitteiden aiheuttamat vauriot ja häiriöt alenevat taloudellisesti hyväksyttävälle tasolle. Optimina voidaan pitää pistettä, jossa parantamisesta aiheutuneet kustannukset ovat yhtä suuret kuin ylijännitteiden aiheuttamien kustannusten vähenemisestä saatava säästö. [3] Eristystasot ovat riippuvaisia verkon tarkastelukohdasta ja siksi tarkastelu suoritetaan pahimpien verkossa esiintyvien olosuhteiden mukaan, jotta saman jänniteportaan eristimien eristystaso voidaan asettaa vakioksi. Tämä myös helpottaa suunnittelua ja laitteiden varaosien vaihdettavuutta. Suomessa eristyskoordinaatio on perinteisesti hoidettu niin, että siirtojohtojen eristystasot ovat yhtä porrasta alempana kuin asemien laitteiden eristystaso. Tällä menettelyllä on pyritty siihen, että käyttöhäiriötä aiheuttavat ylilyönnit syntyvät ensisijaisesti johtojen eristyksillä.[1] Koordinaatio voidaan toteuttaa joko konventionaalisella tai tilastollisella menetelmällä. Käytännössä käytetään molempien menetelmien periaatteita. Konventionaalinen menetelmä soveltuu parhaiten kohteille, jossa laitteiden sisäisiä eristyksiä ja ominaisuuksia ei voida hallita tilastollisesti kuten esimerkiksi sähköasemilla.

28 20 Tilastollinen analyysi sopii parhaiten kohteille, jossa voidaan suorittaa laajoja testejä ja siksi se soveltuukin avojohdoille. Tilastollinen analyysi ottaa huomioon ylijännitteiden ja jännitelujuuden satunnaisluonteen ja sitä sovelletaan tyypillisesti järjestelmiin, joiden suurimmat käyttöjännitteet ovat U m 300 kv. Menetelmällä pyritään laskemaan vaurioitumisriski eli todennäköisyys ylilyönnille. Tilastollista menetelmää käytettäessä on tunnettava ylijännitteiden amplitudijakaumaa ja laitteiden jännitelujuusjakaumaa kuvaavat parametrit. Toteutus Eristyskoordinaation ensimmäisessä vaiheessa selvitetään järjestelmässä esiintyvien jänniterasituksien suuruus, alkuperä, esiintymistiheys ja suojalaitteiden ominaisuudet. Kerättyjen tietojen perusteella määritetään tarvittava eristystaso niin, että laitteet kestävät käyttöpaikalla esiintyvät jänniterasitukset. Suoriutumiskriteerinä käytetään tavallisesti laitteen vikatiheyttä, jolle valitaan arvo käyttöhistorian tai sähköverkon luotettavuus- ja käytettävyysanalyysien perusteella. [1, 18] Edustava ylijännite Edustavat jänniterasitukset (U rp ) määritellään verkossa esiintyvien ylijännitteiden perusteella. Jänniterasitukset ovat IEC-standardin mukaisten ylijänniteluokkien jänniteamplitudeja tai niiden jakaumia, joiden jänniterasitus eristysrakenteella on vastaava kuin verkossa esiintyvien ylijännitteiden rasitus. [15] Koordinaatiokestotasot Koordinaatiokestotaso (U cw ) määrittelee sen kuinka suuren edustavan ylijännitteen eristysrakenne kestää normaalissa käyttötilanteessa asennuspaikallaan. Jännitteen muoto on sama kuin edustavilla ylijännitteillä, mutta sen amplitudi kerrotaan koordinaatiokertoimella k c. [1] = (4.1.) Koordinaatiokerroin ottaa huomioon edustavien ylijännitteiden määrityksen tarkkuuden, empiiristen tai tilastollisten ylijännitteiden jakauman arvioimisen sekä eristysrakenteen ominaisuudet. Vaadittava kestotaso Vaadittava kestotaso saadaan, kun koordinaatiokestotaso muutetaan vastaamaan standardoituja testiolosuhteita. = (4.2.) Jossa kerroin k s ottaa huomioon ulkoiset eristykseen vaikuttavat tekijät kuten poikkeavuudet eristyksen ja/tai asennuksen laadussa ja eristyksen vanhenemisen. K puolestaan määritellään keskimääräisten säätekijöiden ja asennuspaikan merenpinnasta mitatun korkeuden mukaan. [1]

29 21 Eristystaso (U w ) valitaan vaadittujen kestotasojen perusteella standardien mukaisten eristystasojen joukosta taulukon 4.1. mukaan. Edustavan ylijännitteen muodon vastatessa jotakin standardoitua koejännitettä pätee U w U rw. Taulukko 4.1. Edustavat ylijännitteet (Ryhmä U m 300 kv) [12]

30 Ilmastollisten ylijännitteiden hallinnan parantaminen siirtojohdoilla Ilmastollisten ylijännitteiden realistinen hallinta asetettujen teknisten ja taloudellisten rajaehtojen puitteissa samalla huomioiden turvallisuusnäkökohdat on haastavaa. Salamaniskun liittyvän fysikaalisen mallin sekä sähköjärjestelmän mallin ja iskusta verkkoon syntyneen syöksyjännitteen muodostamiseen liittyy huomattava määrä olettamuksia ja likiarvoja. Vaikka koko tapahtumaketju olisi tarkkaan mallinnettavissa, on silti huomioitava suunnitelman taloudellisuus. Siirtoverkon suojauksen tapauksessa tärkeimpänä taloudellisena mittana ovat katkojen aiheuttamat kustannukset laiterikkojen ja toimittamatta jääneen sähkön muodossa Uusi johto [16] Optimoitaessa suunnitteilla olevan uuden siirtojohdon suojaustasoa ilmastollisia ylijännitteitä kohtaan, on osa parametreistä jaettavissa vakioihin, kuten jännitetaso, alku- ja loppupiste ja oheisen listan mukaisiin muuttujiin: Johdon reititys niin, että käytetään hyväksi rakennusten ja ympäröivän maaston tarjoamaan luonnollista suojausta sekä maaperän alhaista impedanssia Pylväiden tyypit ja geometria Pylväiden materiaali Johtimien geometria Pylväiden korkeus maanpinnasta Ukkosköysien sijainti ja määrä Eristimien tyyppi ja koko Maadoitustapa Johdon reititys Markkinoilla olevat johtorakenteiden mallinnusohjelmat eivät toistaiseksi osaa ehdottaa suunnittelijalle optimaalisinta reittiä, niin että ne huomioisivat reitin maaston geometrian ja maaperän impedanssin. Johdon reititys huomioiden sen ympärillä olevat pinnanmuodot ja mahdollisesti eri alueiden maaperän resistiivisyyden arvot jää suunnittelijan tehtäväksi. Siirtojohdon ukkosaltistumalle vaikuttaa paikallinen maasalamatiheys ja johdon fyysinen suhde sen ympäristöön. Suunniteltaessa johdon reittiä tulisikin ottaa huomioon useampi vaihtoehtoinen reittisuunnitelma.

31 Maaperän resistiivisyys Maadoitusimpedanssi on lineaarisesti riippuvainen alueen maaperän resistiivisyydestä. Korkea maadoitusimpedanssi vaikuttaa näin ollen pylvään tai rakennelman ja referenssimaan yli muodostuvaan jännitteeseen. Suuren maadoitusimpedanssin omaavilla pylväillä on todennäköisempää, että sille tai ukkosköysiin osunut salama aiheuttaa johdoille takaiskun. Alueita joilla maaperän resisitiivisyys on korkea tulisi välttää. Mikäli tämä ei ole mahdollista tulee käyttää lisämaadoituselektrodeja maadoitusolosuhteiden parantamiseksi Luonnollinen suojaus Yhtenä mahdollisena suojauskeinona voidaan myös pitää siirtojohdon ympärillä olevan maaston älykästä käyttöä. Korkeat puut ja rakennelmat johdon ympärillä parantavat suojausta, mutta toisaalta puiden kasvattaminen etäisyydellä, jossa niiden kaatuminen linjalle aiheuttaa merkittävää vahinkoa ei ole realistinen vaihtoehto. Lisäksi mahdolliset metsäpalot, myrskyt ja maanomistajan omat intressit puiden osalta tuovat epävarmuutta niiden tarjoamaan suojaukseen. Riippumatta mainituista epävarmuuksista johdon ympärillä oleva korkea kasvusto tai rakennelmat parantavat johdon suojausta. Toinen mahdollinen tapa käyttää luonnollista suojausta on rakentaa johto jo olemassa olevan johtokadun viereen. Tällöin on mahdollista käyttää korkeamman ja jo suojatun johdon tuomaa suojaa. Tämän lisäksi on vielä mahdollista sijoittaa samaan rakennelmaan kaksi samaa tai eri jännitetasoa, jolloin ylijännitteet jakautuvat johtojen kesken. Tällöin on tosin kiinnitettävä huomiota kriittisten kaksoisvikojen ehkäisemiseen. Tämä onnistuu parhaiten joko johtosuojilla tai eristinketjujen pituuden muuntelulla Ukkosköydet Suoraan vaihejohtimeen osuneen salaman energia jakaantuu iskupaikasta molempiin suuntiin ja aiheuttaa suurimmassa osassa tapauksista ylilyönnin lähimmällä eristinvälillä. Ukkosjohtimien tarkoituksena on rajoittaa suurivirtaisten salamoiden osumistodennäköisyyttä vaihejohtimille tarjoten salamalle matalaimpedanssinen reitti maahan pylvään impedanssin ja maadoitusresistanssin kautta. Resultantti jännite johdon eristyksen yli pienenee ja ylilyönnin todennäköisyys myös samalla alenee. Yhtenä tärkeimpänä salamasuojauksen tekijänä onkin ukkosköysien optimaalinen asettaminen pylväälle. Ukkosköysien yhteydessä puhutaan suojauskulmasta jonka avulla kuvataan köysien sijaintia suhteessa vaihejohtimiin. Suojauskulman ollessa negatiivinen ukkosköydet sijaitsevat vaakatasossa vaihejohtimien ulkopuolella, kun taas positiivisessa kulmassa ne ovat niiden sisäpuolella. Kuvassa 4.1. portaalipylväällä olevien ukkosköysien suojauskulma on positiivinen. Suojauksen toimivuutta voidaan tarkastella johtimista piirrettyjen ympyrän kaarien etäisyyden (R a ) avulla. Etäisyys on

32 24 riippuvainen salamavirran arvosta taulukon 4.2. mukaan. Suurilla virran arvoilla etäisyys R a kasvaa ja samalla vaihejohtimen kaaren vaakasuora pituus pienenee ukkosjohtimesta ja maasta muodostuneen kaaren välillä. On löydettävissä virta-arvo jolloin pituus on nolla, tällöin arvoa suuremmat salamat eivät enää pääse osumaan vaihejohtimille. Kuva 4.1. Ukkosköysien käyttö portaalipylväällä Ukkosjohtimien käyttöä pylväsmaadoituksen yhteydessä on tutkittu avojohdoilla ja niiden on havaittu vähentävän häiriöitä noin suhteessa 1:4,7. Osumistodennäköisyyteen vaikuttaa suuresti salaman purkausvirta, jonka suuruus käytännössä määrää viimeisen portaan iskunpituuden. Johdon sähkögeometrisessä mallinnuksessa käytetään Whiteheadin ja Youning kokoamia taulukkoja joista on nähtävissä viimeisen portaan iskupituus (taulukko 4.2.).[1] Taulukko 4.2. Salamavirta ja sitä vastaava iskukohdan määräytymisetäisyys[1] Kun tiedetään maasalaman virran huippuarvo, voidaan muodostaa pylväälle sähkögeometrinen malli. Tietyllä virran arvolla päästään pisteeseen jolloin vaihejohtimen vaakasuora osa-alue pienenee nollaan, jolloin kyseistä virta-arvoa suurempien salamoiden osuminen vaihejohtimeen on epätodennäköistä. Whiteheadin malli antaa konservatiivisempia arvoja, jolloin suojaus on luotettavampi.[3]

33 25 Tutkimuksissa on huomattu, että hyvin usein suurin osa salamoista kohdistuu muutamalle johtoreitin pylväälle. Tyypillisesti tällainen pylväs sijaitsee paikallista maastoa korkeammalla mahdollisesti kallioisella korkean maadoitusresistanssin omaavalla alueella. Myös poikittain rinteen suuntaisesti kulkevan johdon suojausteho on alhaisempi, johtuen alarinteen maan tarjoaman suojan pienemmästä etäisyydestä suhteessa ukkosköyteen Eristys Suomessa sähkönsiirtolinjoilla käytetyin eristinmateriaali on ollut lasi tai posliini, mutta muualla pidempään käytössä olleet komposiittieristimet ovat saamassa jalansijaa myös Suomessa. Lasi- ja posliinieristimet ovat tyypiltään lautaseristimiä, joita yhdistetään tarvittava määrä peräkkäin sähköisten vaatimusten saavuttamiseksi. Eristinyksiköiden määrää kasvatetaan siirtojännitteen kasvaessa, jotta taataan riittävä eristystaso. Siirtoverkossa eristimiä käytetään joko I tai V-ketjuksi asennettuina riippueristiminä, kun taas tukieristimien käyttö on ollut yleisempää keskijänniteverkossa. V-kejtu on kalliimpi, mutta se mahdollistaa kapeamman johtokadun, mekaanisesti vakaamman johdon, eristinketjun pituuden vapaamman valinnan I-ketjuun nähden (varren ja vaiheen etäisyys jopa 40 % pidempi). Lisäksi eristimien vino asento edesauttaa niiden luonnollista puhdistumista. [1] Riippumatta eristinmateriaalista tärkeimmät ylilyöntijännitteeseen vaikuttavat tekijät liittyvät ilman suhteelliseen tiheyteen ja kosteuteen. Esimerkiksi korkea asennuskohde vaikuttaa alentavasti ilman tiheyteen sekä eristinvälin jännitekestoisuuteen. Korkea ilmankosteus parantaa jännitekestoisuutta ellei eristeen pinnalle kondensoidu vettä jolloin pinnan vuotovirta kasvaa ja jännitekestoisuus heikkenee Pylvään maadoitusimpedanssi Pylväälle osuvan salaman purkausvirta jakaantuu pylvään maadoitukseen sekä ukkosköysille. Virran jakosuhteeseen vaikuttaa kummankin suhteellinen aaltoimpedanssi. Pylväälle kohdistunut virta kulkee maahan pylvään maadoitusimpedanssin kautta, joka vaikuttaa syntyneeseen jännitteen alenemaan sekä maasta heijastuneeseen jänniteaaltoon. Eristimien yli vaikuttava jänniterasitus on tällöin pylvään jännitteen ja vaihejohtimen hetkellisen käyttötaajuisen jännitteen välinen ero. Eristimen ylilyönti, tässä tapauksessa takaisku tapahtuu hyvin todennäköisesti, kun jännite-ero kasvaa eristimen ylilyöntikestoisuutta suuremmaksi. Pylvään maadoitusimpedanssi vaikuttaa merkittävästi purkausvirran aikaansaamaan jännitteeseen. Suojattaessa johto-osuutta ukkoselta onkin ensiarvoisen tärkeää tietää pylväiden maadoitusimpedanssin suuruus ja sen vaikutus koko johto-osuuden suojaukseen.

34 26 Pylvään maadoitusimpedanssi on riippuvainen pylvään materiaalista, maadoitusjohtimesta sekä maan resistiivisyydestä. Maan resisitiivisyys ei ole vakio vaan siihen vaikuttavat ympäristölliset tekijät kuten: maaperän tyyppi, maaperän kosteus, lämpötila, purkausvirran suuruus ja muoto. Mittaus kentällä salamavirroilla ei ole järkevää vaan maan resistiivisyyden mittaamiseen käytetään yleensä melko pientä matalataajuista virtaa. Koko siirtojohdon suojaustaso maasalamoilta on lähes täysin riippuvainen jokaisen yksittäisen pylvään suojaustasosta. Tämä tarkoittaa sitä, että alueilla joissa maaperän resistiivisyys vaihtelee on hyvin todennäköistä, että koko johdon suojaustaso on riippuvainen pylväistä, jotka sijaitsevat osuudella, jossa maan resisitiivisyys on muita alueita korkeampi. Suunniteltaessa uutta reittiä on kiinnitettävä erityisesti huomiota juuri niille pylväille, joiden maan resistiivisyys on muita korkeampi, koska yksinään ne vaikuttavat koko johdon suojaustasoon. Suojauksen kannalta koko pylväsrakennelman läpi kulkevalle purkausvirralle olisi taattava mahdollisimman matalaimpedanssinen reitti maahan. Esimerkiksi käytettäessä betoniperustuksia on kiinnitettävä huomiota siihen, että pylvään jalat ovat kosketuksissa betonin raudoitukseen. Maaperän resistiivisyyden ollessa korkea voidaan käyttää erillisiä maadoituselektrodeja pylväiden rinnalla. Näin tehdään esimerkiksi Suomessa, jossa maaperän resistiivisyys on korkea Eri eristystasojen käyttö monijohtimilla Koska ylilyönti on tilastollinen suure ja riippuvainen eristinvälin pituudesta on mahdollista suojata toinen kaksoisjohdoista käyttämällä pidempää eristinväliä toisella johdolla. Tyypillisesti useamman jänniteportaan johtoja sisältävillä pylväillä alemman jännitetason johdot asennetaan pylvään alemmalle osuudella jolloin siihen kohdistuu suurempi ylilyöntiriski johtuen alemmasta eristintasosta Olemassa olevan siirtojohdon ukkossuojauksen parantaminen Olemassa olevan siirtojohdon ylijännitesuojauksen analysoinnissa ei luonnollisesti ole edes mahdollista ottaa huomioon yhtä paljoa parametreja kuin vastaavan uuden. Selvitettäessä nykyistä ilmastollisten ylijännitteiden suojaustasoa tärkeimmiksi tekijöiksi nousevat johtoreitin ympäröivä maasto ja sen tarjoama luonnollinen suojaus, eristimien kunto ja pylväiden maadoitus. Mikäli salamoista aiheutuneet katkot kohdistuvat vain tietylle osalle siirtojohtoa ja laskettu malli antaa huomattavasti paremman suojaustason on syytä tarkistaa mallin lähtötiedot ja johdon ja eristimien kunto maastossa. Siirtojohdon ukkossuojaus on yhtä vahva kuin sen heikoin lenkki joten on mahdollista, että koko johdon alhainen suojaustaso johtuu ainoastaan yhdestä

35 27 hajonneesta eristimestä. Olemassa olevan siirtojohdon suojauksen parantamisesta aiheutuvien kustannusten minimoimiseksi onkin tärkeää analysoida johdon nykyistä suojaustasoa ja paikantaa mahdolliset ongelmalliset kohdat. Lähdön historiatiedoilla on suuri merkitys selvitettäessä johdon suojaustasoa ja seuraavat neljä kohtaa tulisi selvittää ennen analysoinnin aloittamista: 1. Selvitä katkojen aiheuttajat: ukkonen, muut luonnon ilmiöt, laitteet, tuntematon 2. Selvitä ukkosen aiheuttamien katkojen tyypit ja paikat: takaisku, suora isku, indusoitunut 3. Laske johdon salamoiden aiheuttamille katkoille odotusarvo 4. Selvitä johdon eri parametrien herkkyydet suojaukselle, eristyksen parantaminen, suojaus, maadoitus, johtosuojat ja valitse näistä kustannustehokkain vaihtoehto tai vaihtoehdot Kappaleessa 2.3 käytiin läpi kolme merkittävintä tapaa jolla salaman aiheuttama transienttiylijännite muodostuu verkkoon: suora isku vaihejohtimeen, takaisku ja indusoitunut ylijännite. Näistä viimeinen on merkittävä vikojen aiheuttaja vain 20 kv verkoissa. Takaisku aiheutuu tyypillisesti suurivirtaisista salamoista (virta yli 20 ka) jotka iskevät joko ukkosköysiin tai korkeille pylväille, joiden maadoitusimpedanssi on suuri. Suora isku vaihejohtimelle ukkosköysin suojatussa verkossa on harvinainen ilmiö ja tyypillisesti vain pienivirtaiset (virta alle 20 ka) salamat aiheuttavat niitä. Kappaleen 4 alussa mainittujen toimenpiteiden avulla voidaan parantaa johdon suojaustasoa. Siirtojohtojen kahdentaminen jo olemassa olevalle verkolle on yleensä erittäin kallista, epäkäytännöllistä ja pylväiden kantavuuden kannalta jopa mahdotonta. Johdon eristystason nostaminen on myös kallista ja toisaalta saattaa johtaa sähköaseman laitteiden eristystason korottamistarpeeseen. Maadoitusimpedanssin pienentäminen esimerkiksi useammalla maadoituselektrodilla voi olla tehokas keino, mutta kallioisilla alueilla erittäin kallis ja vaikeasti toteutettavissa. Ukkosjohtojen jälkikäteen asentaminen on myös erittäin kallista ja voi johtaa pylväiden kuormituskestävyyden nostoon. Johtosuojat sen sijaan tarjoavat johdoille joissa suojaustason nostaminen on edellä mainituilla keinoilla taloudellisesti ja teknisesti mahdotonta oivan vaihtoehdon. Johtosuojat yksinään eivät tarjoa hyvää suojaustasoa vaan mainittujen suojaustapojen sekä johtosuojien yhdistelmällä voidaan päästä haluttuun suojaustasoon niin, että tekniset-, taloudelliset- ja turvallisuusnäkökohdat tulevat optimaalisesti huomioitua Maadoitusresistanssin vaikutus Useimmiten johdon alhainen suojaustaso ilmastollisia ylijännitteitä kohtaan johtuu vain muutamista ongelmallisesta osioista johtoreitillä. Tällaiset osiot koostuvat usein joko likaantuneista tai vikaantuneista eristinketjuista, puuttuvista ukkosköysistä, pylväistä joko aukeilla tai mäen päällä sekä korkeasta maan resistiivisyydestä. Koska ympäristöään korkeammalla olevat kohteet, joiden ympärillä ei ole suojaavaa

36 28 kasvillisuutta tai rakennelmia ovat herkempiä salamaniskuille, tulee kiinnittää erityisesti huomiota näiden pylväiden maadoitusimpedansseihin. Kuva 4.2. Ylilyönnit 100 km kohden vuodessa maadoituksen resistanssin funktiona. 90 kv yksöisjohto, yksi ukkosköysi = katkoviiva, ei ukkosköyttä = kokonainen viiva, maasalamatiheys N g =1[17] Kuvassa 4.2. on esitetty ylilyöntitiheyden riippuvuutta maadoitusresistanssista yksittäiselle 90 kv johdolle. Kuvajasta nähdään, että ukkosköysien käytöllä saavutetaan merkittäviä etuja vasta, kun maadoitusresistanssi on alle 50 ohmin luokkaa. Lisäksi kuvasta nähdään, että kallioisen maaperän maadoitusresistanssin pienentäminen 200 ohmista 90 ohmiin ei tuo mitään merkittäviä etuja.[17] 4.5. Johtosuojien vaikutus Johtosuojien päätoimintaperiaatteena on purkaa päävirtapiireissä esiintyvät ylijännitteet maahan hallitusti ja estää näin eristimillä tapahtuvat ylilyönnit. Kappaleessa 3 käytiin jo tarkemmin läpi kipinävälillisten ja kipinävälittömiä MO-suojien rakenne. Suojien toiminta perustuu varistorimateriaalin sähköisten ominaisuuksien muutokseen transienttijännitteillä. Johtosuojien käyttö eristimien rinnalla antaa suojatulle eristimille periaatteessa äärettömän suuren eristyskoordinaatiokestotason. Toisaalta tarkasteltaessa suojan sopivuutta käyttökohteeseen tulee aina selvittää käyttöpaikalla esiintyvät ylijännitteet ja tarkastella suojan energiankäsittelykykyä joko valmistajan tai IEEE Std C [4] standardin ohjeiden mukaan ja varmistua siitä, että suoja toimii vikaantumatta esiintyvillä ylijännitteillä Johtosuojien kannattavuuden laskennallinen arviointi [17] Jotta asennuksen kannattavuutta voidaan tutkia, tulee ensin määrittää tarkasteltavalle johdolle malli, jonka avulla lasketaan nykyinen ylilyöntitiheys. Malli rakennetaan niin että johto jaetaan ensin osioihin jolloin voidaan tarkastella koko johto-osuutta todennäköisyyksien sarjana, joiden summana saadaan kokonaistodennäköisyys johdon

37 29 ylilyöntitiheydelle. Osuudet koostuvat johdon sekä pylväiden sähkögeometrisistä malleista, joissa huomioidaan erikseen jokainen vaihejohdin, ukkosköydet ja maadoituselektrodit. Mallin avulla laskettua arvoa verrataan todelliseen ylilyöntitiheyteen ja sitä korjataan kunnes päästään riittävän lähelle todellista arvoa. Toimenpiteiden jälkeen voidaan laskea yksittäisten osioiden parantamisesta aiheutuva kokonaishyöty ja kannattavuus investoinnille. Tarkastelu etenee pääpiirteittäin seuraavien vaiheiden mukaisesti: Johdon sähkögeometrisen mallin määrittäminen (EGM, electro-geometric model), jonka avulla voidaan laskea johdolle osuneiden salamoiden määrä ja niiden tiheysfunktio Syöksyjännitteiden mallinnus eri syöksyvirran arvoillaa (Tietokoneohjelmat kuten EMTP, sigma slp, NETOMAC) Ylilyöntien määrä tarkasteltavalla osuudella huomioiden aiemmista vaiheista saadut tulokset. Kuvan 4.3. lohkokaavio esittää näiden vaiheiden etenemistä osana koko prosessia. Muuttujat voidaan jakaa ulkoisiin sekä sisäisiin. Sisäisiin muuttujiin voidaan asetettujen rajojen puitteissa vaikuttaa, kun taas ulkoisiin kuten paikalliseen maasalamatiheyteen, maastoon muotoon tai maan resistiivisyyteen ei voida vaikuttaa. Kuva 4.3. Lohkokaavio siirtojohdon suojauksen optimoinnista.

38 30 Tarkasteltavien osuuksien jakoperusteena voidaan käyttää joko paikallista maadoitusimpedanssia, johdon korkeutta, pylväiden tyyppiä tai muuta tapaa jolla on merkittävä vaikutus maasalaman iskutodennäköisyyteen. Pääperiaatteena on se, että jokaista pylvästä ja johtoväliä ei lähdetä mallintamaan erikseen vaan keskitytään ongelmallisille alueille ja muut osuudet voidaan kuvata ekvivalenttisella mallilla. Pylväs mallinnetaan yksinkertaisena ideaalisena johtimena ja tarkasteltavalle elementille osuneen salamaniskun kohta pidetään vakiona. Näillä olettamuksilla voidaan yksinkertaistaa transienttitarkastelua huomattavasti. [23] Kun tarvittavat parametrit on selvitetty, voidaan muodostaa malli jonka avulla selvitetään johdon vuotuinen ylilyöntitiheys. Mikäli saatu arvo poikkeaa tunnetusta, palataan tarkastelemaan mallin sekä lähtöparametrien paikkansapitävyyttä. Kun laskettu ylilyöntitiheys vastaa hyväksyttävien virherajojen puitteissa todellista, voidaan siirtyä johdon ylilyöntitarkasteluun, jossa optimoidaan suojausta asetettujen tavoitteiden puitteissa. Tavoitteeksi voidaan asettaa esimerkiksi kustannukset, kokonaisylilyöntien määrä, takaiskujen määrä tai kaksoisvikojen määrä. Karkeaan siirtojohdon ylilyöntitiheyden laskennalliseen arviointiin tarvitaan vähintään jännite, johtopituus, pylväskorkeus, ukkosköysien määrä ja paikallinen maasalamatiheys. Näiden avulla voidaan muodostaa arvio johdon suojaustasosta. Käytännössä näiden lisäksi on huomioitava johtoreitin ympäröivän maaston topografia ja yksittäisten pylväiden maadoitusimpedanssit Salaman parametrit Koska salamavirran amplitudi sekä kesto ovat tilastollisia suureita, tulee niiden vaihteluvälit ottaa huomioon tarkasteltaessa ylilyönnin todennäköisyyttä. Siirtojohtojen ilmastollisten ylijännitteiden hallinnan näkökulmasta tärkeimmät salamaan liittyvät parametrit ovat: Ukkospäivien lukumäärä vuodessa Paikallinen maasalamatiheys Salamavirran amplitudi ensimmäisen sekä sitä seuraavien iskujen aikana Salamavirran rinnan jyrkkyys ensimmäisen sekä seuraavien iskujen aikana Salamavirran selän puoliarvoaika Maasalamoiden polariteetti Maasalamoiden kerrannaisuus Maasalamatiheyttä mitataan salamapaikantimien avulla jotka kertovat salaman polariteetin, virran, sekä sijainnin. Käytössä oleva termi maasalamatiheydelle on N g ja yksikkö iskua / km 2 / vuosi. Mikäli salamapaikantimien tarjoamaa tietoa ei ole saatavilla on turvauduttava keraunisiin tilastoihin joihin on kerätty paikallisten

39 31 ukkospäivien lukumäärä. IEEE:n ja Cigrén suosituksen mukainen kaava maasalamatiheydelle ja ukksopäiville on:, =0,04 (4.3.) Jossa N g on maasalamatiheys (iskua/km 2 /vuosi) ja T d on ukkospäivien määrä vuodessa (kerauninen taso). Kaava 4.3. antaa tulokseksi vain viitteellisen tiedon paikallisesta maasalamatiheydestä. [3,19] Maasalamatiheyttä selvitettäessä olisi aina turvauduttava maasalamapaikantimien tarjoamaan tietoon. Mikäli käytetään yleisiä keraunisia tilastoja, niin tällöin tuloksia on järkevää verrata maantieteellisesti lähimpään alueeseen jolta on saatavilla salamapaikantimen tarjoamaa tietoa. Kuva 4.4. Alaspäin suuntautuneen negatiivisen salamavirran huippuarvon jakauma. [24] Salamavirran amplitudi ensimmäisen iskun huippuarvon jakaumakäyrät ovat kuvassa 4.4., joista ylempi on IEEE ja alempi Cigren käyttämä. Huippuarvo jakaantuu kahteen alueeseen I < 20 ka ja I > 20 ka. Jälkimmäinen aiheuttaa tyypillisesti takaiskun, koska suuren salamavirran arvoilla isku osuu todennäköisesti ukkosköysiin tai pylväälle. Pienemmän virran alue on taas tyypillinen suoraan vaihejohtimelle osuville iskuille, koska tällöin iskun viimeinen haara voi todennäköisesti vielä osua kappaleessa osoitetulla tavalla vaihejohtimille.

40 Ylilyöntitiheyden määritys Ylilyöntitiheyden määrittäminen etenee jo mainitun menetelmän mukaan, jossa johtoosuudet jaetaan ensin osiin ja tämän jälkeen yksittäisiin elementteihin: ukkosköydet, vaihejohtimet ja pylväät. Jokaiselle elementille valitaan yksittäinen piste jolle salama iskee. Salamaiskun todennäköisyys riippuu lähinnä paikallisesta maasalamatiheydestä, johdon korkeudesta sekä ympäröivästä maastosta. Koska salaman aiheuttama vika voi aiheuttaa yhden vaiheen, kaikkien vaiheiden tai useamman piirin sisältävillä pylväillä kaikkien piirien laukeamisen, on perusteltua tarkastella niitä eri vikatyyppien todennäköisyyksinä. Tällä tavoin voidaan rajata myös optimointia vain tietyn vikatyypin ehkäisemiseen. Takaiskut Pylväille ja ukkosköysiin osuneet iskut korreloivat luonnollisesti takaiskujen määrän kanssa. Tarkasteltaessa takaiskun todennäköisyyttä voidaan ottaa huomioon myös kunkin elementin hetkellisen vaihejännitteen suuruus ja laskea todennäköisyys näiden keskiarvona, mutta laskentaa voidaan yksinkertaistaa varioimalla ainoastaan salamavirran amplitudia I f. Takaiskujen todennäköisyys elementille j saadaan kaavasta: = 1 ( ) (4.4.) Jossa M ilmaisee laskennassa käytettyjen eri vaihekulmien kokonaismäärää, p j salamaniskun todennäköisyyttä johdon elementille j ja D jθk on elementille osuvat salamaniskut jotka johtavat ylilyöntiin vaihekulman arvolla θ k. Tämän jälkeen voidaan arvioida takaiskujen kokonaismäärämäärä johdolla kaavalla: = 100 (4.5.) Jossa l on johdon pituus, N j keskimääräinen iskutiheys osiolle j ja N elementtien kokonaismäärä. Keskimääräinen iskutiheys (N j ) ja iskutodennäköisyys (P j ) lasketaan tarkasteltavalla elementille muodostetun sähkögeometrisen mallin avulla. Kullekin elementille tulevan takaiskuun johtavien salamoiden lukumäärä D jθk lasketaan transienttiohjelman avulla. Takaiskuja laskettaessa iskujen kerrannaisuuksia ei tarvitse huomioida niiden alhaisemman amplitudin vuoksi. Laskentaan käytettävien simulointien määrän optimointi saattaa olla ongelmallista, koska ylilyöntiin johtavien D jθk transienttien numeerinen simulointi on aikaavievä prosessi.

41 33 Isku vaiheelle Pääperiaate suoraan vaiheelle osuvien iskujen laskennassa on sama kuin takaiskun tapauksessa, mutta vaiheelle laskettaessa riittää, kun huomioidaan ainoastaan pylväsvälin keskipiste ja vaihevirta jonka hetkellisarvo vastaa salamavirran vastakkaista polariteettia. Ylilyöntien kokonaismäärä Salamavirran huippuarvon ollessa ainoa muuttuja voidaan tarkasteltavalle johtoelementille ja vaihejännitteen hetkellisarvolle laskea kriittinen salamavirta transienttisimulointiohjelman avulla. Kriittinen salamavirta on pienin virran huippuarvo, joka vielä johtaa ylilyöntiin. Laskenta etenee niin, että I min on suurin salamavirran arvo, joka ei johda ylilyöntiin ja I max on alhaisin arvo, joka johtaa ylilyöntiin. Tällöin voidaan laskea I d kaavalla: = + 2 (4.6.) Saadulla virran arvolla I d lasketaan transienttiohjelmalla johtaako se ylilyöntiin tarkasteltavalla osiolla ja jos ylilyönti tapahtuu Imin korvataan I d arvolla. Tätä jatketaan kunnes ehto täyttyy: ( ) (4.7) Jossa f Ij (i) on salamavirran huippuarvon tiheysfunktio osiolle j ja x on sallittu virhe kriittiselle virralle Maadoitusresistanssin mallinnus Takaiskussa syntyviin ylijännitteitä voidaan rajoittaa tehokkaasti maadoittamisella. Mitoituksessa tulee kuitenkin huomioida, että vikavirtojen aiheuttamat askel- ja kosketusjännitteet eivät aiheuta vaaraa lähistöllä oleville henkilöille, eläimille tai rakennuksille. Ukkossuojauksen kannalta pylvään maadoituksen lähtökohtana voidaan pitää 1 6 kappaletta m pituisia säteittäisiä maajohtimia optimin ollessa neljä 90 asteen väleillä.[1]

42 34 Maadoitusresistanssia voidaan arvioida kaavoilla 4.8 ja 4.9 mittaamalla kohteen maadoitusresistanssin arvo R 0 50 Hz vaihtovirralla: = 1+ (4.8) = 2 (4.9) Tässä maadoitusresistanssi ionisoituneena (R T ) arvioidaan vastaavasta alhaisen virran ja taajuuden maadoitusresistanssin arvosta (R 0 ), I resistanssin läpi kulkeva salamavirran huippuarvon, I g ionisoitumiseen johtavan virran ja ρ maan ominaisresistanssin avulla. E 0 on ionisoitumiseen johtava kentänvoimakkuus jolle kirjallisuudessa ilmoitetaan arvoja väliltä kv/m. [1,18]

43 35 5. JOHTOSUOJIEN KÄYTTÖKOKEMUKSET Tässä osiossa käydään läpi johtosuojien esimerkkitapausten pohjalta eri käyttökokemuksia, joiden yhteydessä tarkastellaan verkon rakennetta, käytettyä laskentamallia, tilastoja sekä lopullista asennusstrategiaa ja kentältä saatuja tuloksia Tapaus 1, Venäjän ja Suomen välisen kaksoisjohdollisen 400 kv järjestelmän suojaus kipinävälittömillä johtosuojilla [19] ABB:n sekä Venäjän luoteinen kantaverkkoyhtiö ovat vieneet läpi yhteisen hankkeen jonka tavoitteena oli ilmastollisista ylijännitteistä aiheutuvien käyttökatkojen vähentäminen Suomen ja Venäjän rajalla Yllikkylän, Kymin sekä Viipurin välillä. Asennustyöt saatiin päätökseen 2004 ja vuoteen 2008 mennessä suojatulla osuudella ei ole tapahtunut käyttökatkoja. Verkon rakenne Viipurin muuntoasema yhdistää Suomen 420 kv verkon ja Venäjän 330 kv verkon tasavirtalinkillä. Kuvasta 5.1. selviää tarkasteltava verkko, joka alkaa Viipurin muuntoasemalta ja kulkee ensin 42 km kaksoisjohtona, jonka jälkeen se erkanee Yllikkylän piiriksi 25 km pituudelta sekä Kymin piiriksi 90 km pituudelta. Yhteyden huippukuormitus kriittisellä kaksoisjohto osuudella on suurimmillaan 1400 MW. Kuva 5.1. Verkon rakenne Viipurin, Yllikkylän ja Kymin välillä.

44 36 Kriittisellä osuudella ilmastollisista ylijännitteistä aiheutuneita käyttökatkoja on ollut vuodessa sataa kilometriä kohden kaksi. Hankkeen tavoitteena oli pyrkiä rajoittamaan katkot neljäsosaan tästä. Maastossa suoritettujen mittausten avulla pylvään maadoitusimpedanssiksi saatiin arvoja väliltä 1,2 600 Ω ja maan resistiivisyyden vaihteluväliksi Ω / m. Suojien asennuskohteeksi valittiin kriittinen kaksoisjohdollinen osuus, jossa kaksoisvian mahdollisuudella on erittäin suuri vaikutus koko verkon luotettavuuteen. Alustavasti tutkimuksessa valittiin ne osuuden pylväät suojattaviksi, joiden maadoitusimpedanssi oli 600 Ω luokkaa. Pakallisesta maasalamatiheydestä ei ollut käytettävissä tarkkoja tilastoja, mutta ukkospäiviä vuotta kohden oli tilastoitu keskimäärin 31 kappaletta. Alueen salamatiheys määritettiin luvussa 4 esitellyn Cigren ohjeen kaavalla 4.3. Ukkospäivien määrän ollessa alueella 31 kaava antaa maasalamatiheydeksi 2,9. Vastaava arvo Suomessa on 1,5 ja Ruotsissa 1. Hankkeen tekijät päätyivät käyttämään väliä 1-2,9. Johtosuojaksi valittiin ABB:n valmistama johtosuoja, jonka johdon puoleisessa päässä käytetään rengasmaista elektrodirakennetta. Suojan tärkeimmät tiedot on kerätty taulukoon Suojan mitoitusjännite on 360 kv, purkauskykyluokka 3 ja IEC 99-4 mukainen energiankäsittelykyky 1440 kj. Eristimien kriittinen ylilyöntijännite oli 1490 kv. Taulukko 5.1. Abb:n johtosuojan tiedot Mitoitusjännite kv IEC Energiankäsittelykyky [U r ] purkauskykyluokka [kj] Suojaustaso [kv] 8/20 µs salamavirtapulssille 5 ka 10 ka 20 ka 40 ka Suojien ylikuormittumista tutkittiin käyttämällä 0,002, 0,005 ja 0,01 todennäköisyyksiä vastaavia suojan kokemia virran huippuarvoja 190,1, 158,2, 136 ka. Lisäksi tarkastelussa huomioitiin iskujen kerrannaisuus. Huippuarvoja vastaavat rinnan nousuja laskuajat saatiin laskemalla niiden tilastollisen jakauman mediaani. Mallinnus tehtiin kolmella peräkkäisellä takaiskuun johtavalla pulssilla mallinnettavan osuuden keskimmäiselle pylväälle, jonka molemmin puolin asetettiin viisi saman maadoitusimpedanssin omaavaa pylvästä. Saadut tulokset on luettavissa Taulukosta 5.2., josta käy ilmi johtosuojaan kohdistunut rasitus salamatiheyden, maadoitusresistanssin sekä jännitekulman eri arvoilla.

45 37 Taulukko 5.2. Johtosuojaan kohdistunut energia ja suojan purkaustoimintojen keskimääräinen aikaväli Iskun tod.näk. Purkausten keskim. aikaväli N g = 2,9 N g = 1 Maadoitusresistanssi Suojaan kohdistunut energia (kj) Ylin vaihe, R Keski vaihe,s Alin vaihe,t Vaihekulma R-vaihe Vaihekulma R-vaihe Vaihekulma R-vaihe Vuodet Vuodet (Ω) 30⁰ 210⁰ 30⁰ 210⁰ 30⁰ 210⁰ 0, , , , , , Takaiskun lisäksi suojaan kohdistuvaa purkausenergiaa tutkittiin ylimmälle vaiheelle osuvalla suoralla iskulla. Huonoimmassa tapauksessa (N g = 2,9) saatiin tapahtumalle todennäköisyydeksi 0,175 sataa kilometriä kohden vuodessa. Vastaava virran huippuarvo tällöin on 22,5 ka ja kun huomioitiin kaksoisjohdollinen 42 km osuus saatiin todennäköisyydeksi 0,07. Tarkasteluväliksi valittiin 25 vuotta jolloin kokonaistodennäköisyydeksi saatiin 0,57. Toisin kuin takaiskun kohdalla, suoran iskun epäsuotuisimmassa tapauksessa suurin rasitus kohdistuu johtosuojaan, joka sijaitsee alhaisen maadoitusresistanssin omaavalla pylväällä. Tämän lisäksi, jos viereisillä torneilla ei ole johtosuojia ja ne omaavat korkean maadoitusresistanssiin, niin tällöin johtosuojaan kohdistuu mahdollisimman suuri rasitus. Johtosuojalle aiheutuneeksi rasitukseksi saatiin pahimmillaan 983 kj, joka on merkittävästi suojalle mitoitetun 1,44 MJ alapuolella. Ylilyönnin todennäköisyydelle laskettiin arvoja vaihtelemalla pylväiden maadoitusresistanssia 20 ohmista 600 ohmiin yhteensä seitsemällä eri arvolla. Jokaiselle arvolle laskettiin syöksyvirta 18 eri amplitudin ka väliltä olevalla pulssilla ja jokainen näistä kuudella eri jyrkkyydellä ka/µs väliltä, saaden näin 108 erilaista käyrää. Lisäksi huomioitiin hetkellisen jännitteen kulma-arvo jota muunneltiin 12 eri askeleella 30 asteen siirtymällä. Jokaiselle maadoitusimpedanssille saatiin siis näin 1296 eri tulosta. Saatujen tietojen perusteella päädyttiin tuloksiin jotka osoittivat, että suurin rasitus kohdistuu johtosuojiin, jotka sijaitsevat korkean maadoitusimpedanssin omaavilla pylväillä. Lisäksi jännitteen hetkellisarvon todettiin vaikuttavan suojaan kohdistuvaan rasitukseen. Kuvan 5.2. käyrästöstä nähdään, että ylilyönnin todennäköisyys on merkittävä suuren maadoitusimpedanssin omaavilla torneilla.

46 38 Kuva 5.2. Ylilyönnin todennäköisyys kaksoisjohdollisella pylväällä Johto-osuuden kokonaisriski määritettiin summaamalla jokaiselle pylväälle kaavan: [Salamaniskujen määrä johdolle / km / vuosi ] x [ johtovälin pituus x 0,6 ] x [ ylilyönnin todennäköisyys maadoitusimpedanssin funktiona (kuvaaja 5.2.) ] Lisäksi toisen johdon kaikkien vaiheiden suojauksen kaksoisjohdon osuuden oletettiin poistavan kaksoisvian todennäköisyyden kyseiseltä pylväältä. Tuloksista koostettiin kuvaaja 5.3., josta selviää takaiskujen suhde asennettujen johtosuojien määrään. Kuva 5.3. Johdonsuojilla suojatun ja suojaamattoman verkon takaiskujen suhde suojien määrän funktiona