HANNU MÄKELÄ JAKELUMUUNTAJIEN LÄPI SIIRTYVIEN UKKOS- YLIJÄNNITTEIDEN TARKASTELU. Diplomityö

Transkriptio

1 HANNU MÄKELÄ JAKELUMUUNTAJIEN LÄPI SIIRTYVIEN UKKOS- YLIJÄNNITTEIDEN TARKASTELU Diplomityö Tarkastajat: dosentti Kari Kannus ja tutkimuspäällikkö Kari Lahti Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 9. syyskuuta 2009

2 II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma MÄKELÄ, HANNU: Jakelumuuntajien läpi siirtyvien ukkosylijännitteiden tarkastelu Diplomityö, 89 sivua, 3 liitesivua Helmikuu 2010 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastajat: dosentti Kari Kannus ja tutkimuspäällikkö Kari Lahti Avainsanat: Ukkosylijännitteet, jakelumuuntajat, transientit, ylijännitesuojaus Viime vuosikymmeninä merkittävästi lisääntynyt elektroniikka on kasvattanut tarvetta tutkia sähköverkon ylijännitteitä. Tämä työ keskittyy tarkastelemaan jakelumuuntajan läpi keskijänniteverkosta pienjänniteverkkoon siirtyneitä ukkosylijännitteitä erityisesti Suomen olosuhteissa. Tarkastelu toteutettiin mallintamalla PSCAD/EMTDC-ohjelmassa kaksi eritehoista jakelumuuntajaa, pienjänniteverkon johtimet, maadoituselektrodi, kuorma ja ylijännitesuojaus. Mallinnetut jakelumuuntajat olivat 100 kva Dyn /420 V ja 50 kva Yzn /410 V, ja niille tehtiin erikseen tyhjäkäyvän ja kuormitetun muuntajan mallit. Pienjänniteverkon johtimiksi oletettiin AMKA-riippukierrekaapeli ja maakaapeli ja nämä mallinnettiin PSCAD:in taajuusriippuvalla johdinmallilla. Maadoituselektrodi mallinnettiin mittauksiin perustuvalla sijaiskytkennällä. Kuormana toimi erään talon impedanssimittauksiin perustuva sijaiskytkentä ja sen ylijännitesuojina metallioksidivaristorit, jotka mallinnettiin niin sanotulla IEEE-mallilla. Aluksi aihetta tutkittiin syöttämällä tyhjäkäyvän muuntajan malliin ideaalisen jännitelähteen kautta koejännite, jonka amplitudia sekä nousu- ja laskuaikaa varioitiin. Mallin alajännitepuolelta mitattiin jännite vaiheen ja maapotentiaalin väliltä. Tulosten perusteella muuntajan läpi siirtynyt ylijännite on suoraan verrannollinen koejännitteen amplitudiin. Nousu- ja laskuajan kasvaessa läpi siirtynyt jännite pienenee eksponentiaalisesti. Tämän jälkeen läpi siirtyneitä jännitteitä tarkasteltiin syöttämällä tyhjäkäyvän muuntajan malliin dataa, jota on saatu mittaamalla eri suojatyyppien jännitteitä niiden toimiessa. Nämä suojatyypit olivat kipinäväli, metallioksidi- ja yhdistelmäsuoja. Tulosten perusteella kipinävälillä tai yhdistelmäsuojalla suojattu jakelumuuntaja päästää lävitseen noin kaksi kertaa metallioksidisuojalla suojattua muuntajaa suuremman jännitteen, johtuen suuremmasta syttymisjännitteestä ja suojan toiminnasta aiheutuvista nopeista jännitemuutoksista. Pienjänniteverkon vaikutusta tarkasteltiin lisäämällä johtimien, kuorman ja maadoituselektrodin mallit kuormitettujen muuntajien malleihin. Ukkosylijännitteenä käytettiin indusoitunutta ylijännitettä ja suoraa salamaniskua, jonka jännitteen kipinäväli leikkaa. AMKA-johdolla jännitteet olivat noin neljä kertaa maakaapelin jännitteitä suurempia, ja ylijännitesuojaukseen oli tarvetta molemmilla johdintyypeillä salaman iskiessä suoraan keskijännitejohtoon. Suojaus pienensi ylijännitteet laitteilta vaaditun kestotason alapuolelle. Indusoitunut ylijännite aiheutti merkittäviä ylijännitteitä pienjänniteverkkoon vain silloin, kun käytettiin lyhyttä AMKA-johtoa. Myös maadoituselektrodin ja kuorman induktanssien vaikutusta läpi siirtyviin ylijännitteisiin tutkittiin. Maadoituselektrodin induktanssin variointi välillä H aiheutti kymmenien prosenttien muutokset ylijännitteisiin. Kuorman induktanssin vaikutus oli vähäisempi.

3 III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering MÄKELÄ, HANNU: Evaluation of Lightning Overvoltages Transferred through Distribution Transformers Master of Science Thesis, 89 pages, 3 Appendix pages February 2010 Major: Electrical power engineering Examiners: docent Kari Kannus and research manager Kari Lahti Keywords: Transferred surges, lightning overvoltages, distribution transformers During recent decades, the number of electronic devices has increased significantly and this has increased the need of studying lightning overvoltages in low-voltage networks. This work concentrates on studying lightning overvoltage transfer through distribution transformer especially in Finland s conditions. The study was carried out by modelling two distribution transformers, low-voltage network conductors, grounding electrode, load and surge arresters in PSCAD/EMTDCprogram. Modelled transformers were 100 kva Dyn /420 V and 50 kva Yzn /410 V. Models for loaded and unloaded transformers were studied. The lowvoltage conductors were assumed to be AMKA -aerial cable and underground cable. These were modelled by using PSCAD frequency dependent model for transmission lines and cables. Grounding electrode and load were modelled by measurement-based equivalent circuits. So-called IEEE-model was used to model surge arresters. The subject was studied first by applying a test surge to unloaded transformer model. Surge s amplitude, rise time and fall time were varied to investigate each parameter s effect on the surge transferred to low-voltage side. The transferred voltage was measured between the low-voltage phase and ground. The results show that the amplitude of transferred surge is proportional to applied surge s amplitude and increase of rise and fall time results in transferred surge attenuating exponentially. Then the transferred overvoltages were studied by applying measurement data to unloaded transformer models. The data has been obtained from different types of surge arresters in operation conditions, which are spark gap, metal oxide and current-limiting surge arrester. According to results, the voltage transferred through a distribution transformer protected by spark gap or current-limiting arrester, is almost two times higher than that of a metal oxide surge arrester protected transformer. This is due to higher operating voltage and steeper voltages in spark gap and current-limiting arrester. The effect of low-voltage network was studied by adding conductor, grounding electrode, load and surge arrester models to the transformer model. Simulated overvoltages were induced overvoltage and direct stroke to medium-voltage line. The transformer was protected by a spark gap and direct stroke caused spark gap to operate. Overvoltages in AMKA-cable were approximately four times higher than those of an underground cable. With both conductors, the overvoltage protection was required in direct stroke conditions and surge arresters attenuated overvoltages below the basic insulation level of low voltage equipment. Induced overvoltage caused significant overvoltages to low voltage network only with a short AMKA-cable section. The effect of grounding inductance and load inductance on transferred voltages was also investigated. The results show that varying grounding inductance between H results in transferred voltage varying dozens of per cents. The effect of load inductance was less significant.

4 IV ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitokselle vuosien aikana. Työn tarkastajina ja ohjaajina ovat toimineet dosentti Kari Kannus ja tutkimuspäällikkö Kari Lahti. Haluan kiittää Kari Kannusta ja Kari Lahtea mielenkiintoisesta aiheesta sekä neuvoista ja opastuksesta työn tekovaiheessa ja isääni Juhania työn oikoluennasta ja korjausehdotuksista. Erityiskiitos kuuluu avovaimolleni Lauralle työn oikoluennasta sekä tuesta ja kannustuksesta. Forssassa 2. helmikuuta 2010 Hannu Mäkelä

5 V SISÄLLYS 1. Johdanto Teoreettinen tausta Ukkonen Salaman syntymekanismi Salamatyypit Suomen salamatilastoja Salamapurkausten ominaissuureita Salaman aiheuttamat ylijännitteet sähköverkossa Aaltoimpedanssi Suorat salamaniskut vaihejohtimeen Indusoituneet ylijännitteet Takaisku Jakelumuuntajat ja ylijännitesuojaus Jakelumuuntajan rakenne Muuntajan kytkennät Jakelumuuntajan ylijännitesuojaus Maadoituselektrodin syöksyaaltokäyttäytyminen Sähkönjakelujärjestelmä Keskijänniteverkko Jakelumuuntamot Pienjänniteverkko Pienjänniteverkon ylijännitesuojaus Muuntajan transienttikäyttäytyminen Muuntajan jännitejakaumat Jännitteen alkujakauma Jännitteen loppujakauma Käämiresonanssit Parametrien vaikutus ja laskenta Induktanssit Kapasitanssit Käämitysten häviöt Muuntajan läpi siirtyvät transientit Mallinnus Mallinnusohjelmat PSCAD/EMTDC LIOV Muuntajan malli Pienjänniteverkon malli AMKA-johdon malli Maakaapelin malli... 57

6 VI 4.4. Kuorman malli Maadoituselektrodin malli Metallioksidivaristorin malli Simulointi ja tulosten tarkastelu Jänniteparametrien vaikutus tyhjäkäyvän muuntajan läpi siirtyviin ylijännitteisiin Jännitteen amplitudin vaikutus Rinnan nousuajan vaikutus Jännitteen laskuajan vaikutus Yhteenveto Tyhjäkäyvien muuntajien läpi siirtyvien ylijännitteiden simulointi Ilman suojausta Kipinäväli Metallioksidisuoja Yhdistelmäsuoja Yhteenveto Muuntajan läpi siirtyvien ylijännitteiden simulointi pienjänniteverkossa AMKA-johto suoralla salamaniskulla AMKA-johto indusoituneella ylijännitteellä Maakaapeli suoralla salamaniskulla Maakaapeli indusoituneella ylijännitteellä AMKA-johto ylijännitesuojauksella Maakaapeli ylijännitesuojauksella Kuorman ja maadoituselektrodin induktanssien vaikutus läpi siirtyvän ylijännitteen amplitudiin Yhteenveto Yhteenveto ja johtopäätökset Tulokset Muuntajan vaikutus Jännitteen aaltomuodon vaikutus Pienjänniteverkon vaikutus Ylijännitesuojaus Tulosten luotettavuus ja virhelähteet Lisätutkimustarpeet Lähteet Liite 1: Tyhjäkäyvän muuntajan malli (100 kva) Liite 2: Muuntajan ja pienjänniteverkon mallit (maakaapeli) Liite 3: Muuntajan ja pienjänniteverkon mallit (AMKA) ylijännitesuojauksella... 92

7 VII LYHENTEET JA MERKINNÄT i 0 r 0 r jännitejakaumaa kuvaava vakio käämilevyn sisäistä jännitejakaumaa kuvaava vakio jännitejakaumaa kuvaava vakio johtimen ja salaman osumispaikan välinen kulma tyhjiön permittiviteetti suhteellinen permittiviteetti tyhjiön permeabiliteetti suhteellinen permeabiliteetti maaperän resistiivisyys maaperän johtavuus virran vaimenemisajan parametri A reunaehtojen määräämä integroimisvakio A 0 epälineaarinen vastuselementti A 1 epälineaarinen vastuselementti B reunaehtojen määräämä integroimisvakio b vaiheiden välinen etäisyys c valonnopeus C g rinnakkaiskapasitanssi c l kapasitanssi pituusyksikköä kohti C s sarjakapasitanssi c t käämin kierrosten välinen kapasitanssi d etäisyys tai säde d i yläjännitekäämin sisähalkaisija d o alajännitekäämin ulkohalkaisija d o käämin ulkohalkaisija + kierrosten välinen etäisyys d i käämin sisähalkaisija e x käämin ja maan välinen jännite h korkeus i virta I 0 virran amplitudi I 1 sisäänmenovirta I 2 ulostulovirta I in sisäänmenovirta I out ulostulovirta L itseisinduktanssi l elektrodin pituus l l induktanssi pituusyksikköä kohti käämin pituus l k

8 VIII M m t N n d n t p.u. Q R r g r L R s r s S av SiC S max T t t f t i T lasku T nousu u U 1 U 2 U 10 U c U in U max U out U r v v w x y Z 11 Z 12 Z 21 Z 22 ZnO Z w keskinäisinduktanssi kierrosten lukumäärä levykäämissä käämin kierrosten lukumäärä käämilevyjen lukumäärä käämin kierrosluku suhteellisarvo, per unit varaus keskimääräinen säde rinnakkaiskapasitanssin häviökomponentti induktanssin häviökomponentti keskimääräinen geometrinen säde (geometric mean radius) sarjakapasitanssin häviökomponentti salamavirran rinnan keskimääräinen nousuaika piikarbidi salamavirran rinnan maksiminousuaika virran nousuajan parametri kotelon mitta salamavirran nousuaika levykäämin kierrosten välisen eristyksen paksuus jännitteen laskuaika jännitteen nousuaika jännite sisäänmenoportin jännite ulostuloportin jännite suojan yli olevan jännitteen huippuarvo 10 kiloampeerin virralla jatkuva käyttöjännite sisäänmenojännite jännitteen huippuarvo ulostulojännite mitoitusjännite pääpurkausvirran nopeus syöksyaallon etenemisnopeus pituus etäisyys salaman iskukohtaan avoimen piirin sisäänmenoimpedanssi avoimen piirin keskinäisimpedanssi porttien 1 ja 2 välillä avoimen piirin keskinäisimpedanssi porttien 2 ja 1 välillä avoimen piirin ulostuloimpedanssi sinkkioksidi aaltoimpedanssi

9 IX AMKA Suomessa laajasti käytetty ilmajohto EMTDC EMTP IEC IEEE LIOV LEMP PAS-johto Electromagnetic Transients including DC, sähkömagneettisten transienttien laskentaan tarkoitettu ohjelma Electromagnetic Transients Program, sähkömagneettisten transienttien laskentaan tarkoitettu ohjelma International Electrotechnical Commission, kansainvälinen standardoimisjärjestö The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Sähkö- ja elektroniikkainsinöörien ammattijärjestö lightning-induced overvoltages, indusoituneiden ylijännitteiden laskentaan käytettävä ohjelma lightning electromagnetic pulse, salamavirran muodostama sähkömagneettinen kenttä päällystetty avojohto suurjännitteellä PSCAD TN Power System Computer Aided Design, sähköverkon transienttien simulointiin tarkoitettu graafinen käyttöliittymä Terra Neutral, sähköjärjestelmä, jossa yksi virtapiirin piste on suoraan maadoitettu ja sähkölaitteiden jännitteelle alttiit osat on yhdistetty tähän pisteeseen

10 1 1. JOHDANTO Ukkonen on usein syynä sähkölaitevaurioihin. Viime vuosikymmeninä merkittävästi yleistyneet elektroniikkalaitteet ovat erityisen herkkiä sähköverkosta tuleville ylijännitteille, ja tämä on kasvattanut tarvetta tutkia ylijännitteitä ja ylijännitesuojauksen tarvetta. Ukkosylijännitteitä esiintyy sekä taajamissa että haja-asutusalueella, mutta ukkosen aiheuttamat tuhot ovat käytettävistä ilmajohtorakenteista johtuen yleensä suurempia haja-asutusalueella. Ukkosylijännite voi siirtyä pistorasioihin useilla eri tavoilla. Salama voi iskeä suoraan taloon, talon antenneihin tai taloa syöttävään sähkölinjaan. Ylijännite voi kulkeutua myös kauempaa verkosta jopa silloin, kun ukkosesta ei ole vielä mitään havaintoa. Mekanismi, johon tämä työ keskittyy, on ukkosylijännitteen siirtyminen keskijänniteverkosta jakelumuuntajan läpi pienjänniteverkkoon. Aiheesta on paljon tutkimusta, mutta hyvin vähän koskien Suomen olosuhteita, joille ominaista on esimerkiksi AMKA-riippukierrekaapelin laaja käyttö hajaasutusalueilla. Työn tavoitteina onkin tarkastella ukkosylijännitteiden siirtymistä jakelumuuntajien läpi erityisesti Suomen olosuhteissa ja vastata kysymykseen, kuinka suuria ylijännitteitä todennäköisesti siirtyy muuntajan läpi pienjänniteverkkoon ja millaisia ovat eri muuttujien, kuten käytetyn johdintyypin vaikutukset ylijännitteisiin. Tarkastelu toteutetaan mallintamalla Suomessa käytettyjä järjestelmiä PSCAD/EMTDC-ohjelmalla ja simuloimalla todennäköisiä ylijännitetilanteita. Mallinnuksessa on oleellista huomioida, että ukkosylijännitteet ovat erittäin nopeita ilmiöitä, eli mallin täytyy olla luotettava korkeilla taajuuksilla. Työn kannalta tärkeintä on siis mallintaa muuntosuhteeltaan 0,4/20 kv jakelumuuntajan suurtaajuuskäyttäytyminen. Työssä mallinnetaan kaksi muuntajaa ja tehdään erikseen tyhjäkäyvän ja kuormitetun muuntajan mallit. Tyhjäkäyvien muuntajien läpi siirtyviä jännitteitä tarkastellaan aluksi varioimalla koejänniteparametreja ja sen jälkeen erilaisten ylijännitesuojien mittausdatoilla. Simulaatioita laajennetaan ottamalla mukaan pienjänniteverkon malli, jossa ylijännitteiden suuruutta tutkitaan kuormitetun muuntajan mallilla. Pienjänniteverkon malli koostuu johtimien, kuorman, maadoituselektrodin ja ylijännitesuojien malleista. Työssä monet simulaatiot tehdään pienjänniteverkon ylijännitekestoisuuden näkökulmasta. Aihetta on tutkittu aiemmin muun muassa lähteissä [24], [26], [32], [40] ja [41]. Lähteessä [24] on mitattu eri tavoin kuormitetun muuntajan läpi siirtyneitä jännitteitä. Siinä käytetty muuntaja on kuitenkin yksivaiheinen, muuntosuhteeltaan 76/2,3 kv, mikä

11 ei vastaa tässä työssä ja Suomen olosuhteissa käytettyä muuntajaa. Lähteessä [26] aiheen käsittely on matemaattista. Lähteessä [40] on vertailtu jakelumuuntajan kapasitanssi--sijaiskytkentää ja taajuusriippuvaa admittanssimatriisimallia. Mallinnettu muuntaja oli teholtaan 100 kva 15/0,4 kv kolmio-tähtikytketty jakelumuuntaja. Työssä keskityttiin tarkastelemaan indusoituneen ylijännitteen vaikutuksia erilaisissa verkoissa. Lähteen [41] muuntajamalli perustuu muuntajan siirtofunktion määrittämiseen mittaamalla ja on periaatteeltaan samanlainen kuin lähteessä [32], tosin hieman yksinkertaisempi. Muuntajatyypit ovat Brasiliassa yleisesti käytettyjä, mutta eivät vastaa Suomessa käytettyjä muuntajia. Lähde [32] vastaa sisällöltään eniten tätä työtä. Siinä käytetään suomalaisen 100 kva 20/0,4 kv jakelumuuntajan mallia, jolla simuloidaan indusoituneen ylijännitteen vaikutuksia pienjänniteverkossa. Tässä käytetään samaa muuntajamallia. Erona kuitenkin on, että tässä käytetään 100 kva mallin lisäksi 50 kva muuntajamallia ja tarkastellaan myös erilaisten keskijänniteverkon ylijännitesuojatyyppien vaikutusta läpi siirtyviin ylijännitteisiin sekä pienjänniteverkon ylijännitesuojausta. Tässä työssä ylijännitteenä käytetään myös suoraa salamaniskua, jonka jännitteen kipinäväli leikkaa. Työ on jaettu kuuteen lukuun, joista ensimmäinen on johdanto. Toisessa luvussa esitellään työn teoreettista taustaa, esimerkiksi ukkosylijännitteiden syntymistä ja jakelumuuntajan rakennetta. Kolmas luku keskittyy muuntajan transienttikäyttäytymiseen, joka on työn aiheen kannalta oleellista tietoa. Neljännessä luvussa esitellään työssä käytettävät mallit ja viidennessä luvussa dokumentoidaan simulointitulokset. Kuudennessa luvussa ovat simulointitulosten johtopäätökset ja yhteenveto. Työn liitteenä on kuvia mallien kytkennöistä. 2

12 3 2. TEOREETTINEN TAUSTA Tässä luvussa esitellään työhön liittyvää taustatietoa, kuten esimerkiksi sitä, kuinka salama syntyy ja millaisen ylijännitteen se saa aikaan keskijänniteverkossa. Etenkin indusoituneita ylijännitteitä on painotettu, koska indusoituminen on yleisin ukkosylijännitemekanismi keskijänniteverkossa Ukkonen Ukkonen on sääilmiö, jossa pilvien erimerkkiset sähkövaraukset purkautuvat salamaniskuna. Ukkospilvi syntyy ilmamassojen voimakkaiden pystyvirtausten ja nousevan kostean ilman seurauksena. Ukkospilven pystyvirtauksissa tapahtuu varausten erottumista. Erottumismekanismia ei tunneta tarkasti, mutta prosessin seurauksena negatiivisesti varautuneet raskaat hiukkaset, esimerkiksi lumirakeet, kerääntyvät pilven ala- ja keskiosiin, kun taas positiivinen varaus syntyy yläosiin. Myös pilven alareunassa voi olla pieni positiivisesti varautunut alue. Kuvassa 2.1 on esitetty ukkospilven kaaviokuva, josta käy ilmi pilven rakenne. Pilven sisäiset potentiaalierot saattavat olla jopa gigavoltin luokkaa. Sähkökentän suunta ja voimakkuus muuttuvat ukkospilven alla. Normaalisti sähkökentän voimakkuus on maanpinnalla noin 100 V/m, kun taas ukkospilven alla se voi olla useita kilovoltteja metriä kohti. [1;2] Ukkonen on tärkeä ilmakehän varaustilanteen ylläpitäjä. Maan pinnan ja ionosfäärin välillä on keskimäärin 300 kv potentiaaliero, joka aiheuttaa ilmakehän läpi kulkevan vuotovirran, jonka tiheys on noin 3 pa/m 2. Maapallon pinta-ala huomioon ottaen tämä vastaa noin 2 kiloampeerin vuotovirtaa. Maapallolla on joka hetki käynnissä noin 2000 ukonilmaa, jotka siirtävät positiivista varausta ilmakehään, jolloin virtatasapaino säilyy. [8]

13 4 Kuva 2.1. Ukkospilven kaaviokuva [9]. Suomessa esiintyvä ukkonen jaetaan kahteen lajiin: rintamaukkoseen ja ilmamassaukkoseen. Noin puolet esiintyvistä ukkosista luetaan ilmamassaukkosiin, jonka nimitys tulee siitä, että ukkonen esiintyy ilmamassan sisällä eikä ilmamassojen rajalla kuten rintamaukkonen. Ilmamassaukkonen voi elinaikanaan, joka kestää puolesta tunnista tuntiin, pysyä melkein paikallaan. Ilmamassaukkoseen luetaan esimerkiksi lämpöukkonen, jossa kauniin ilman kumpupilvet kasvavat auringonpaisteen vaikutuksesta kuuro- ja ukkospilviksi. [1] Toinen puoli Suomen ukkosista on rintamaukkosia, jotka syntyvät kahden ilmamassan rajavyöhykkeelle. Rintamaukkonen syntyy helpommin kylmään rintamaan, jolloin tiheä kylmä ilma kiilautuu kevyemmän lämpimän ilman alle saaden tämän nousemaan ja muodostamaan pystyvirtauksen. Auringonsäteily ei juuri vaikuta rintamaukkosen syntyyn, vaan tätä tyyppiä esiintyy sekä päivällä että yöllä. Rintamaukkosen yhteydessä nähdään myös äänettömiä leimahduksia, elosalamoita ja kalevantulia. Elosalamaksi kutsutaan viivasalamaa jonka yhteydessä ei kuulu ääntä. Kalevantulella tarkoitetaan äänetöntä pilvisalamaa tai maasalaman heijastusta, mutta yleensä nimityksiä käytetään kuvaamaan äänetöntä leimahdusta tekemättä eroa niiden välille. [1;2] Salaman syntymekanismi Pilven negatiivisesti varautuneen alueen etäisyys maasta vaihtelee muutamasta kilometristä kymmeneen kilometriin. Tavallisesti salamapurkaus alkaa negatiivisen alueen reunalta. Purkaus syttyy, kun varausalueiden aiheuttama kentänvoimakkuus ylittää ilman sähkönlujuuden, joka on noin 3 MV/m kuivalla ilmalla normaalipaineessa.

14 5 Mikroskooppinen paikalliskenttä kuitenkin voimistuu jää- ja vesihiukkasten pinnalla, jolloin kentän kynnysarvoksi riittää kv/m. [1;8] Aluksi pilvestä etenee leader-purkaus noin metrin pituisin hypyin. Leaderpurkauksen keskimääräinen etenemisnopeus on luokkaa 0,1 0,8 m/µs. Salaman lopullinen iskukohta määräytyy vasta metrin etäisyydellä maasta. Purkauksen lähestyessä maan kentänvoimakkuus kohoaa. Jos ilman läpilyöntilujuus ylittyy kärjen kohdalla, maasta lähtee leader-kanavaa kohti suuntautuva vastakkaismerkkinen esipurkaus. Jos nämä purkaukset kohtaavat, pääpurkaus lähtee muodostunutta kanavaa pitkin maasta pilveen. Pääpurkauksen nopeus on m/µs. Pääpurkauksen virta vaihtelee muutamasta kiloampeerista satoihin kiloampeereihin ja aiheuttaa purkauskanavan adiabaattisen kuumenemisen jopa kelvinin lämpötilaan. Kuumenemisen seurauksena kanava laajenee noin kolmen kilometrin sekuntinopeudella aiheuttaen paineaallon, joka kuullaan jyrinänä. Syntyvä valoilmiö, jota kutsutaan salamaksi, johtuu kanavassa hehkuvasta plasmasta. [1;2] Kuva 2.2. Salaman syntyminen (negatiivinen maasalama) [modifioitu lähteestä 3]. Kuvassa 2.3 on esitetty negatiivisen maasalaman sähkökenttäpulssi 100 kilometrin etäisyydeltä iskukohdasta 512 mikrosekunnin otoksena. Magneettikentän komponentti on hyvin samanlainen. Ensimmäisen sadan mikrosekunnin aikana näkyvän heikon värähtelyn aiheuttaa esisalama. Pääsalama aiheuttaa muutamassa mikrosekunnissa nousevan pulssin, jonka kesto on µs. Salamavirran huippuarvo määrää pulssin korkeuden. Ennen vaimenemistaan pulssi värähtelee. [1]

15 6 Kuva 2.3. Negatiivisen maasalaman sähkökenttäpulssi (pystyasteikko mielivaltainen) [1] Salamatyypit Maasalamat jaetaan positiivisiin ja negatiivisiin salamoihin riippuen siitä, onko salama saanut alkunsa pilven positiivisesta vai negatiivisesta varausalueesta. Lisäksi salamoita esiintyy ukkospilven sisällä sekä pilven ja ilman välillä. Kuvassa 2.4 on esitetty eri salamatyypit. [1] Kaikista salamoista noin kolmasosa on negatiivisia maasalamoita. Kuvassa 2.2 on esitetty negatiivisen maasalaman syntymekanismi ensimmäiseen pääsalamaan asti. Tälle salamatyypille on tyypillistä purkautua monta kertaa. Ensimmäisen pääsalaman jälkeen pilvestä usein syöksyy alas nopea 50 metrin pituinen nuolisalama, joka virkistää purkauskanavan uudelleen, ja seuraa uusi pääsalama. Iskumäärää kutsutaan salaman kerrannaisuudeksi. Nuolisalama-pääsalamapareja voi joskus olla jopa toistakymmentä. [1] Ukkospilven positiivisesti varautunut alue on paljon kauempana maasta kuin negatiivinen alue, joten sen on helpompi purkautua pilven sisällä negatiiviseen alueeseen. Joissain tapauksissa positiivinen alue voi purkautua maahan, jolloin puhutaan positiivisista maasalamoista. Näitä esiintyy erityisesti keväällä ja syksyllä sekä kesäukkosen loppuvaiheessa. Maasalamoista noin % on positiivisia maasalamoita. Positiivinen salama alkaa positiivisena soihtupurkauksena pilven yläosan jääkiteistä ja jatkuu esisalamana. Positiivinen esisalama etenee tasaisesti eikä haaroitu yhtä paljon kuin negatiivinen. Tällöin se avaa purkauskanavan tehokkaammin ja iskee lähes aina vain kerran. Positiivisen pääsalaman kestoaika on pidempi kuin negatiivisen, joten se kuumentaa iskukohtansa tehokkaammin. Salamavirta on keskimäärin kaksinkertainen negatiiviseen pääsalamaan verrattuna. [1]

16 7 Kuva 2.4. Salamatyypit [modifioitu lähteestä 1]. Salamapurkauksista yleisin on pilvisalama. Suomessa pilvisalamoita on noin kaksinkertainen määrä maasalamoihin verrattuna. Pilvisalama alkaa usein varauskeskusten välisen alueen yläpuolelta positiivisesti varautuneesta alueesta alaspäin ja osittain sivulle etenevänä soihtupurkauksena. Saapuessaan negatiivisen varauksen alueeseen se haarautuu voimakkaasti. Tämä tapahtuma on hidas; se kestää peräti 0,25 sekuntia. Ilmassa pilven ulkopuolella leijuvat aerosoli- ja ionivaraukset saattavat ohjata pilvisalaman purkausreittiä siten, että se eksyy ulos pilvestä. Jos purkaus päättyy pilven ulkopuolella leijuviin varauksiin, se muodostaa runsaasti haaroittuvan ilmasalaman. [1] Suomen salamatilastoja Suomi ei pohjoisen sijaintinsa takia ole kovin ukkosaktiivista aluetta, mutta matalapaineiden hallitsema ilmasto aiheuttaa toisinaan kesäaikaan ukkosjaksoja, joiden salamamäärät ovat huomattavia. Ukkosen havainnointisuureina käytetään yleensä ukkospäivälukua ja salamamääriä. [1] Ukkospäiväluku perustuu näkö- ja kuulohavaintoihin eikä siksi anna kovin tarkkaa tietoa ukkosesta. Salamanlaskijoiden avulla saadaan tietoa myös salamamääristä. Salamanlaskija antaa sykäyksen, kun pilven negatiivisen varauskeskuksen sähkökenttä maanpinnalla muuttuu jyrkästi salaman neutraloidessa varausta. Sykäyksiä aiheuttavat maasalamoiden lisäksi pilvisalamat, mutta sopivilla säädöillä voidaan osa pilvisalamoista eliminoida. Salamanlaskija on parhaimmillaan paikallisessa havainnoinnissa, ja sen herkkyyden tulisi vastata noin kahdenkymmenen kilometrin havaintosädettä.

17 8 Suomessa salamanlaskijahavaintoja on tehty vuodesta 1959 ja ukkospäivähavaintojaa vuodesta Kuvassa 2.5 on esitetty ukkospäivät ja salamatiheys kymmenen vuoden keskiarvona. Jos salamatiheys ylittää kahdeksanky ymmentä salamaa sataa neliö- kilometriä kohti, ukkosta voidaan sanoa poikkeuksellisen rajuksi. [1] Kuva 2.5. Vuosikeskiarvoja jaksolta [5] Salamapurkausten ominaissuureita Salamapurkaukseen liittyviä tärkeimpiä suureita ovat salaman huippuvirta, virran jyrkkyys, salamapurkauksen joule-integraali, kestoaika (puolet huipusta) ja salaman neutraloima varaus. Muita suureita ovat esimerkiksi negatiivisen salaman kerrannaisuus, salaman nopeus ja pääsalamoiden aikaväli. Taulukossaa 2.1 on esitetty pilvi-maasalaman tilastollisiaa ominaisuuksia. [8] Havaintojärjestelmien kehittymisen myötä pieniä salamoita havaitaan tarkemmin, ja siksi keskiarvot ovat pudonneet hieman taulukon 2.1 arvoista. Salaman huippuvirta riippuu salamatyypistä: negatiivisella maasalamalla se on keskimäärin 30 ja positiivisella 60 kiloampeeria. Kuvasta 2.6 nähdään että negatiivisten salamoiden voimakkuuksien jakauma on positiivisia kapeampi ja ylittää harvoin 1000

18 9 kiloampeeria. Energiamäärät salamatyypeillä ovat samoja, koska positiivinen salama on lähes aina yksinkertainen, kun taas negatiivisista salamoista noin puolet on moninkertaisia. [1] Kuva 2.6. Salamavirtojen voimakkuuksien kertymäjakaumat [5]. Joule-integraali kuvaa energiaa, joka muuttuu lämmöksi salamavirran kulkiessa vastuksen läpi. Noin 98 % salaman energiasta kuluu salamakanavassa olevan ilman räjähdysmäiseen laajenemiseen, jolloin vain pieni osa energiasta jää esimerkiksi maassa olevan iskukohdan kuumentamiseen. [1;2]

19 10 Taulukko 2.1. Pilvi-maasalamoiden tilastollisia ominaisuuksia ja todennäköisyys jolla taulukkoarvo ylitetään. 1- = ensimmäinen negatiivinen pääpurkaus, 2- = negatiiviset jälkipurkaukset, + = positiivinen purkaus [8]. Suure 95 % 50 % 5 % Virran huippuarvo I/kA Purkauksen varaus Q/C Rinnan maksimijyrkkyys S max ka/µs ,1 4,6 1,1 0,2 2 9,1 9,8 0,2 31,1 12,3 35 4,7 0, ,3 39,9 2, , ,8 4, , Rinnan keskimääräinen jyrkkyys S av ka/µs 1-2- Joule-integraali (ka) 2 /s ,6 4,1 6,0*10-3 6,0*10-4 0,025 7,2 20,1 0,057 6,0*10-3 0,65 20,0 98,6 0,545 0, Salaman aiheuttamat ylijännitteet sähköverkossa Salaman aiheuttamat ylijännitteet jaetaan syntymekanismin perusteella suoriin salamaniskuihin, indusoituneisiin ylijännitteisiin ja takaiskuihin jännitteettömästä (yleensä maadoitetusta) osasta. Ylijännite voi syntyä myös influenssin kautta, mutta tämän mekanismin merkitys on vähäinen. IEC standardi määrittelee salamasyöksyjännitteen testaukseen käytettävän jännitteen tyypiksi kuvassa 2.7 esitetyn jännitteen. Testausjännitteen rinnan kestoaika on 1,2 ± 0,36 µs ja selän puoliarvonaika 50 ± 10 µs. Ylitys tai ylivärähtelyn amplitudi ei saa ylittää 5 % huippuarvosta. [2]

20 11 Kuva 2.7. Koejännitteen muoto [30]. Kuva 2.8. Periaatteellinen kuva kulkuaallosta. Ylijännitteet etenevät johdoissa kulkuaaltojen muodossa. Kuvassa 2.8 on esitetty kulkuaalto x,u-koordinaatistossa, jossa x on johtimen pituus, v w on kulkuaallon etenemisnopeus ja u kulkuaallon jännite. Salaman aiheuttamat syöksyaallot käyttäytyvät kuten kulkuaallot. [2] Aaltoimpedanssi Verkon komponentit kuvataan kulkuaaltotarkastelussa aaltoimpedanssilla Z w, joka on rakenteellinen ominaisuus. Johdon aaltoimpedanssi ei riipu jännitteestä, virrasta eikä johdon pituudesta. Aaltoimpedanssin yhtälöissä esiintyvät l l ja c l (induktanssi ja kapasitanssi pituusyksikköä kohti) riippuvat johdon rakenteen lisäksi eristeen permeabiliteetista µ ja permittiviteetistä. Esimerkiksi kaapeleilla permittiviteetti

21 12 poikkeaa tyhjiön arvosta. Jos taajuus oletetaan äärettömäksi tai maapiiri häviöttömäksi, saadaan yksittäisen johtimen induktanssille ja kapasitanssille laskettua arvot yhtälöillä: [2] (2.1) (2.2) joissa h = johtimen korkeus maanpinnasta r = johtimen säde µ 0 =tyhjiön permeabiliteetti (4*10-7 Vs/Am) 0 = tyhjiön permittiviteetti (8,85*10-12 As/Vm) Häviöttömän johdon aaltoimpedanssi Z w lasketaan yhtälöllä: Z w =, missä (2.3) l l = johdon induktanssi pituusyksikköä kohti c l = johdon kapasitanssi pituusyksikköä kohti Pituusyksikkökohtainen kapasitanssi ja induktanssi vaikuttavat myös kulkuaallon etenemisnopeuteen. Jos väliaineen permeabiliteetti ja permittiviteetti poikkeavat tyhjiön arvoista, kulkuaallon aaltoimpedanssi ja etenemisnopeus muuttuu. Etenemisnopeus v w lasketaan seuraavalla yhtälöllä: [2], missä (2.4) c = valonnopeus tyhjiössä µ r = suhteellinen permeabiliteetti r = suhteellinen permittiviteetti Avojohdoilla aaltoimpedanssit vaihtelevat välillä ja kaapeleilla 10 40, ja kulkuaallon etenemisnopeus avojohdolla on noin 250 m/µs ja kaapelilla noin 175 m/µs. Avojohdon aaltoimpedanssia voi muuttaa johtimella esiintyvä korona, joka myös loiventaa kulkuaaltoa. Aaltoa loiventavat myös maapiirin ja johtimen omat häviöt sekä kaapelissa eristeen tehohäviöt. [2] Jos kulkuaalto kohtaa edetessään epäjatkuvuuskohdan, kuten esimerkiksi aaltoimpedanssin muutoksen, aalto heijastuu. Jatkavan ja heijastuvan aallon amplitudit

22 13 riippuvat epäjatkuvuuskohdan tyypistä. Kun aalto kulkee esimerkiksi avojohdolta kaapeliin, jonka aaltoimpedanssi on avojohtoa pienempi, kaapelissa jatkava aalto on kaapeliin tulevaa aaltoa pienempi. [2] Suorat salamaniskut vaihejohtimeen Salaman iskiessä vaihejohtimeen salamavirta jakautuu kuvan 2.9 mukaisesti kulkuaaltoihin, jotka etenevät johdon molempiin suuntiin. Syntyvän ylijänniteaallon suuruus saadaan yhtälöllä: [2]! " # $ (2.5) missä Z w on johtimen aaltoimpedanssi ja i salamavirta. Kerroin 0,5 tulee siitä, että salamavirta jakaantuu kahteen osaan. Kuva 2.9. Salamavirran jakautuminen kulkuaalloiksi. Suorien salamaniskujen aiheuttamat ylijännitteet ovat yleensä suuruusluokaltaan useita megavoltteja, mikä johtaa jakeluverkossa hyvin todennäköisesti kolmivaiheiseen oikosulkuun. Tällöin salamavirran voidaan katsoa jakautuvan vielä kolmeen osaan vaihejohtimien kesken Indusoituneet ylijännitteet Kun salama iskee johtimen välittömään läheisyyteen, se aiheuttaa usein ylijännitteen, jonka aikaansaa pääpurkausvirran sähkömagneettinen induktio. Tässä tapauksessa purkauskanava ja johto, johon jännite indusoituu, ovat lähes kohtisuorassa toisiaan vastaan, joten kyse ei ole induktiosta sen tavanomaisessa merkityksessä. Johdon voidaan ajatella jakautuvan kuvan 2.10 mukaisesti lc-silmukoihin, joihin nopeasti muuttuva salamavirta saa aikaan jännitteen. [2]

23 14 Kuva Salamavirran sähkömagneettinen induktio, i = salamavirta, d = johtimen ja purkauskanavan välinen etäisyys, h = johtimen korkeus maanpinnasta [2]. Jakeluverkkoihin kohdistuneista ukkosylijännitteistä indusoituneiden ylijännitteiden osuus on suurin. Indusoitumalla syntyneiden ylijännitteiden polariteetti on kaikissa vaiheissa sama. Ylijännitteen huippuarvo on suhteellisen pieni, kv, mutta keskijänniteverkossa tämänkin suuruinen ylijännite on merkittävä. Jopa 500 kv suuruinen ylijännite on mahdollinen, kun suurivirtainen salama iskee aivan johdon lähelle, esimerkiksi metsämaastossa, jossa johto on puiden suojaama. [2] Indusoituneiden ylijännitteiden parametrit ja laskenta Indusoituneen ylijännitteen amplitudi on suoraan verrannollinen salamavirran voimakkuuteen ja johdon korkeuteen, ja kääntäen verrannollinen iskupaikan ja johdon väliseen etäisyyteen [8]. Lisäksi salamavirran jyrkkyys, maan johtavuus ja johdinkonfiguraatio vaikuttavat indusoituneen jännitteen muotoon [13]. Kuvassa 2.11 on esitetty indusoituneen jännitteen muoto 1 km pituisessa johtimessa, joka on 10 metrin korkeudessa. Salamanisku on tapahtunut johtimen puolivälissä 50 metrin etäisyydellä johtimesta. Maaperän johtavuus on oletettu äärettömäksi. [14]

24 15 Kuva Indusoituneen ylijännitteen aaltomuoto [14]. Seuraavassa on esitelty tarkemmin eri parametrien vaikutusta indusoituneeseen ylijännitteeseen. a) Salamavirran rinnan nousuaika Salamavirran nousuaika vaikuttaa ylijännitteen amplitudiin ja jyrkkyyteen kuvan 2.12 osoittamalla tavalla. Indusoituneen jännitteen amplitudi kasvaa, kun virran nousuaika pienenee. [15] Kuva Salamavirran rinnan nousuajan vaikutus indusoituneeseen jännitteeseen [15].

25 16 b) Salamavirran vaimenemisaika Salamavirran vaimenemisajalla ei ole merkittävää vaikutusta indusoituneeseen jännitteeseen [15]. c) Salamavirran voimakkuus Indusoituneen jännitteen amplitudi on suoraan verrannollinen salamavirran voimakkuuteen, mutta voimakkuus ei vaikuta indusoituneen jännitteen jyrkkyyteen. [15] d) Pääpurkausvirran nopeus Pääpurkausvirran nopeus vaikuttaa indusoituneen jännitteen amplitudiin, rinnan nousuaikaan ja jopa vaimenemisaikaan. Nopeuden vaikutus vaihtelee tarkastelupisteen ja maaperän johtavuuden mukaan. [15] e) Maaperän johtavuus Maaperän johtavuus vaikuttaa pääasiassa indusoituneen jännitteen amplitudiin ja muotoon. Indusoitunut jännite voi olla myös kaksinapainen, riippuen salaman iskupaikasta, tarkastelupisteestä johdolla ja maaperän johtavuudesta. Negatiivinen huippu voi olla jopa voimakkaampi kuin positiivinen. Kun johtavuus vaihtelee äärettömän ja 0,001 S/m välillä, vaikutus indusoituneen jännitteen amplitudiin voi olla %. [15] f) Iskupaikan etäisyys Indusoituneen jännitteen amplitudi on kääntäen verrannollinen iskupaikan etäisyyteen johtimesta. Kuvassa 2.13 tarkastellaan iskupaikan ja johtimen välisen etäisyyden vaikutusta jännitteeseen. [15]

26 17 Kuva Johtimen ja iskukanavan välisen etäisyyden vaikutus indusoituneeseen ylijännitteeseen. Sama johdinkonfiguraatio kuin kuvassa 2.11 [14]. g) Johdon korkeus maanpinnasta Indusoitunut jännite on suoraan verrannollinen johtimen korkeuteen, kun maaperän johtavuus on jätetty huomiotta. Maaperän johtavuus pienentää oleellisesti johdinkorkeuden vaikutusta jännitteeseen, etenkin johtimen loppupäässä. [15] h) Korona Korona lisää jännitteen nousuaikaa ja loiventaa aaltomuotoa. Toisin kuin suorissa salamaniskuissa, korona kasvattaa laskelmien perusteella indusoituneen jännitteen amplitudia. Koronan vaikutusta indusoituneisiin jännitteisiin voidaan pitää yhtä tärkeänä kuin maan johtavuutta sillä edellytyksellä, että koronan syttymisjännite ylittyy, eli korona on merkittävä vain voimakkailla salamavirroilla. Kuvassa 2.14 arvioidaan koronan vaikutusta indusoituneisiin jännitteisiin eri etäisyyksillä johdon päästä, kun maan johtavuus on oletettu äärettömäksi. [16]

27 18 Kuva Koronan vaikutus indusoituneisiin ylijännitteisiin kun maan johtavuus on oletettu äärettömäksi. Salamavirran voimakkuus on 34 ka ja iskukohta on 50 metrin päässä johtimesta. Katkoviivat kuvaavat jännitteitä ilman koronan vaikutusta. [16] Ylijännitteiden laskenta Ylijännitteiden mallintaminen voidaan jakaa kolmeen osaan [17]: 1. Pääpurkausvirran mallintaminen, jolla arvioidaan salamavirran voimakkuutta purkauskanavassa ajan ja paikan funktiona (return-stroke model). 2. Salamavirran muodostaman sähkömagneettisen (Lightning Electromagnetic Pulse, LEMP) kentän mallintaminen. 3. Jännitteen laskenta sähkömagneettisen kentän ja johtimen toisiinsa kytkevällä yhdysmallilla (coupling model). Indusoituneiden ylijännitteiden laskentaan on kehitetty monia malleja. Tunnetuimpia niistä ovat Rusck-, Jankov- ja Agrawal et al mallit. Agrawal et al -malli on näistä tarkin, mutta myös monimutkaisin ja vaatii numeerisia menetelmiä ratkaisussa. [14] Lähteessä [15] on lisäksi esitetty seuraava yhtälö ylijännitteen huippuarvon arviointiin: *.// -0 *12-3 *4 % &'( )*+,- 5 *21-6 *7-8 *22/ -9 *72;<=> (2.6) : missä h = johtimen korkeus [m]

28 19 = kulma johtimen päästä salaman osumispaikkaan piirretyn viivan ja johtimen välillä [rad] = maaperän johtavuus (S/m) I = salaman huippuvirta [ka] t f = salamavirran nousuaika [µs] v = pääpurkausvirran nopeus [m/µs] Rusck-malli Rusck-mallissa oletetaan, että johtimella sähkökenttä on sama kuin sähkökenttä maassa ja että virran aaltomuoto on askelmainen. Johdin on oletettu äärettömän pitkäksi ja maaperän johtavuus äärettömäksi. Yhtälö on seuraavanlainen [15]: %? -ABC 3 - D3 E;<=> (2.7) missä # F " G H+I h = johtimen korkeus [m] I 0 = virran huippuarvo [ka] y = etäisyys iskukohtaan [m] v = pääpurkausvirran nopeus [µs] c = valonnopeus 300 [m/µs] Jankov-malli Jankov-mallissa oletuksena on, että purkausvirran aaltomuoto on niin sanotun Heidleryhtälön mukainen ja että salamavirran nopeus on 100 m/µs. Lisäksi avojohto oletetaan yksijohtimiseksi. Muita parametreja, kuten salamavirran voimakkuus tai johdinkorkeus, voi vaihdella. Heidler-yhtälöllä kuvataan purkausvirran muotoa [18]: +* 0 K - L (2.8) J "M K L -NOPQ9 R missä SNOPQTUVWX I 0 = virran amplitudi [ka] T = virran nousuajan parametri [s] = virran vaimenemisajan parametri [s]

29 20 Johtimeen indusoituneelle maksimijännitteelle ja salaman iskuetäisyyden välille löydettiin riippuvuus yli 300 simuloinnin ja eri parametrien varioinnin tuloksena, ja siitä johdettiin seuraava yhtälö [18]: % &'( YZ [ -\ F -NOPZ F CZ " -]YCZ^-]^Y;<=> (2.9) missä I 0 = virran amplitudi [ka] T = virran nousuajan parametri [s] = virran vaimenemisajan parametri [s] Z [ "F _BQ+*B,`)-VQ+*,QH*HHH-B+DG - G*F *a-xb Z F U*U)CH*U)-NOPQ cddf*"c7*4/ F*^^ Z " e DTe f*g^ Z^g+*`-NOPQ cddf*"hc7*4 C+*B,-gBQ+*ii`jk2*2/ lqb*b)l-b+ DG *Vm+*Bno F*"h Z^pQ+*qC`*)-VQ+*+Ur-B+ DG * +svt+*bno D = lyhin etäisyys johdon ja iskupaikan välillä [m] Takaisku Takaiskulla tarkoitetaan salamaniskua verkon jännitteettömään (yleensä maadoitettuun) osaan, josta esimerkiksi suuren maadoitusimpedanssin takia syntyy isku verkon jännitteiseen osaan. Yleensä salamanisku osuu pylvääseen tai ukkosjohtimeen. Takaiskua voidaan ehkäistä tehokkaalla maadoituksella, mutta tämä on usein Suomen olosuhteissa hankalaa. [2] Jakeluverkoissa takaisku on ukkosjohtimien puuttumisen ja käytettyjen pylväsrakenteiden vuoksi epätodennäköinen, joten sitä ei käsitellä tässä työssä tämän laajemmin Jakelumuuntajat ja ylijännitesuojaus Jakelumuuntajaa käytetään muuntamaan keskijänniteverkon jännite pienjännitteiseksi. Tavallisin muuntosuhde on 20/0,4 kv. Suomessa jakelumuuntajat ovat kolmivaiheisia ja ne on suojattu yläjännitepuolelta erimuotoisilla kipinäväleillä tai venttiilisuojilla (kipinävälillisillä piikarbidisuojilla tai metallioksidisuojilla) riippuen muuntajan nimellistehosta, joka vaihtelee muutamasta kymmenestä useisiin tuhansiin kilovolttiampeereihin. Ylijännitesuojauksen tavoitteena on leikata ylijännitteen korkein piikki pois, jotta suojattavan laitteen kestotaso ei ylity. [6]

30 Jakelumuuntajan rakenne Muuntaja on rakenteeltaan yksinkertainen staattinen sähkökone, josta erotetaan aktiiviset ja passiiviset osat. Aktiivisiin osiin luetaan käämitykset ja rautasydämen muodostava magneettipiiri. Nämä suorittavat muuntajan varsinaisen tehtävän. Passiivisia osia ovat esimerkiksi eristimet ja tukirakenteet. [7] Muuntajat rakennetaan lähes aina rautasydämen ympärille. Sydämen osia, joita käämitys ympäröi, kutsutaan pylväiksi ja pylväitä yhdistäviä osia ikeiksi. Jotta pyörrevirrat pysyisivät pieninä, rautasydän kootaan ohuista, 0,3 0,5 mm paksuisista kylmävalssatuista laminoiduista kidesuunnatuista levyistä, jotka pidetään koossa puristuspalkeilla. Rautasydän pyritään latomaan siten, että vuon kulkusuunta olisi mahdollisimman tarkkaan kidesuunnan mukainen. Kidesuunnatun teräksen maksimivuontiheys voi teoriassa olla 2 T suuruusluokkaa, mutta käytännön rakenteissa saavutettavat vuontiheydet ovat pienempiä. Sydänlevymateriaali sisältää pieniä määriä piitä (1 3 %). Piin lisääminen kasvattaa raudan ominaisvastusta ja pienentää siten sydänmateriaalin pyörrevirtahäviöitä. Kuvassa 2.15 on muuntajasydän ilman käämityksiä. [7] Kuva Muuntajasydän ilman käämityksiä [7]. Muuntajassa käämityksiä on normaalisti kaksi: ylä- ja alajännitekäämitys. Niitä voidaan kutsua myös ensiö- ja toisiokäämityksiksi tehon virtaussuunnan mukaan. Yläja alajännitekäämi ovat yleensä samalla pylväällä hajavuon minimoimiseksi. Tavallisesti alajännitekäämi on rautasydämen ympärillä ja yläjännitekäämi sen ulkopuolella. Tällöin eristys ja yläjännitekäämin väliotot on melko yksinkertaista toteuttaa. [7] Kuvassa 2.16 on esitetty kolmivaihemuuntajan käämitykset ja magneettipiiri.

31 22 Kuva Kolmivaihemuuntajan aktiiviset osat. 1 = yläjännitekäämitys, 2 = alajännitekäämitys, p = pylväs, i = ies [7;10]. Jakelumuuntajien käämitykset tehdään alumiinista. Alajännitekäämien materiaalina käytetään kaksikerroksista muotolankakäämiä tai ruuvikäämiä. Keskikokoisissa jakelumuuntajissa käytetään leveää alumiininauhaa. Käämit ovat paperieristeisiä, ja alajännitekäämin ja rautasydämen välissä on prespaanilieriö. Yläjännitekäämi tehdään yleensä muoto- tai pyörölangasta. Lanka on joko lakka- tai paperieristeistä alumiinilankaa, ja kerroseristyksenä käytetään paperia. Ylä- ja alajännitekäämien välissä on eristelieriö. [12] Jakelumuuntajissa käytetään yleensä eristeenä ja jäähdytysaineena maaöljystä tislaamalla valmistettua muuntajaöljyä, jonka ominaisuudet on määritelty standardissa IEC Muuntajaöljyltä vaaditaan suurta jännitelujuutta, hyvää lämmönsiirtokykyä ja hapettumiskestävyyttä. Lisäksi nesteellä pitäisi olla alhainen viskositeetti, jotta se täyttäisi kiinteän eristeen huokoset. Viskositeetin tulisi säilyä alhaisena kylmissäkin olosuhteissa, jotta neste pysyisi juoksevana myös talvisin. Mineraaliöljyn jähmettymispiste on noin -50 ºC, leimahduspiste ºC ja suhteellinen permittiviteetti 2,2 (50 Hz, 25 ºC). [2;6]

32 23 Kuva Jakelumuuntajan periaatteellinen kuva edestä ja ylhäältä. Muuntajan kotelomateriaalina käytetään niukkahiilistä teräslevyä, jonka paksuus on 4 6 mm. Suurissa koteloissa tarvitaan jäykisteitä. Yli 50 kva kokoisten muuntajien kotelon sivuille on yleensä lisätty jäähdytysripoja lämmönsiirron tehostamiseksi. Vaiheet viedään muuntajakotelon sisälle posliinisten läpivientieristimien kautta (kuva 2.17). Muuntajakotelo voi olla hermeettisesti suljettu tai paisuntasäiliöllä varustettu. [10] Joskus öljyeristeisen muuntajan käyttö on mahdotonta ympäristö- tai paloturvallisuussyistä. Tällöin voidaan käyttää kuivamuuntajaa, jossa eristysaineena toimii öljyn sijaan ala- ja yläjännitekäämin välisessä tilassa kulkeva ilma. [7] Muuntajan kytkennät Muuntajakäämitykset voidaan kytkeä joko tähteen (Y/y) tai kolmioon (D/d). Alajännitekäämitys voi olla jaettu kahteen kierrosluvultaan yhtä suureen osaan, jolloin voidaan käyttää hakatähtikytkentää (Z/z). Suomessa yli 100 kva jakelumuuntajilla käytetään kytkentänä yleensä Dyn11-kytkentää ja alle 100 kva muuntajilla Yzn11- kytkentää. Molemmissa kytkennöissä alajännitepuolen tähtipiste on maadoitettu. [7] Dyn11 tarkoittaa, että yläjännitepuolella muuntajakäämit on kytketty kolmioon ja alajännitepuolella tähteen. Numero 11 viittaa niin sanottuun kellolukemaan, joka ilmoittaa, missä kellotaulun numerossa toision jänniteosoitin on, kun ensiön osoitin on kello kahdentoista kohdalla. Dyn11-kytkennässä toision vaihejänniteosoitin on siis 11*30 eli 330 astetta ensiön vaihejänniteosoitinta jäljessä. [12] Kuvassa 2.18 on esitetty Dyn11-kytkennän osoitinpiirros sekä käämikytkennät.

33 24 Kuva Dyn11-kytkentä. Yzn11-kytkennässä ensiö on kytketty tähteen ja toisio hakatähteen. Toision jänniteosoitin on niin ikään 330 astetta ensiötä jäljessä. Johdon kannalta hakatähtikytkentä vastaa tähtikytkentää, ja se tasoittaa epäsymmetrisen kuorman vaikutuksia. Se vaatii kuitenkin 15,5 % enemmän johdinmateriaalia, ja sisäiset kytkennät ovat hankalammat. [12] Kuvassa 2.19 on Yzn11-kytkennän osoitinpiirros ja käämikytkennät. Kuva Yzn11-kytkentä Jakelumuuntajan ylijännitesuojaus Keskijänniteverkon vaihejohtimeen osuva salamanisku tai indusoituva ylijännite vaarantaa ensi sijassa muuntajat, ja siksi ne varustetaan ylijännitesuojilla. Lisäksi muuntajan kuoren, ylijännitesuojien ja tähtipisteen maadoitukset yhdistetään. Yhdistämisen seurauksena muuntajan maadoitusimpedanssin rinnalle tulevat kaikki pienjännitepuolen maadoitukset. [19] Alle 200 kva pylväsmuuntamot on yleisen käytännön mukaan varustettu suojakipinäväleillä. Uutena suojatyyppinä markkinoille on tullut niin sanottu yhdistelmäsuoja, jossa on metallioksidisuoja ja kipinäväli samassa tuotteessa, ja sellaisten käyttöä suositellaan uusien alle 200 kva muuntajien suojaukseen. Metallioksidisuojia käytetään tehon ollessa 200 kva tai enemmän. [6]

34 25 Kipinävälit Kipinävälit ovat halpoja ja rakenteeltaan yksinkertaisia, ja tästä syystä niitä on yleisesti käytetty pienten muuntajien suojaukseen. Muuntajan tulee kuitenkin kestää kipinävälin mahdollistamat ylijännitteet ja sen toiminnasta aiheutuvat jyrkät jännitemuutokset. Kipinäväli asennetaan suojattavan kohteen välittömään läheisyyteen, ja sen yläpuolella on oltava valokaaren laajenemisen vuoksi vähintään 0,7 metriä vapaata tilaa. [2] Kipinävälin huono puoli on se, että toimiessaan kipinäväli aiheuttaa maasulun, jonka poistamiseen tarvitaan lyhyt jännitteetön aika eli pikajälleenkytkentä. Lisäksi kipinävälin toimintajännite riippuu polariteetista, sääolosuhteista ja pienistä elektrodirakenteiden eroista, ja siksi sen hajonta on suuri. Suuri hajonta vaikeuttaa luotettavaa suojausta. Kuvassa 2.20 on esitelty yleisimpiä kipinävälirakenteita. [2;9] Kuva Suomessa käytettyjä yleisimpiä kipinävälirakenteita 24 kv muuntamoilla. a) yksivälisuoja b) kaksivälisuoja [9]. Yksivälisuojan heikkous on ollut niiden alttius lintujen aiheuttamille valokaarille, ja tästä syystä pylväsmuuntamoilla on siirrytty käyttämään lintuesteellä varustettua kaksivälisuojaa, joka asennetaan muuntajaa edeltävän erottimen yhteyteen. Kaksivälisuojan kipinävälissä on keskielektrodi, joka estää lintuja oikosulkemasta kipinäväliä. Kuvassa 2.21 on esitetty 99 % läpilyöntitodennäköisyyttä vastaavat jänniteaika -ominaiskäyrät yksi- ja kaksivälisuojalle. [2]

35 26 Kuva Kipinävälien 99 % läpilyöntitodennäköisyyttä vastaavat jännite-aikaominaiskäyrät a) Kaksivälisuoja b) Yksivälisuoja [2]. Kipinävälin d välimatka on optimoitava siten, että pientaajuiset ja loivat transienttiylijännitteet eivät aiheuttaisi ylilyöntiä kipinävälissä, vaan kipinäväli toimisi suojana ukkosylijännitteitä vastaan. Tyypilliset elektrodivälit 24 kilovoltin verkossa ovat 60 ja 80 mm kaksivälisuojalle ja 80 ja 100 mm yksivälisuojalle. [2] Piikarbidisuojat Piikarbidisuoja on venttiilisuoja, joka koostuu epälineaarisesta piikarbidivastuksesta (SiC) ja levymäisillä elektrodeilla osiin jaetusta kipinävälistä. Piikarbidisuojia on käytetty pitkään Suomen keskijänniteverkoissa, ja tällä hetkellä noin 45 % venttiilisuojista on piikarbidisuojia. Nämä suojat ovat kuitenkin vähitellen poistumassa käytöstä, ja ne korvattaneen lähivuosina metallioksidisuojilla. [2;42] Suojan syttymisjännite määräytyy levykipinävälien ominaisuuksien mukaan ja sen hajonta pyritään pitämään kipinävälien muotoilulla mahdollisimman pienenä. Suojan yli vaikuttava jäännösjännite, eli suojan suojaustaso, määräytyy piikarbidivastusten ominaisuuksien perusteella. Suojan toimiessa sen läpi kulkee jonkin verran käyttötaajuista jälkivirtaa, joka kuitenkin sammuu itsestään jännitteen nollakohdassa. Suoja ei siis toimiessaan aiheuta maasulkua verkkoon, ja siten vältytään pikajälleenkytkentähäiriöiltä. Kuvassa 2.22 on esitetty piikarbidisuojan rakenne. [2;42]

36 27 Kuva Piikarbidisuojan rakenne. 1 = piikarbidivaristori, 2 = päätyelektrodi ja paineenpurkausläppä, 3 = posliinikuori, 4 = levykipinävälit, 5 = jousi, 6 = paineenpurkausaukko [42]. Metallioksidisuojat Metallioksidisuojan toiminta perustuu metallioksidielementin epälineaariseen vastukseen. Metallioksidisuoja toimii siis normaalijännitteessä eristeenä ja muuttuu johtavaksi, kun sen yli oleva jännite kasvaa riittävän suureksi. Vastuselementin pääasiallisena materiaalina on sinkkioksidi (ZnO) sekä pieniä määriä muita metallioksideja, joilla on suuri vaikutus elementin sähköisiin ominaisuuksiin. Kuvassa 2.23 on esitetty sinkkioksidivastuksen ominaiskäyrä. Vastuksia kytketään vaadittavan suojaustason ja energiapurkauskyvyn mukaan tarvittava määrä sarjaan ja rinnakkain ja koteloidaan posliini- tai polymeerikuoreen. [2] Kuva ZnO-vastuksen ominaiskäyrä eri lämpötiloissa [modifioitu lähteestä 9].

37 28 Metallioksidisuojan tärkeimpiä ominaissuureita ovat sen jatkuva käyttöjännite, käyttötaajuisen ylijännitteen sietokyky, mitoitusjännite, nimellispurkausvirta, jäännösjännite ja suojaustaso. [2] Jatkuva käyttöjännite (U c ) on se jännite, joka saa jatkuvasti vaikuttaa suojan yli. Käyttötaajuisen ylijännitteen sietokyky annetaan ominaiskäyränä, joka ilmoittaa suurimman käyttötaajuisen ylijännitteen sen kestoajan funktiona. Suurinta jännitettä, jolla suoja toimii IEC-standardin mukaisessa toimintasyklikokeessa, kutsutaan mitoitusjännitteeksi (U r ), ja sillä on merkitystä suojien testauksessa. Edellä mainitut jännitteet ovat tehollisarvoja. [2] Jäännösjännitteeksi kutsutaan suurinta jännitettä, joka vaikuttaa suojan yli sen ollessa johtavassa tilassa, ja se ilmoitetaan tietyille standardivirtapulsseille: jyrkälle virtapulssille (1/20 µs), syöksyvirtapulssille (8/20 µs) ja kytkentävirtapulssille. [2] Nimellispurkausvirta määrittelee suurimman syöksyvirran, jolle suoja on suunniteltu, ja tätä suuremmalla arvolla suoja ei välttämättä toimi oikein. Sen vaihtoehtoiset standardiarvot ovat 20, 10, 5, 2,5 ja 1,5 ka. Keskijänniteverkossa käytetään yleisesti 10 ka suojia ja vähemmän tärkeät kohteet suojataan 5 ka suojilla. Metallioksidisuojan haittoja ovat jatkuva vuotovirta suojan läpi ja vastuksen negatiivinen lämpötilakerroin, joka tarkoittaa sitä, että elementin lämpötilan noustessa sen johtavuus kasvaa. Tämä voi johtaa liiallisen lämpenemisen seurauksena termiseen läpilyöntiin. [9] Yhdistelmäsuojat Kipinävälin ja metallioksidisuojan sarjaankytkentää kutsutaan yhdistelmäsuojaksi tai virtaa rajoittavaksi suojaksi. Sen toiminta perustuu siihen, että kipinävälin syttyessä myös metallioksidisuoja siirtyy johtavaan tilaan ja purkaa ylijännitteen maahan. Metallioksidisuojassa ei kulje vuotovirtaa kipinävälin vuoksi, ja suojan toimiessa metallioksidisuoja estää käyttötaajuisen jälkivirran kulun. Yhdistelmäsuoja ei siis aiheuta toimiessaan maasulkua. Haittana kuitenkin on yhdistelmäsuojan korkea syttymisjännitetaso jyrkillä syöksyjännitteillä. Kuvassa 2.24 on esitetty suojan sijoittaminen muuntajan kannelle. [6]

38 29 Kuva Yhdistelmäsuojan sijoittaminen muuntajan kannelle sivulta kuvattuna [6] Maadoituselektrodin syöksyaaltokäyttäytyminen Muuntajan ylijännitesuojat maadoitetaan maadoituselektrodin kautta. Ylijännitesuojan toimiessa maadoituselektrodi kohtaa syöksyaallon, jolloin se käyttäytyy aaltoimpedanssin tavoin. Yksinkertaistaen voidaan sanoa, että alussa jännite määräytyy aaltoimpedanssin perusteella mutta laskee noin kaksinkertaisen kulkuajan kuluessa normaalin maadoitusvastuksen mukaiseen arvoon. [8] Maadoituselektrodin kohdatessa syöksyaallon sen impedanssi muuttuu ajan funktiona. Alussa impedanssi kasvaa seuraavista syistä: johtimen induktiivisuus kasvaa, salamavirta voi kuivattaa maaperää, korkeataajuinen transientti lyhentää maadoituselektrodin sähköistä pituutta ja virranahto kasvattaa elektrodin resistanssia. Impedanssin pieneneminen johtuu maadoituselektrodin vuotovirroista, maan ionisoitumisesta ja maassa tapahtuvista läpilyönneistä. [28] Kuvassa 2.25 on esitetty erään maadoituselektrodin impedanssi ajan funktiona, kun siihen johdetaan syöksyvirta. Maadoituselektrodin muoto vaikuttaa aaltoimpedanssiin siten, että kaksihaaraisen elektrodin aaltoimpedanssi pienenee puoleen, nelihaaraisen neljäsosaan ja niin edelleen. Yhden maadoitushaaran aaltoimpedanssi on ukkospurkauksella 100 luokkaa. [8]

39 30 Kuva Erään maadoituselektrodin impedanssi ajan funktiona, kun siihen syötetään syöksyvirta [28]. Syöksyvirran vaikuttaessa maadoituselektrodi voidaan mallintaa RLC-piirillä. Kuvassa 2.26 on maadoitushaara ja sen sijaiskytkentä. Johtimen induktanssi on L, ja R ja C ovat maaperän resistanssi ja kapasitanssi. Oletuksena on, että johtimella on hyvä yhteys maaperään. [29] Kuva a) Maadoituselektrodi ja b) sen sijaiskytkentä [29] Sähkönjakelujärjestelmä Sähkönjakelujärjestelmään luetaan alueverkko, sähköasemat, keskijänniteverkko, jakelumuuntamot ja pienjänniteverkko [6]. Seuraavassa käsitellään työn kannalta oleellisia osia eli keskijänniteverkkoa, jakelumuuntamoja ja pienjänniteverkkoa.

40 Keskijänniteverkko Suomessa keskijänniteverkossa käytetään tyypillisesti 20 kv jännitettä, mutta joissain kaupunkiverkoissa on käytössä myös 10 kv jännitetasoa. Keskijänniteverkko on kolmivaiheinen, ja se on joko maasta erotettu tai sammutettu kuristimen kautta eikä siksi sisällä nollajohdinta. Sitä käytetään säteittäisenä, vaikka se usein on rakennettu silmukoiduksi. Siirtoteho on tyypillisesti muutamia megawatteja ja siirtomatkat joitain kymmeniä kilometrejä. Johtotyyppinä on perinteisesti käytetty avojohtoa maaseudulla ja maakaapelia kaupunkialueilla. Keskijänniteverkossa käytetään myös jonkin verran päällystettyä avojohtoa (PAS-johtoa). [6] Jakelumuuntamot Jakelumuuntaja on osa jakelumuuntamoa, jotka jaetaan karkeasti puistomuuntamoihin ja pylväsmuuntamoihin. Pylväsmuuntamoita käytetään yleisesti harvaan asutuilla alueilla ja niiden enimmäisteho on 315 kva. Pylväsmuuntamoiden tavallisia nimellistehoja ovat 50 tai 100 kva. Kaupunki- ja teollisuusverkkojen puisto- ja sisämuuntamot ovat pylväsmuuntamoita suuritehoisempia, nimellisteholtaan tyypillisesti 1000 kva luokkaa. Jakelumuuntamo koostuu keskijännitekiskostosta, yhdestä tai useammasta jakelumuuntajasta, pienjännitelähdöistä sekä mahdollisesta apujännitejärjestelmästä. Pylväsmuuntamoilla ei varsinaisesti ole keskijännitekiskoa, koska keskijänniteverkko liitetään suoraan muuntajan ensiönapoihin erottimen kautta. [6] Pienjänniteverkko Pienjänniteverkon jännite on tyypillisesti 400 V, mutta on olemassa myös harvaan asuttuja alueita varten kehitetty 1000 V jakelujärjestelmä, jonka jännite muunnetaan kulutuspäässä 400 volttiin. Pienjänniteverkko on suoraan maadoitettu jakelumuuntajan tähtipisteen kautta. [6] Kaupunkien keskustoissa pienjännitejohtona käytetään maakaapelointia, koska ilmajohdoille ei ole tilaa tai niiden käyttöä ei hyväksytä ulkonäkösyistä. Hajaasutusalueilla käytetään tyypillisesti AMKA-riippukierrejohtoa, mutta maakaapeloinnin käyttö on yleistynyt haja-asutusalueilla tilanteissa, joissa kaapeli voidaan asentaa auraamalla. [6] Taajama-alueilla pienjänniteverkko on usein niin tiheä, että vierekkäisten muuntopiirien verkot ovat lähellä toisiaan tai jopa lomittain. Tällaisilla alueilla eri muuntamoiden syöttämät pienjänniteverkot rakennetaan usein yhteen. Hajaasutusalueilla eri muuntopiirien välillä on usein laajoja asumattomia alueita. Kuvassa 2.27 on esitetty haja-asutusalueelle ja taajamalle tyypillisiä muuntopiirejä. [6]

41 32 Kuva Tyypillisiä muuntopiirejä. a) haja-asutusalue b) taajama-alue [6] Pienjänniteverkon ylijännitesuojaus IEC standardi määrittelee sähkölaitteiden ylijännitekestoisuudet ylijänniteluokkien mukaisesti. Suojausluokka määräytyy laitteen asennuspaikan perusteella. 230 V nimellisjännitteellä ylijänniteluokat ovat seuraavat [19]: Ylijänniteluokka IV, syöksyjännitekestoisuus 6 kv: rakennuksen sisääntulo, pääkeskuksen laitteet, esimerkiksi sähkömittarit ja johdonsuojakatkaisijat Ylijänniteluokka III, syöksyjännitekestoisuus 4 kv: pääkeskuksen jälkeen sijaitsevat kiinteät asennukset, esimerkiksi kaapelit, kytkimet ja pistorasiat Ylijänniteluokka II, syöksyjännitekestoisuus 2,5 kv: kiinteästi asennetut laitteet. esimerkiksi sähköliedet ja -kiukaat Ylijänniteluokka I, syöksyjännitekestoisuus 1,5 kv: pistorasialiitäntäiset laitteet Sähköverkon suojakomponentteina käytetään yleensä kipinävälejä ja varistoreja, ja mittaus-, ohjaus-, säätö- ja sarjaliikennejärjestelmissä kaasupurkausputkia ja sarjadiodeja. Suojauksen kannalta komponenttien tärkeimpiä ominaisuuksia ovat syöksyvirran purkauskyky, toimintanopeus, jäännösjännite (suojaustaso) ja rajataajuus ja vaimennus nopeassa tiedonsiirrossa, esimerkiksi ethernet-verkoissa. Nimellisjännitteeltään 230 V pistorasialiitäntäisen laitteen suojauksessa pitää olla mukana mahdollisen kipinävälin lisäksi suurtehovaristorit niiden lyhyen havahtumisajan takia. [19] Nykyään paljon käytettyjen elektroniikkalaitteiden jännitekestoisuus voi olla huomattavasti alle 1,5 kv, vaikka standardin mukaan laitteen pitäisi kestää kyseinen jännite. Tästä syystä ylijännitesuojaus voidaan toteuttaa rakennuksen sisäisessä verkossa moniportaisena. Moniportaisella suojauksella jäännösjännitetasot saadaan riittävän

42 33 alhaisiksi. Kuvassa 2.28 on esitetty moniportainen suojaus ja laitteiden syöksyjännitekestävyydet. [19] Kuva Moniportainen suojaus ja laitteiden syöksyjännitekestävyydet [19]. Erillistä laitesuojausta ei välttämättä tarvita, koska nykyaikaisilla, rakennuksen pääkeskukseen asennettavilla suojilla päästään alle 1 kv jäännösjännitteeseen. Joissain tele- ja sähköverkkoon liitetyissä laitteissa laitekohtainen suojaus voi silti olla tarpeen. [19]

43 34 3. MUUNTAJAN TRANSIENTTI- KÄYTTÄYTYMINEN Ukkosylijännitteen spektri ulottuu useisiin megahertseihin. Muuntaja ei toimi korkeilla taajuuksilla samalla periaatteella kuin 50 Hz käyttötaajuudella. Yläjännitepuolelta tuleva transientti siirtyy alajännitepuolelle muuntajan sisäisten hajainduktanssien ja -kapasitanssien muodostaman jännitteenjakoverkon kautta eikä sähkömagneettisen induktion kautta, kuten 50 Hz taajuudella [19]. Tässä luvussa kerrotaan muuntajan ominaisuuksista ja käyttäytymisestä korkeilla taajuuksilla ja siitä, kuinka ne vaikuttavat muuntajan läpi siirtyviin ylijännitteisiin Muuntajan jännitejakaumat Muuntajan transienttikäyttäytymistä arvioidessa se voidaan kuvata sijaiskytkennällä, joka sisältää keskinäis- ja itseisinduktanssit, sarja- ja rinnakkaiskapasitanssit sekä resistanssit. Muuntajan transienttivaste ja käämien jännitejakauma riippuvat näiden komponenttien ja sisään tulevan jännitepulssin ominaisuuksista. Kuvassa 3.1 on muuntajakäämin sijaiskytkentä. [21] Kuva 3.1. Muuntajakäämin sijaiskytkentä korkeilla taajuuksilla [modifioitu lähteestä 21]. Käytännössä sisään tuleva jännitepulssi voidaan jakaa kahteen osaan: alkuvaiheen nopeaan nousuun ja loppuvaiheen hitaaseen laskeutumiseen kohti nollaa. Mitä jyrkempi nousu ja loivempi lasku pulssissa on, sitä suuremmat vaikutukset sillä on muuntajakäämeihin. Nousuvaiheessa taajuus on korkea, ja loppuvaiheen taajuutta voidaan pitää nollana, jolloin jännitepulssia voidaan approksimoida askelfunktiolla,

44 35 jonka alkutaajuus on ääretön ja lopputaajuus nolla. Tavanomainen selitys käämien transienttikäyttäytymiselle perustuu piirikomponenttien vasteeseen näille taajuuksille. [21] Jännitepulssin alkuvaiheessa muuntajan kapasitanssit vaikuttavat yksin jännitejakaumaan muodostaen jännitteen alkujakauman (initial distribution), joka on tyypillisesti epälineaarinen. Ilmiön loppuvaiheessa resistiiviset elementit muodostavat jännitteen loppujakauman (final distribution), joka on yleensä lineaarinen. Näiden välinen siirtymävaihe sisältää monimutkaista jännitevärähtelyä, jonka aiheuttaa energiansiirto sähköstaattisten ja sähkömagneettisten elementtien välillä. [21] Kuvassa 3.2. on esitetty jännitteen alku- ja loppujakaumat sekä siirtymävaiheen jakauma. Kuva 3.2. Muuntajakäämin transienttivaste: a) käämin jännitteen alku- ja loppujakaumat b) transienttijännitteen siirtymävaiheen jakauma [21] Jännitteen alkujakauma Jännitteen alkujakauma määräytyy siis kokonaisuudessaan muuntajan kapasitiivisten ominaisuuksien perusteella. Muuntajan kapasitanssit jaetaan sarja- ja rinnakkaiskapasitansseihin. Sarjakapasitanssi (series capacitance) C s muodostuu käämityksen kierrosten väliin. Rinnakkaiskapasitanssista (shunt capacitance) C g merkittävimmät ovat käämityksen ja kuoren välinen sekä ylä- ja alajännitekäämitysten välinen kapasitanssi. Rinnakkaiskapasitanssia esiintyy myös vaiheiden ja läpivientieristimien välillä. [21]

45 36 Kuva 3.3. Muuntajakäämin kapasitiivinen sijaiskytkentä [modifioitu lähteestä 21]. Kun askeljännite vaikuttaa käämin navassa, jonka sijaiskytkentä on esitetty kuvassa 3.3, jännitteen alkujakauman määrittää seuraava differentiaaliyhtälö [21]: u v w u( Qx y z ( + (3.1) missä { } C g = rinnakkaiskapasitanssi C s = sarjakapasitanssi l k = käämin pituus e x = käämin ja maan välinen jännite x = etäisyys käämin loppupäästä josta voidaan ratkaista: w kw z ( ~z y C z y (3.2) missä A ja B ovat reunaehtojen määräämiä integroimisvakioita. Kuvassa 3.4 on esitetty alkujakaumia eri :n arvoilla. Kuvasta nähdään, että suurella sarjakapasitanssin arvolla (pienellä :n arvolla) jännitteen alkujakauma on tasaisempi. Parametrin arvoon voidaan vaikuttaa käämisuunnittelulla. [2]

46 37 Kuva 3.4. Käämijännitteen alkujakauma parametrin eri arvoilla [2] Jännitteen loppujakauma Jännitteen loppujakauma lasketaan samaan tapaan kuin alkujakauma. Kun jännitepulssin loppupään taajuus on nolla, piirin kapasitiivinen reaktanssi on ääretön ja induktiivinen reaktanssi nolla. Tällöin piirin jännitejakauma määräytyy resistanssien mukaan seuraavalla tavalla [21]: u v w u( Q y z ( + (3.3) missä ƒ } ƒ M } e x = käämin ja maan välinen jännite (kuva 3.3) r L = induktanssin häviökomponentti (kuva 3.1) r s = sarjakapasitanssin häviökomponentti (kuva 3.1) r g = rinnakkaiskapasitanssin häviökomponentti (kuva 3.1) l k = käämin pituus (kuva 3.3)

47 Käämiresonanssit Kuten kaikissa piireissä, jotka sisältävät kapasitanssia ja induktanssia, myös muuntajan käämeissä saattaa syntyä resonansseja, kun ne altistetaan jännitepulssille. Kun muuntajakäämi kokee ukkosylijännitteen, värähtelevät piirit saavat energialatauksen ja värähtelevät luonnollisella taajuudellaan vaimentuen kohti nollaa. Maksimijännite saavutetaan yleensä kahden ensimmäisen jakson aikana, ja se voi joskus olla ylijännitepulssia suurempi. [21] Resonanssin voimakkuus, vaihe ja taajuus voidaan laskea analyyttisesti, jos resonanssipiiristä on saatavilla tarpeeksi tietoa, tai ne voidaan määrittää kokeellisesti kytkemällä piirin napoihin sinimuotoinen jännite, jonka taajuutta muutetaan halutulla alueella. Vastetta voidaan arvioida tuloimpedanssilla (U in / I in ) tai vahvistusfunktiolla (U out / U in ) taajuustasossa. Tuloimpedanssin minimi viittaa resonanssiin, ja sen vaihekulmasta voidaan määrittää, onko kyseessä induktiivinen vai kapasitiivinen impedanssi. Vahvistusfunktiolla taas maksimi viittaa resonanssiin, ja sillä voidaan mitata sisäisiä resonansseja. [22] Muuntajakäämin resonanssit voidaan jakaa kahteen luokkaan: naparesonansseihin (terminal resonance) ja sisäisiin resonansseihin (internal resonance). Naparesonanssi ilmenee pitkin käämitystä jakautuneina parillisina seisovina aaltoina. Maksimijännite on aaltojen solmukohtien väleissä eli kuvuissa. Tietyissä olosuhteissa maksimijännite voi muodostua kahden käämillä sijaitsevan pisteen väliin. Tätä kutsutaan sisäiseksi resonanssiksi. Se voi vaikuttaa paljon käämin transienttivasteeseen mutta ei välttämättä näy impedanssimittauksissa toisin kuin naparesonanssi, jonka kohdalla havaitaan tuloimpedanssiminimi. [22] Helpoiten käämiresonanssi voidaan määrittää täysin tasalaatuisesta käämistä. Matalataajuisimman käämiresonanssin solmupisteinä ovat käämin päät ja kupuna käämin keskipiste. Tällä resonanssilla on sekä sisäisen että naparesonanssin ominaisuuksia, eli se voidaan havaita mittaamalla tuloimpedanssi tai vahvistusfunktio vaiheen ja maan sekä käämin puolivälin ja maan väliltä. Toiseksi matalimmalla käämiresonanssilla solmupisteet ovat paikoissa, jotka ovat neljäsosa ja kolme neljäsosaa käämin pituudesta. Samaan tapaan voidaan määrittää korkeampitaajuiset resonanssit. Huomataan, että sisäisissä resonansseissa solmupisteiden väli pienenee samalla kun resonanssitaajuus kasvaa. [22] Resonanssipiirin ulostuloon vaikuttaa myös se, millaisella signaalilla sitä herätetään. Signaalin aaltomuoto vaikuttaa sen taajuusjakaumaan ja erilainen taajuusjakauma herättää resonanssit eri tavalla. Kuvassa 3.5 on esitetty erilaisten koejännitteiden taajuusjakaumia.

48 39 Kuva 3.5. Eri 1 MV koejännitteiden taajuusjakaumia. A) 200/2000 µs kolmioaalto B) 5/2000 µs kolmioaalto C) 75/800 µs syöksyaalto D) 1,5/40 µs syöksyaalto E) katkaistu aalto, 1 µs nousuaika, katkaistu 3 µs kohdalla, 0,1 µs lasku. [modifioitu lähteestä 22] Parametrien vaikutus ja laskenta Muuntajakäämin parametreja laskettaessa ne joudutaan yksinkertaisuuden vuoksi keskittämään yhdeksi elementiksi. Todellisuudessa parametrit ovat jakaantuneet pitkin muuntajakäämiä siten, että joka kierroksella on omat sähköiset ja magneettiset ominaisuutensa, kuten induktanssi, kapasitanssi ja häviöt. [21] Induktanssit Induktanssia laskettaessa rautasydämen vaikutus on jätetty huomiotta ja laskentakaavat perustuvat yksinkertaisuuden vuoksi ilmasydänteoriaan. Todellisuudessa rautasydän suurentaa merkittävästi induktanssia ja ilmasydänteoriaan perustuvilla kaavoilla lasketut arvot ovat viitteellisiä. [27] Itseisinduktanssin laskenta Jos kaikki materiaalit on oletettu lineaarisiksi, käämilohkon läpi kulkeva magneettivuo on verrannollinen käämilohkon läpi kulkevaan virtaan. Verrannollisuuskerroin L ilmaisee käämilohkon itseisinduktanssin. Ympyränmuotoiselle käämille, jonka poikki-

49 40 leikkaus on suorakaiteen muotoinen (kuva 3.6), voidaan approksimoida induktanssi seuraavalla yhtälöllä [20]: F ˆ8 8 } QU (3.4) missä µ 0 = tyhjiön permeabiliteetti R = keskimääräinen säde R s = keskimääräinen geometrinen säde (mean geometric radius) Levykäämin induktanssia voidaan arvioida yhtälöllä [23]: F Š ˆ8 8 } QU (3.5) missä " Œ C Q Ž ' "' BC' Ž Q "Ž BCŽ a, b, ja R ovat kuvassa 3.6 esitettyjä mittoja N = levykäämiparin kierrosten lukumäärä ' CŽ f' D"' Ž C' fž D"Ž ' Q^ " Kuva 3.6. Levykäämin mittoja [23]. Kerroskäämin induktanssi lasketaan yhtälöllä: F Š (3.6) missä N = käämin kierrosten lukumäärä f emp9' xd"r e x Z MG8 QŒ] { { 8 l ja R ovat kuvassa 3.7 esitettyjä mittoja K(k) ja E(k) ovat käämin elliptisiä integraaleja

50 41 Kuva 3.7. Kerroskäämin mittoja [modifioitu lähteestä 23]. Keskinäisinduktanssin laskenta Kahden käämilohkon välinen keskinäisinduktanssi M ilmaisee niiden välisen magneettisen vuorovaikutuksen voimakkuutta. Jos itseisinduktanssi ja keskinäisinduktanssi ovat lähes yhtä suuret, kahden lohkon välinen vuorovaikutus on voimakas. Induktanssien ero taas tarkoittaa sitä, että toisen lohkon magneettikenttä ei juuri kulje toisen läpi. Kuvassa 3.8 on periaatteellinen kuva keskinäisinduktanssista, jossa vain osa magneettikentästä kulkee toisen lohkon kautta. [20] Kuva 3.8. Periaatteellinen kuva keskinäisinduktanssista [20].

51 42 Yhtälöllä 3.7 voidaan arvioida kahden lohkon välistä keskinäisinduktanssia. Yhtälö jättää lohkojen poikkileikkauksen huomiotta. Jos poikkileikkauksen dimensiot ovat merkittäviä verrattuna lohkojen väliseen etäisyyteen d, keskinäisinduktanssin arvosta tulee liian suuri. [20] š T œ ež ; Z ž QŸZ ž > (3.7) missä r i ja r j ovat lohkojen säteitä (kuva 3.9) d = lohkojen välinen etäisyys (kuva 3.9) Z ž "D "De "M "De Z G œ œ M M K(k ) ja E(k ) ovat lohkojen elliptisiä integraaleja Kuva 3.9. Kahden lohkon keskinäisinduktanssin laskentaan tarvittavia mittoja [20] Kapasitanssit Muuntajan käämitysten yhteydessä yleensä puhutaan induktanssista, mutta niillä on myös kapasitanssia, joka on hajaantunut pitkin käämitystä. Kapasitanssiin vaikuttavat käämityksen tyyppi ja rakenne. Käyttötaajuudella kapasitanssin vaikutus on häviävän pieni, mutta kun käämitys kohtaa jyrkkärintaisen syöksyjännitteen, kapasitiivinen reaktanssi muuttuu erittäin pieneksi ja induktiivinen reaktanssi erittäin suureksi. Muuntajan kapasitanssi jaetaan sarja (series capacitance)- ja rinnakkaiskapasitanssiin (shunt capacitance). [11]

52 43 Sarjakapasitanssin laskenta Käämityyppejä on useita: tavallisimmat niistä ovat ruuvikäämitys (helical winding), levykäämitys (disc winding) ja kerroskäämitys (layer winding). Joka käämityypille sarjakapasitanssi lasketaan eri tavalla. Kuvassa 3.10 esitetyn ruuvikäämin kahden kierroksen sarjakapasitanssi lasketaan yhtälöllä [20]: F ž D œ G (3.8) missä d = kierrosten välinen etäisyys (kuva 3.10) d o = d o +d käämin ulkohalkaisija + kierrosten välinen etäisyys d i = käämin sisähalkaisija Kuva Ruuvikäämitys [20]. Koko käämin sarjakapasitanssi lasketaan yhtälöllä [20]: " - K D" (3.9) missä n t on käämin kierrosluku. Yhtälössä oletetaan, että käämin jännitejakauma on lineaarinen.

53 44 Kuva Levykäämityksen rakenne [20]. Kuvan 3.11 mukaisen levykäämityksen sarjakapasitanssi lasketaan seuraavasti [20]: Levyn sisäistä jännitejakaumaa kuvaa vakio: { š K (3.10) missä 9 F D œ 9 " - & K D" 9 9 œ F ž D œ G h = johtimen aksiaalinen korkeus (kuva 3.12) t i = kierrosten välisen eristyksen paksuus (kuva 3.12) m t = levyn kierrosten lukumäärä d o = käämin ulkohalkaisija d i = käämin sisähalkaisija Kuva Levykäämin mittoja [20].

54 45 Koko käämin sarjakapasitanssi lasketaan yhtälöllä [20]: " BC " x œ { š (3.11) missä n d = levyjen lukumäärä Rinnakkaiskapasitanssien laskenta Kuva Vierekkäisten vaiheiden ja vaiheiden ja kotelon väliset mitat [20]. Ylä- ja alajännitekäämin välinen kapasitanssi Käämitykset ovat samankeskisesti rautasydämen ympärillä, ja ne voidaan ajatella lieriökondensaattoreina. Yhtälöllä 3.12 voidaan arvioida tämän kapasitanssin suuruutta. [20] ž œ (3.12) missä r = eristyksen suhteellinen permittiviteetti 0 = tyhjiön permittiviteetti h = käämin korkeus h = h + d d i = alajännitekäämin sisähalkaisija d o = yläjännitekäämin ulkohalkaisija d = ylä- ja alajännitekäämin välinen etäisyys

55 46 Vaiheiden välinen kapasitanssi Seuraavalla yhtälöllä voidaan laskea vierekkäisten vaiheiden välinen kapasitanssi [20]: ª ž «M D" (3.13) missä b = vaiheiden välinen etäisyys (kuva 3.13) r = eristyksen suhteellinen permittiviteetti 0 = tyhjiön permittiviteetti h = h + b d o Kotelon ja vaiheiden välinen kapasitanssi Kotelon ja vaiheiden välisen kapasitanssin laskennassa karkeisiin arvioihin voidaan käyttää yhtälöitä 3.14 ja Seuraavalla yhtälöllä voidaan arvioida kotelon ja keskivaiheen kapasitanssia [20]: ª +*U)- ž K M K D" (3.14) Kotelon ja reunavaiheiden välistä kapasitanssia voidaan arvioida yhtälöllä [20]: +*`)- ž K (3.15) missä t = kotelon mitta (kuva 3.12) r = eristyksen suhteellinen permittiviteetti 0 = tyhjiön permittiviteetti h = käämin korkeus h = h + b d o

56 Käämitysten häviöt Käämitysten häviöt vaimentavat resonansseja, ja ne voidaan jakaa kolmeen osaan: DChäviöihin, virranahtohäviöihin ja läheisyysvaikutushäviöihin. Virranahtoilmiön vaikutuksesta virta pakkautuu johtimen ulkoreunalle ja resistanssi kasvaa taajuuden funktiona. Kun virrallinen johdin aiheuttaa pyörrevirtahäviöitä läheisessä johtimessa, puhutaan läheisyysvaikutuksesta. Myös rautasydämellä on vaikutusta häviöihin. Kuvassa 3.14 on erään käämin resistanssi esitetty taajuuden funktiona. [20;27] Kuva Erään käämin resistanssi taajuuden funktiona [27] Muuntajan läpi siirtyvät transientit Muuntajan läpi siirtyvä transientti voidaan jakaa neljään komponenttiin: sähköstaattiseen ja sähkömagneettiseen komponenttiin sekä yläjännitekäämistä alajännitekäämiin siirtyvään värähtelyyn ja alajännitekäämin vapaaseen värähtelyyn. Sähköstaattinen komponentti vaikuttaa lähinnä siirtyvän jännitteen alun nousuosassa. Jännitehuipun jälkeen vaikuttavat sähkömagneettinen komponentti ja käämivärähtelyt. Kuvassa 3.15 on jaettu siirtynyt transientti neljään komponenttiin, kun yläjännitekäämissä vaikuttaa askelmainen jännite. [26]

57 48 Kuva Siirtyneen transienttijännitteenn neljä komponenttia Yläjännitepuolen navoissa vaikuttaa askelmainen jännite [11]. ja niiden resultantti. Kohdassa a) on alajännitekäämiin muodostunut t sähköstaattinen impulssijännite sillä hetkellä, kun jänniteimpulssi vaikuttaa yläjännitekäämissä. Alajännitekäämiinn siirtynyt sähköstaattinen komponentti riippuu käämien välisestää ja käämien ja maan välisestä kapasitiivisesta kytkennästä eikä ole riippuvainen muuntosuhteesta. Lisäksii transienttijännitteen rinnan nousuaika vaikuttaa sähköstaattiseen komponenttiin. Sähköstaattinen komponentti pienenee merkittävästi, jos alajännitekäämi on kytkettyy esimerkiksi kaapeliin, jolla on suuri kapasitanssi. Jopa alajänniteläpivienninn kapasitanssilla voi olla suuri vaikutus sähköstaattiseen komponenttiin. [26]

58 Kohdassa b) on yläjännitekäämistä alajännitekäämiin siirtynyt värähtely, joka on riippuvainen jakaantuneista vakioista kuten induktanssista ja muuntajan muuntosuhteesta. [26] Kohdassa c) on alajännitekäämin luonnollinen värähtely, jonka sähköstaattinen komponentti laukaisee. Värähtelyyn vaikuttavat alajännitekäämin jakaantuneet vakiot. [26] Kohdassa d) on sähkömagneettinen komponentti, joka on suoraan verrannollinen muuntajan muuntosuhteeseen. Siihen vaikuttavat myös muuntajan hajareaktanssi ja ulkoisten piirien aaltoimpedanssit sekä transienttijännitteen kestoaika: katkaistulla koejännitteellä sähkömagneettinen komponentti käytännössä katoaa. Sähkömagneettinen komponentti on edellä mainituista komponenteista voimakkain, mutta joissain erikoistapauksissa sähköstaattinen komponentti ylittää sähkömagneettisen komponentin voimakkuuden. Kapasitiivisilla kytkennöillä ei ole vaikutusta sähkömagneettiseen komponenttiin. [26] Kohdassa e) on komponenttien resultanttijännite. Kaikki komponentit riippuvat eri tavoin muuntajaan kytkettyjen ulkoisten piirien pituuksista ja aaltoimpedansseista. Kun toisioon kytketyn verkon aaltoimpedanssi on korkea tai verkko on lyhyt, voi kukin neljästä komponentista olla voimakas. Kolme ensimmäistä komponenttia riippuvat voimakkaasti muuntajan rakenteesta ja suunnittelusta, kun taas neljäs, sähkömagneettinen komponentti, on riippuvainen lähinnä muuntajan oikosulkureaktanssista ja muuntosuhteesta. [26] Siirtyneen transienttijännitteen komponentteihin vaikuttavat myös muuntajan kytkentäryhmä ja se, tuleeko ylijännite yksi-, kaksi- vai kolmivaiheisena. Jännite toisiossa on sama riippumatta siitä, tuleeko transientti yksi- vai kaksivaiheisena, mutta kolmivaiheinen ylijännite eroaa varsinkin, jos muuntajassa on kolmiokytkentä. [26] Seuraavanlainen tilanne on yleinen Suomessa: Dyn-kytkentäiseen muuntajaan tulee indusoitunut ukkosylijännite, eli ylijännitteen amplitudi ja napaisuus ovat kaikissa vaiheissa samat. Tällöin kolmiokytketyn yläjännitepuolen kaikissa navoissa vaikuttaa yhtä aikaa sama jännite, jolloin sähkömagneettista komponenttia ei synny ja muuntajan läpi siirtynyt ylijännite koostuu lähinnä sähköstaattisesta komponentista [11]. Taulukossa 3.1 on esitetty kytkentäryhmän suhteellinen vaikutus toision jännitteen amplitudiin ja rinnan nousuaikaan. Perusarvona (100) on käytetty tähti/tähti-kytkentää, jonka molemmat tähtipisteet on maadoitettu. [26] 49

59 50 Taulukko 3.1. Kytkentäryhmän vaikutus toision jännitteen amplitudiin ja rinnann nousuaikaan. Suluissa olevat arvot viittaavat vaihejännitteisiin ja muut arvot pääjännitteisiin [26]. Kuvassa 3.16 on 940 V 0,87/50 µs jännitepulssi, joka syötetään kahden eritehoisen ja -kytkentäisen jakelumuuntajan yläjännitenapoihin. Koska kokeessa jännitepulssilla havainnollistettiin indusoitunutta ukkosylijännitettä, yläjännitenavat on oikosuljettu. Kuvissa 3.17 ja 3.18 on jakelumuuntajien alajännitenavan ja maan väliltä mitattu jännite, kun tähtipiste on maadoitettu. [25]

60 51 Kuva 3.16 Muuntajien napoihin syötetty 940 V 0,87/50 µs koejännite [25]. Kuva Siirtynyt jännitepulssi mitattuna 100 kva Dyn /420 V jakelumuuntajan alajännitepuolelta [25].

61 52 Kuva Siirtynyt jännitepulssi mitattuna 50 kva Yzn /410 V jakelumuuntajan alajännitepuolelta [25]. Kuvista nähdään, että muuntajan rakenteella on suuri vaikutus läpi siirtyvään jännitteeseen ja että jännite ei noudata muuntajan muuntosuhdetta. Siirtynyt jännite koostuu sähköstaattisesta komponentista ja useiden resonanssien aiheuttamista värähtelyistä.

62 53 4. MALLINNUS Jotta muuntajan läpi pienjänniteverkkoon siirtyviä jännitteitä voitaisiin tarkastella, muuntajan ja verkon transienttikäyttäytyminen täytyy mallintaa tarkasti. Tässä luvussa esitellään työssä käytettävät mallit ja simulointiohjelma. Muuntajan lisäksi työssä mallinnettiin pienjänniteverkon johtimet, pienjänniteverkkoon kytketty kuorma, sen maadoituselektrodi ja ylijännitesuojat. Työn liitteenä on kuvia mallien kytkennöistä Mallinnusohjelmat PSCAD/EMTDC Muuntaja, verkko ja komponentit mallinnettiin ja simuloitiin PSCAD/EMTDCohjelmalla, joka on sähköenergiajärjestelmien transienttien simulointiin tarkoitettu työkalu. PSCAD/EMTDC perustuu professori Hermann W. Dommelin kehittämään menetelmään ja siitä syntyneeseen EMTP-ohjelmaan (Electromagnetic Transient Program). Menetelmässä järjestelmän tilasuureita sitovat differentiaaliyhtälöt ratkaistaan numeerisilla integrointimenetelmillä käyttäen ajankohtina t = 0, t = t, t = 2t ja niin edelleen. [34] Työssä käytettävä aika-askel on nopeiden ilmiöiden vuoksi 5 20 nanosekuntia LIOV Indusoituneiden ylijännitteiden laskentaan käytettiin LIOV (lightning-induced overvoltages) -ohjelmaa. Se koostuu kahdesta aliohjelmasta, joista ensimmäisellä lasketaan salamavirran aiheuttama sähkömagneettinen kenttä ja toisella kentän indusoima jännite johtimeen. Ohjelmassa määritellään muun muassa purkauskanavan korkeus, salamavirran nopeus ja Heidler-parametrit, johtimen korkeus ja pituus sekä iskupaikan koordinaatit. Ohjelma olettaa maaperän johtavuuden äärettömäksi Muuntajan malli Työssä käytettiin N. Sabihan ja M. Lehtosen kehittämää muuntajamallia [31]. Se perustuu kaksiporttiseen verkkoteoriaan (two-port network). Porttityyppisiä verkkoja on neljä, joista tässä käytetään yksinkertaisinta eli impedanssiparametriverkkoa. Kuvassa 4.1 on esitetty kaksiporttinen verkko.

63 54 Kuva 4.1. Impedanssiparametrinen kaksiporttinen verkko [31]. Verkkoa voidaan kuvata seuraavasti: U 1 = Z 11 I 1 +Z 12 I 2 (4.1) U 2 = Z 21 I 1 +Z 22 I 2 (4.2) missä U 1 = sisäänmenoportin jännite U 2 = ulostuloportin jännite I 1 = sisäänmenoportin virta I 2 = ulostuloportin virta Z 11, Z 12, Z 21 ja Z 22 ovat impedanssiparametreja Impedanssiparametrit (Z 11, Z 12, Z 21 ja Z 22 ) voidaan määrittää asettamalla I 1 = 0 (sisäänmenoportti avoin) tai I 2 = 0 (ulostuloportti avoin). Tällöin impedanssiparametrit saadaan seuraavasti: # "" ±² 7 *# 0 " 7 ³0 ±² 7 *# 0 " F ³0 ±² *# 0 7 F 7 ³0 ±² (4.3) 0 F ³0 7 F missä Z 11 = avoimen piirin sisäänmenoimpedanssi Z 12 = avoimen piirin keskinäisimpedanssi porttien 1 ja 2 välillä Z 21 = avoimen piirin keskinäisimpedanssi porttien 2 ja 1 välillä Z 22 = avoimen piirin ulostuloimpedanssi Lähteessä [31] suoritettiin kokeellisia mittauksia kahdelle eri jakelumuuntajalle: 100 kva Dyn /420 V ja 50 kva Yzn /410 V. Mittauksissa käytettiin 450 V 0,87/50 µs koejännitettä. Ensin koejännite johdettiin oikosuljettuihin yläjännitenapoihin ja mitattiin jännite ja virta alajännitepuolelta. Toisessa vaiheessa jännite johdettiin oikosuljettuihin alajännitenapoihin ja mitattiin jännite ja virta yläjännitepuolelta. Mittaukset suoritettiin sekä tyhjäkäyvälle että kuormitetulle muuntajalle. Muuntajia kuormitettiin eri tavoin, esimerkiksi rinnakkain kytketyllä 50 vastuksella ja 1200 pf

64 55 kondensaattorilla. Mitattuihin jännitteisiin ja virtoihin sovellettiin Fourier-algoritmia. Tällöin yhtälöiden 4.1 ja 4.2 impedanssiparametreja voitiin arvioida käyttämällä yhtälöä 4.3. Impedanssiparametrit muutettiin taajuuskäyttäytymisensä mukaan R-, L- ja C- komponenteiksi. Molemmilla muuntajilla käytetään samaa sijaiskytkentää, joka on esitetty kuvassa 4.2. Kuva 4.2. Muuntajan suurtaajuusmalli [31]. Piirikomponenttien arvoja määritettäessä otettiin huomioon kaksi voimakkainta resonanssia. Nämä arvot säädettiin tyhjäkäynti- ja kuormitustilanteisiin sopivaksi. Taulukossa 4.1 on esitetty muuntajamallin komponenttien arvot molemmille muuntajille.

65 56 Taulukko 4.1. Muuntajamallin komponenttien arvot [31]. Komponentti Muuntaja 1 (100 kva) Muuntaja 2 (50 kva) R_1 () 500 5,6839 R_2 () 500, ,7085 R_3 () 3822, ,0657 R_4 () 1E-6 130,1928 R_5 () (tyhjäkäyvä) R () (kuormitettu) L_1 (mh) 0, ,23964 L_2 (mh) 0,0046 0, L_3 (mh) 0, , L_4 (mh) 0, , C_1 (µf) 0, ,91546 C_2 (nf) 3, ,5155 (kuormitettu) 5,1155 (tyhjäkäyvä) C_3 (nf) 5,12 0,739 C_4 (nf) 0, ,15 C_5 (nf) 0,4221 0, C_6 (nf) 0, , Malli validoitiin mittaamalla muuntajan läpi siirtyviä jännitteitä sekä aika- että taajuustasossa ja vertaamalla näitä simuloituihin tuloksiin. Kuvassa 4.3 on tyhjäkäyvien muuntajien taajuusvasteet. Kuva 4.3. Tyhjäkäyvien muuntajien mitatut ja simuloidut taajuusvasteet a) 50 kva muuntaja b) 100 kva muuntaja [modifioitu lähteestä 31]. Kuvasta nähdään, että mitattu ja simuloitu taajuusvaste ovat lähellä toisiaan, eli malli on melko tarkka. 50 kva muuntajalla on selkeä resonanssi noin 860 khz kohdalla ja 100 kva muuntajalla 370 ja 1200 khz kohdalla.

66 Pienjänniteverkon malli Pienjänniteverkko mallinnettiin kahdenlaisena: AMKA-johtona, joka on yleisin pienjänniteverkon johdin Suomessa, ja maakaapelina AMKA-johdon malli Työssä mallinnettiin AMKA 3* johdin PSCAD-ohjelman taajuusriippuvalla avojohtomallilla (frequency dependent (phase) model), joka käyttää käyrän sovitusta (curve fitting) mallintaessaan johdon taajuusvastetta ja esittää kaikkien parametrien täyden taajuusriippuvuuden. Johdinmallin poikkileikkaus on esitetty kuvassa 4.4. Kuva 4.4. AMKA-johdinmallin poikkileikkaus. Johtimet ovat alumiinia ja eristys polyeteenimuovia. Vaihejohtimien pinta-ala on 35 mm 2 ja resistanssi kuormitettuna 1 /km. Nollajohtimen pinta-ala on 70 mm 2 ja resistanssi 0,493 /km. Polyeteenieristeen paksuus on 1,6 mm ja suhteellinen permittiviteetti 2,3. Koska PSCAD:in avojohtomallissa ei voi mallintaa johtimelle eristystä, kapasitanssi saadaan vastaavaksi jakamalla eristyksen paksuus eristeen permittiviteetillä 2,3. Tällöin vaihe- ja nollajohtimien välinen etäisyys on 1,6 mm sijaan 0,6957 mm. Nollajohdin on mallissa ideaalisesti maadoitettu. Johtimen ja eristyksen suhteellinen permeabiliteetti on 1. [32;33] Maakaapelin malli Maakaapelin mallintamiseen käytettiin PSCAD-ohjelman taajuusriippuvaa (frequency dependent (phase) model) kaapelimallia. Mallinnettavassa kaapelissa on neljä alumiinijohdinta ja ristisilloitettu polyeteenieristys (XLPE) sekä PVC-vaippa. PSCAD:in kaapelimallilla ei voi mallintaa monijohdinkaapelia, joten kaapelin oletettiin

67 58 koostuvan neljästä yksittäisestä kaapelista. Kaapelin asennussyvyydeksi oletettiin 0,7 metriä ja maan resistiivisyydeksii 1000 m. Maakaapelimallin poikkileikkaus on esitetty kuvassa Kuva 4.5. Maakaapelimallin poikkileikkaus. Johtimien pinta-ala on 35 mm 2 ja resistiivisyys 2,84*10-8 m. Eriste ja vaippa on yksinkertaisuuden vuoksi oletettu koostuvan samastaa materiaalista, jonka paksuus on 2,7 mm ja suhteellinen permittiviteetti 5,1. Sekä johtimen että eristyksen suhteellinen n permeabiliteetti on 1. [32;35] 4.4. Kuorman malli Kuorma mallinnettiin erään omakotitalon [36] mpedanssimittauksiin perustuvalla a sijaiskytkennällä. Mittauksilla määritettiin talon sähkösyötön taajuusvaste khz alueella. Talon pinta-ala on 127 m 2, ja sen sähköverkko koostuu seitsemästä piiristä. Kaikissa piireissä on kolme johdinta: vaihejohdin, nollajohdinn ja suoja-maadoitus. Nollajohdin ja suojamaadoitus on yhdistetty, eli kyseessä on TN-C-järjestelmä. [36] TN-järjestelmän sisäänmenoimpedanssi on erittäin riippuvainen kytketyistä laitteista. Talo on sähkölämmitteinen, mutta aikana, jolloin mittaukset tehtiin, sähkölämmitys ei ollut käytössä. Myös moottorikuormilla, kuten jääkaapilla ja astian- pesukoneella, on vaikutusta impedanssiin, mutta mittausten ajaksi talon pääsyöttö pitii kytkeä pois päältä. Tämä vaikutti myös hehkulamppujen resistanssiin, joka on erittäin lämpötilariippuvainen. Tästä syystä resistiiviset kuormat kytkettiin pois ja korvattiin 100 vastuksilla (vastaava teho 530 W), joita lisättiin piireihin. Kuvassa 4.6 on esitetty sisäänmenoimpedanssin mittaustulokset ja kuorman yhden vaiheen sijaiskytkentä. [36]

68 59 Kuva 4.6. Kuorman mittaustulokset ja yhden vaiheen sijaiskytkentä [36]. Resistanssien vaikutus sisäänmenoimpedanssiin oli pieni ja keskittyi lähinnä mataliin taajuuksiin (< 25 khz). Impedanssi oli yli 100 khz taajuudella lähes kokonaan induktiivinen. Alle 100 khz taajuudella impedanssi on vaihekulmaltaan monimutkainen, mutta suhteellisen matala. [36] Työssä kuvan 4.6 sijaiskytkentä laitettiin kolmeen vaiheeseen ja kytkettiin tähteen. Tähtipiste kytkettiin maadoituselektrodin malliin Maadoituselektrodin malli Työssä maadoituselektrodia approksimoitiin yksinkertaisuuden vuoksi yhtenä johtimena. Mallina käytettiin kuvassa 2.26 esitettyä sijaiskytkentää, joka koostuu johtimen maadoitusresistanssista, induktanssista ja maakapasitanssista [29]. Komponenttien arvot lasketaan seuraavasti [28]: µ - ˆ QB ; > (4.4) U-- G -B+ D ; > (4.5) - "ˆ- 4 -B+Dh ;¹> (4.6)

69 60 joissa = maan resistiivisyys [m] l = elektrodin pituus [m] d = elektrodin säde [m] r = maan suhteellinen permittiviteetti Kuva 4.7. Maadoituselektrodin malli. Maadoituselektrodiksi valittiin kuparijohdin, joka oli pinta-alaltaan 16 mm 2 ja pituudeltaan 50 m. Maaperän resistiivisyydeksi oletettiin 1000 m ja suhteelliseksii permittiviteetiksi 5. Saatu malli komponenttiarvoineen on esitetty kuvassa Metallioksidivaristorin malli Pienjänniteverkon kuorman ylijännitesuojiksi valittiin metallioksidivaristorit. Metalli- oksidivaristori mallinnetaan niin sanotulla IEEE-mallilla [37], joka jäljitteleee metallioksidisuojan transienttikäyttäytymistä, kuten esimerkiksii sitä, että suojan yli oleva jännite riippuu virran jyrkkyydestä ja että virta on hieman jännitettä jäljessä [38]. Mallin rakenne on esitetty kuvassa 4.8. Kuva 4.8. Metallioksidivaristorin malli [modifioitu lähteestä 37]. Kuvassa A 0 ja A 1 ovat epälineaarisia vastuselementtejä, joille määritellään I-U-- jolla käyrä. Kahden elementin välissää on R 1 ja L 1 -komponenteista koostuva RL-suodin,

70 61 on pieni impedanssi loiville transienteille. Malli siis ohjaa jyrkät transientit kulkemaan vastuksen A 0 läpi, jolla on korkeampi jännite samalla virralla kuin vastuksella A 1. Kapasitanssi C kuvaa suojan kapasitanssia ja induktanssi L 0 suojan induktanssia. Vastuksen R 0 tarkoitus on lisätä mallin numeerista vakautta. Kuvassa 4.9 on epälineaaristen vastusten I-U-käyrät. Kuva 4.9. Vastuselementtien I-U-käyrät [38]. Kuva Suojan malli komponenttiarvoineen. Suojan nimellisjännite mitoitetaan siten, että 10 kiloampeerin purkausvirralla suojan yli olevan jännitteen huippuarvo (U 10 ) on 1,6 p.u, eli nimellisjännitteeksi asetetaan U 10 /1,6 V [38]. Työssä käytettävän mallin komponenttiarvot ovat [39]: L 0 = 29 nh, L 1 =50 nh, R 0 = 145, R 1 =100 ja C = 10 pf. Suojan jännitteeksi oletettiin 10 kiloampeerin purkausvirralla 1,2 kv, joten mallin nimellisjännitteeksi tuli 1,2/1,6 = 0,75 kv. Kuvassa 4.10 on suojan malli.

71 62 5. SIMULOINTI JA TULOSTEN TARKASTELU Tässä luvussa dokumentoidaan muuntajien ylijännitesimulaatiot. Ensin tarkastellaan koejänniteparametrien vaikutusta läpi siirtyvien ylijännitteiden amplitudiin. Sen jälkeen muuntajien malleihin syötetään ylijännitteiden mittausdataa eli tilannetta simuloidaan todellisen kaltaisilla jännitteillä ja vertaillaan erilaisten jännitteiden vaikutuksia erityyppisillä muuntajilla. Tämän jälkeen muuntajien malleihin yhdistetään pienjänniteverkon malli ja tarkastellaan ylijännitteiden siirtymistä pienjänniteverkon läpi kuluttajalle ja pienjänniteverkon ylijännitesuojauksen vaikutusta. Tulosten tarkastelussa painotetaan läpi siirtyvän jännitteen amplitudia. Läpi siirtyvällä jännitteellä tarkoitetaan muuntajan alajännitepuolen vaiheen ja maan välistä jännitettä Jänniteparametrien vaikutus tyhjäkäyvän muuntajan läpi siirtyviin ylijännitteisiin Jänniteparametrien vaikutusta simuloitiin kuvan 5.1 koejännitteellä. Tutkittavia parametreja olivat jännitteen amplitudi, nousuaika ja laskuaika. Näiden vaikutusta läpi siirtyvien jännitteiden amplitudiin tarkasteltiin molemmilla muuntajilla. Kuva 5.1. Koejännitteen parametrien määrittely. U max = jännitteen amplitudi, T nousu = jännitteen nousuaika, T lasku = jännitteen laskuaika. Läpi siirtyvistä jännitteistä tehtiin kuvaajat, joissa esitetään jännitteen huippuarvo tarkasteltavan parametrin funktiona. Tarkastelussa on huomioitu sekä positiivinen että negatiivinen huippuarvo, eli kyseessä on huippuarvon itseisarvo.

72 Jännitteen amplitudin vaikutus Jännitteen amplitudin vaikutusta tarkasteltaessa simuloitavan koejännitteen nousuajaksi asetettiin 1,2 µs ja laskuajaksi 100 µs. Koejännitteen amplitudia lisättiin 10 kilovoltin askelissa 10 kilovoltista 120 kilovolttiin. Kuva 5.2. Koejännitteen amplitudin vaikutus läpi siirtyneen jännitteen huippuarvoon. Kuvasta nähdään, että muuntajien läpi siirtyvän jännitteen huippuarvo kasvaa lineaarisesti koejännitteen amplitudin kasvaessa Rinnan nousuajan vaikutus Jännitteen rinnan nousuajan vaikutusta läpi siirtyvään jännitteeseen tutkittiin muuttamalla koejännitteen rinnan nousuaikaa 0,2 mikrosekunnista 5,7 mikrosekuntiin 0,5 µs välein. Koejännitteen amplitudi oli 100 kv ja laskuaika 100 µs.

73 64 Kuva 5.3. Koejännitteen nousuajan vaikutus läpi siirtyneen jännitteen huippuarvoon. Muuntajan läpi siirtyvän jännitteen huippuarvo laskee eksponentiaalisesti rinnan nousuajan kasvaessa. Kahden tarkasteltavan muuntajan ero on suurimmillaan lyhimmällä nousuajalla Jännitteen laskuajan vaikutus Koejännitteen laskuajan vaikutusta läpi siirtyvään jännitteeseen tarkasteltiin lisäämällä laskuaikaa 1 mikrosekunnista 12 mikrosekuntiin 1 mikrosekunnin välein. Koejännitteen nousuaika oli 1,2 µs ja amplitudi 100 kv. Kuva 5.4. Koejännitteen laskuajan vaikutus läpi siirtyneen jännitteen huippuarvoon. Laskuajan lisääminen pienentää 100 kva muuntajan läpi siirtyvän jännitteen huippuarvoa eksponentiaalisesti. 50 kva muuntajalla laskuajan lisääminen 3 µs jälkeen ei vaikuttanut läpi siirtyvän jännitteen huippuarvoon. 100 kva muuntajalla laskuaika ei

74 65 vaikuttanut merkittävästi 5 s jälkeen. Suurimmat vaikutukset olivat molemmilla muuntajilla alle 2 s arvoilla Yhteenveto Simulaatioiden perusteella läpi siirtyvän jännitteen huippuarvo on suoraan verrannollinen ylijännitteen amplitudiin ja läpi siirtyvä jännite laskee eksponentiaalisesti ylijännitteen lasku- tai nousuajan kasvaessa. Ylijännitteen nousuajan vaikutus on merkittävä, kun aika on alle 2 s. Laskuaika vaikuttaa alle 5 s arvoilla ja on merkittävä alle 2 s arvoilla. 100 kva muuntajalla läpi siirtyvät jännitteet olivat suurempia kuin 50 kva muuntajalla. Pienjänniteverkon kannalta huono tilanne syntyy siis, kun ylijännitteellä on lyhyt nousu- ja laskuaika sekä suuri amplitudi. Tällaisia ominaisuuksia on esimerkiksi kipinävälin jännitteellä (kuva 5.8) Tyhjäkäyvien muuntajien läpi siirtyvien ylijännitteiden simulointi Seuraavassa tarkastellaan läpi siirtyviä ylijännitteitä tilanteessa, jossa tyhjäkäyvä muuntaja on suojaamaton, ja tilanteissa, joissa muuntaja on suojattu erilaisilla ylijännitesuojilla. Todellisia ylijännitteitä simuloidaan syöttämällä mallin ideaalisen jännitelähteen ohjaukseen mittausdataa eri suojien toiminnasta (liite 1). Suojaamattoman muuntajan ylijännite on laskettu LIOV-ohjelmalla Ilman suojausta Malliin syötetään indusoitunut ylijännite, joka on laskettu LIOV-ohjelmalla. Jännitteen laskennassa oletettiin seuraava tilanne: 40 kiloampeerin salama iskee 20 metrin päähän 7,5 metrin korkeudella olevasta keskijännitejohdosta, 50 metrin päähän johdon päästä. Indusoituneen jännitteen huippuarvo on 171,1 kv ja jyrkkyys noin 170 kv/s. Oletuksena on, että eristykset kestävät jännitteen. Jännite on esitetty kuvassa 5.5. Kuva 5.5. Indusoitunut ylijännite kun 40 ka salama iskee 20 m päähän johtimesta.

75 66 Kuva kva muuntajan jännite 10 s ajalta, huippuarvo on 5,9 kv. Kuva kva muuntajan jännite 10 s ajalta, huippuarvo on -3,9 kv. Kuvissa 5.6 ja 5.7 muuntajien alajännitenapojen jännitteet on esitetty 10 s ajalta. 100 kva muuntajan maksimijännite on 5,9 kv, joka on 3,4 % indusoituneen ylijännitteen amplitudista. 50 kva muuntajalla suurin jännite on -3,9 kv, joka on 2,3 % ylijännitteestä. Kuvia vertailemalla nähdään, että muuntajien resonanssiominaisuuksissa on eroa. Kuvassa 5.6 näkyy perustaajuuden lisäksi nopeasti vaimeneva korkeataajuinen komponentti, kun taas kuvan 5.7 värähtelyssä näyttäisi olevan vain yhtä taajuutta Kipinäväli Kipinävälin vaikutusta tarkasteltiin kuvan 5.8 jännitemittausdatalla, joka syötettiin muuntajamalleihin. Jännite on mitattu 1,2/50 s standardisyöksyjännitteellä 80 mm kipinävälille. Kipinävälin jännite nousee huippuunsa, 151,8 kilovolttiin, 0,385 mikrosekunnissa, eli standardisyöksyjännitteen huippuarvo on ollut noin 470 kv. Tämä vastaa enemmän suoraa salamaniskua kuin indusoitunutta ylijännitettä.

76 67 Kuva 5.8. Muuntajan yläjännitenapojen jännite 3 s ajalta kipinävälin toimiessa. Kuva kva muuntajan jännite 10 s ajalta, huippuarvo on -25,3 kv. Kuva kva muuntajan jännite 10 s ajalta, huippuarvo on -12,1 kv.

77 68 Kuvissa 5.9 ja 5.10 on esitetty muuntajien läpi siirtyvät jännitteet 10 s ajalta. 100 kva muuntajan jännite on -25,3 kv, joka on 16,7 % kipinävälijännitteen amplitudista, ja 50 kva muuntajan jännite -12,1 kv, joka on 8,0 % kipinävälijännitteen amplitudista. Suuret jännitteet selittyvät mittausdatan jännitteen suurella jyrkkyydellä, joka on noin 400 kv/s. Koska tulokset haluttiin vertailukelpoiseksi muiden suojien kanssa, asiaa tutkittiin tarkemmin syöttämällä malliin koejännite, jonka muoto on samanlainen kuin kuvan 5.8 jännitteellä, mutta jyrkkyys vain 200 kv/s. Kipinävälin syttymisjännitteeksi oletettiin 150 kv. Tällöin 100 kva muuntajan läpi siirtyneen jännitteen amplitudi oli vain 9,7 % ylijännitteen amplitudista ja 50 kva muuntajan läpi siirtyneen jännitteen amplitudi 6,9 % ylijännitteen amplitudista Metallioksidisuoja Metallioksidisuojan (mo-suojan) vaikutusta tarkasteltiin kuvan 5.11 jännitteellä, joka on mitattu U c = 20 kv suojalle noin 1,5 ka 1,7/34 s virtapulssilla. Ylijännitteen huippuarvo on 62,0 kv. Kuva Muuntajan yläjännitenapojen jännite 3 s ajalta mo-suojan toimiessa. Kuva kva muuntajan jännite 10 s ajalta, huippuarvo on -6,4 kv.