PASI AHONEN KESKIJÄNNITEVERKKOJEN YLIJÄNNITESUOJAUS- JA JÄLLEENKYTKENTÄTARKASTELUT YLIJÄNNITELASKENTAOHJELMISTON AVULLA Diplomityö Tarkastajat: dos. Kari Kannus TkT Kari Lahti Tarkastajat ja aihe hyväksytty Tieto- ja sähkötekniikan tiedekuntaneuvoston kokouksessa 23. kesäkuuta 2010
TIIVISTELMÄ II TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma AHONEN, PASI: Keskijänniteverkkojen ylijännitesuojaus- ja jälleenkytkentätarkastelut ylijännitelaskentaohjelmiston avulla Diplomityö, 63 sivua, 11 liitesivua Kesäkuu 2010 Pääaine: Sähkövoimatekniikka Tarkastajat: dos. Kari Kannus, TkT Kari Lahti Avainsanat: ylijännitteet, jälleenkytkennät, metallioksidisuojat, kipinävälit, avojohtoverkko, maakaapeliverkko Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia eräällä keskijännitelähdöllä toteutettua ylijännitesuojausta ja sen tehokkuutta ylijännitetarkasteluihin soveltuvalla laskentaohjelmistolla. Tarkastelujen ensimmäisessä vaiheessa verkkoon simuloidaan ilmastollisia ylijännitteitä suorina ja indusoituvina salamaniskuina verkon nykyisellä suojaustasolla. Saatujen laskentatulosten perusteella tehdään havaintoja verkon heikoimmin suojatuista kohteista. Toisessa vaiheessa suoritetaan yksitellen suojien vaihtoja ja simulointien kautta haetaan parempaa suojaustasoa verkon komponenteille. Simuloinnista saatavien tulosten avulla annetaan mahdollisia toimenpidesuosituksia verkon kohteiden parempaan suojaukseen ylijännitteitä vastaan. Tarkasteluissa huomioidaan myös tiettyjen ylijännitesuojien aiheuttamat jälleenkytkentätoiminnot, joiden vähentämiseen pyritään suojien sijoituspaikkojen ja suojatyyppien vaihtojen avulla. Toimenpidesuosituksia annettaessa pohditaan myös ylijännitteistä ja jälleenkytkennöistä aiheutuvia kustannuksia verkkoyhtiölle. Työn eräänä pääkohtana on tarkastella kaapeliverkon ylijännitesuojausta. Tarkasteltavalla lähdöllä suurinta osaa kaapeliverkon muuntajista ei ole varustettu minkäänlaisilla ylijännitesuojilla ja työssä tarkastellaankin, miten ilmastolliset ylijännitteet vaikuttavat tässä tapauksessa kaapeliverkon sisällä. Nykyinen kansainvälinen keskustelu tukee kaapeliverkon sisällä olevien muuntajien suojausta. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on jo olemassa suositus (IEEE-Guide for the Connection of Surge Arresters to Protect Insulated, Shielded Electric Power Cabel Systems, IEEE Std 1299/C62.22.1-1996) kaapeliverkkojen suojauksen parantamiseksi.
ABSTRACT III TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering AHONEN, PASI: Investigations of overvoltage protection and reclosing operations in medium voltage network Master of Science Thesis, 63 pages, 11 Appendix pages June 2010 Major: Electric power engineering Examiners: Adjunct prof. Kari Kannus, Dr Tech. Kari Lahti Keywords: overvoltages, reclosing operations, metal-oxide arresters, protective spark-gaps, overhead line, underground cable The purpose of this thesis is to examine the overvoltage protection level and its effectiveness in one medium voltage network. The investigations are made by an appropriate calculation software. In the first stage of the calculations, the network is simulated by atmospheric overvoltages using both direct strokes and induced overvoltages. In this case, no changes have been made to the overvoltage protection level. After the first calculations, the worst protected components and the critical areas of the network can be found. In the second stage of the calculations, there are made changes to the overvoltage protection level by replacing some protection devices with others. After the simulations, the recommendations for better protection are given. Reclosing operations caused by some arresters are also observed during the calculations. The costs caused by overvoltages and reclosing operations are noted as well. One of the main point of the thesis was to examine the overvoltage protection inside underground cable networks. In this case, most of the transformers inside the cable network are not protected with any kind of arrester. The calculations were made by simulating atmospheric overvoltages into the underground cable network. Nowadays, there is a common understanding that the transformers inside the ungerground cable network should be protected. In the USA, there is already a recommendation (IEEE- Guide for the Connection of Surge Arresters to Protect Insulated, Shielded Electric Power Cabel Systems, IEEE Std 1299/C62.22.1-1996) for the developing of the overvoltage protection level inside cable network.
ALKUSANAT IV Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Sähköenergiatekniikan laitoksen toimeksiannosta. Työn rahoittajana on toiminut TTY:n tukisäätiö. Työn tarkastajina ja ohjaajina ovat toimineet dos. Kari Kannus sekä TkT Kari Lahti. Työssä käytetyt verkkotiedot toimitti Johannes Salo Vattenfall Verkko Oy:stä. Kiitän edellä mainittuja henkilöitä työn tarkastamisesta, kommenteista sekä neuvoista työn aikana. Kiitos kuuluu myös kaikille muille, jotka ovat minua tämän työn sekä opiskelujeni aikana tukeneet. Tampereella 3.6.2010 Pasi Ahonen
SISÄLLYS V Tiivistelmä...II Abstract...III Alkusanat...IV Suureet ja lyhenteet...vii Liitteet...IX 1. Johdanto...1 2.Ylijännitteet keskijänniteverkossa...3 2.1. Ylijännitteiden luokittelu...3 2.2. Pientaajuiset ylijännitteet...5 2.2.1 Maasulkuylijännitteet...5 2.2.2 Muut aiheuttajat...6 2.3. Loivat transienttiylijännitteet...7 2.4. Jyrkät transienttiylijännitteet...8 2.4.1 Ukkosrunsaus Suomessa...8 2.4.2 Suorat salamaniskut...10 2.4.3 Indusoituvat ylijännitteet...10 2.4.4 Takaisku...11 2.5. Erittäin jyrkät transienttiylijännitteet...11 3. Ylijännitesuojaus keskijänniteverkossa...13 3.1. Ylijännitesuojat eristyskoordinaatiossa...13 3.2. Kipinäväli...14 3.3. Kipinävälilliset venttiilisuojat...15 3.3.1 Kipinäväliventtiilisuojien ominaissuureet...17 3.4 Metallioksidisuojat...18 3.4.1 Metallioksidisuojien ominaissuureet...20 3.5 Yhdistelmäsuojat...21 3.6 Muut suojauskeinot...22 3.6.1 Ukkosjohtimet...22 3.6.2 Maasulkuvirran kompensointi...22 3.7 Ylijännitesuojauksen toteutus avojohtoverkossa...23 3.7.1 Kipinävälit avojohtoverkossa...23 3.7.2 Venttiilisuojien sijoittaminen avojohtoverkkoon...24 3.8 Maakaapeliverkon ylijännitesuojaus...25 3.9 PAS-johdon ylijännitesuojaus...26 3.9.1 PAS-johdon ylijännitesuojauksen toteutus...27 4. Jälleenkytkennät ja jännitekuopat...29 4.1 Jälleenkytkennät...29 4.1.1 Jälleenkytkentöjen aiheuttajat...30 4.1.2 Jälleenkytkentöjen hyväksyttävä määrä...31
4.2 Jännitekuoppa...32 4.3 Keskeytysten ja jännitekuoppien kustannukset...34 4.3.1 Keskeytyksistä aiheutuvat haitat...35 4.3.2 Jännitekuopasta aiheutuvat haitat...36 5. Käytettävä ohjelmisto ja laskennat...37 5.1 Ohjelmiston esittely ja käyttö...37 5.2 Tarkasteltava lähtö ja laskennan suoritus...39 5.3 Esimerkkilaskennat nykyisellä suojaustasolla...41 5.3.1 Suora salamanisku...41 5.3.2 Indusoitunut ylijännite...46 5.3.3 Yhteenveto suojauksen nykytilasta...47 5.4 Parannusehdotuksia...48 5.4.1 Vauriokustannukset...48 5.4.2 Tarkastelut lähdön alkuosalla...49 5.4.3 Tarkastelut avojohdolla ennen kaapeliverkkoa...51 5.4.4 Tarkastelut kaapeliverkosta haarautuvilla avojohdoilla...53 5.4.5 Kaapeliverkon suojauksen tarkastelu...54 5.5 Toimenpidesuosituksia...55 5.5.1 PJK-kustannukset...58 5.5.2 Keskeytyskustannukset...58 5.6 Yhteenvetoa toimenpiteistä...69 6. Yhteenveto...60 LÄHTEET...62 LIITTEET VI
SUUREET JA LYHENTEET VII d 1 d 2 D F Δi Δt I F I n k K K inv K kesk K kun K käyt l p.u. S S w u p u pl u ptod Δu 1 Δu 2 U 1 U c U m U r U res U s U th U tov U sag v Z F Z L Z S Z T venttiilisuojan liitäntäjohtimen pituus venttiilisuojan maadoitusjohtimen pituus suojan ja kohteen välinen etäisyys teknistaloudellinen optimi syöksyvirran jyrkyys vikavirta discharge current, nimellispurkausvirta maasulkukerroin maasulkuvirran kompensointiaste investointikustannukset keskeytyskustannukset kunnossapitokustannukset käyttökustannukset venttiilisuojan liitäntä- ja maadoitusjohtimen induktanssi per uni, suhteellisarvo elektrodivälin pituus kipinävälisuojassa venttiilisuojalle tulevan lineaarisesti nousevan syöksyjännitteen jyrkkyys venttiilisuojan kilpiarvojen mukainen suojaustaso Kipinävälisuojan 99 % suojaustaso salamasyöksyjännitteellä venttiilisuojan todellinen suojaustaso induktiivinen jännitehäviö venttiilisuojan liitos- ja maadoitusjohtimissa venttiilisuojan ja suojattavan kohteen välisellä matkalla tapahtuva jännitteen nousu Kipinävälisuojan 1 % syttymisjännite käyttötaajuisella vaihtojännitteellä maximum continuous operating voltage, suurin jatkuva käyttöjännite laitteen suurin sallittu käyttöjännite rated voltage, kipinävälittömän venttiilisuojan nimellisjännite kipinävälillisen venttiilisuojan mitoitusjännite residual voltage, jäännösjännite sparkover voltage, syttymisjännite lähdejännite temporary overvoltage, hetkellinen käyttötaajuinen ylijännite jäännösjännite jännitekuopan aikana syöksyjännitteen etenemisnopeus vikaimpedanssi vikapolulla olevan keskijännitelähdön impedanssi syöttävän verkon impedanssi syöttävän muuntajan impedanssi
AIS ilmaeristeinen kytkinlaitos AJK aikajälleenkytkentä GIS kaasueristeinen kytkinlaitos KAH keskeytyksestä aiheutuva haitta MO metallioksidi PJK pikajälleenkytkentä SiC piikarbidi ZnO sinkkioksidi VIII
LIITTEET IX Liite 1 TN-Flash 8.0 -ohjelmiston käyttämät parametrit eri aaltomuodoille Liite 2 Yksinkertaistettu verkkopiirros Liite 3 Verkkokartta tutkittavasta lähdöstä Liite 4 Solmuvälit Liite 5 Solmupisteet Liite 6 Verkkoyhtiöltä saadut johdintiedot Liite 7 Verkkoyhtiöltä saadut muuntajatiedot
1 1.JOHDANTO Ylijännitteet aiheuttavat rasituksia sähköverkkoon liitetyille komponenteille. Komponenttien kokemia ylijännitteitä pyritään rajoittamaan sijoittamalle niiden rinnalle ylijännitesuojia. Ylijännitesuojien oikeanlaisella valinnalla ja sijoituspaikalla voidaan vaikuttaa ylijännitteiden leviämiseen koko verkossa. Jotkut ylijännitesuojat aiheuttavat toimiessaan maasulun, jonka katkaisu vaatii jälleenkytkennän. Tässä työssä tarkasteltiin erään keskijänniteverkon ylijännitesuojauksen tilaa simuloimalla verkkoon ilmastollisia ylijännitteitä eli salamaniskuja. Saatujen tulosten pohjalta tehtiin havaintoja komponenttien kokemista ylijännitteistä ja kipinävälisuojien aiheuttamista jälleenkytkentätoiminnoista. Verkon suojaustasoa parannettiin vaihtamalla muuntajia suojaavia ylijännitesuojia kipinäväleistä metallioksidisuojiksi ja sijoittamalla uusia suojia myös verkon muihin osiin. Tällä tavoin löydettiin mahdollisimman hyvä suojaustaso, jolla verkon muuntajille syntyvät ylijännitteet rajoittuvat vain pienelle alueelle osuvien salamaniskujen aiheuttamiksi ja jälleenkytkentätoimintojen määrä jää vähäiseksi. Työn teoriaosuus koostuu luvuista 2-4. Toisessa luvussa käydään läpi keskijänniteverkossa vaikuttavat ylijännitetyypit sekä niiden aiheuttajat. Kolmannessa luvussa esitellään erilaisia ylijännitesuojia ja käydään lävitse ylijännitesuojauksen totettamista keskijänniteverkossa eri johdinlajeilla. Neljännessä luvussa käydään lyhyesti läpi vikojen aiheuttamia jälleenkytkentöjä ja jännitekuoppia sekä niistä aiheutuvia kustannuksia. Varsinaiset laskelmat suoritetaan luvussa viisi. Ensiksi esitellään käytettävä ylijännitelaskentaohjelmisto ja tutkittava verkko. Simulointien ensimmäisessä vaiheessa suoritettiin tarkasteluja suojauksen nykytilalla. Verkkoon simuloitujen salamaniskujen aiheuttamia ylijännitteitä käydään lävitse seikkaperäisesti edeten lähdön alkupäästä kohti loppua. Näin tutkitaan, miten laajalle alueelle verkkoa tiettyyn verkon osaan kohdistuva ylijännite leviää. Erityistä huomiota kiinnitetään lähdön kaapeliverkon kokemiin jännitteisiin, koska kansainvälinen keskustelu tukee ylijännitesuojauksen lisäystä kaapeliverkon sisälle oleville muuntajille.
Simulointien toisessa vaiheessa vaihdettiin muuntajien ylijännitesuojia kipinäväleistä metallioksidisuojiksi. Salamaniskuja kohdistettiin verkon eri osiin ja näin tutkittiin, kuinka yhden muuntajan suojauksen vaihto vaikuttaa verkon muiden muuntajien jännitteisiin. Saatujen tulosten perusteella löytettiin suojaustaso, jolla ylijännitteiden leviäminen rajoittuu ja jälleenkytkentöjen määrä on vähäinen. Suojausta vaihdettaessa huomioitiin myös verkon komponenttien hinta ja keskeytyksistä ja jälleenkytkennöistä aiheutuvat kustannukset. 2
3 2.YLIJÄNNITTEET KESKIJÄNNITEVERKOSSA Ylijännitteet luokitellaan nykyisin niiden muodon mukaan entisen alkuperään viittaavan luokittelun asemesta. Ylijännitteen muoto riippuu sen alkuperästä, joten luokittelumuutos ei ole ollut merkittävä. Kaikki ylijännitetyypit aiheuttavat rasituksia sähköverkon komponenteille, joiden haittavaikutusta voidaan pienentää tehokkaalla ylijännitesuojauksella. Tässä luvussa esitellään Suomen keskijänniteverkossa esiintyvät ylijännitetyypit sekä niiden tärkeimpiä aiheuttajia. Pientaajuisten ylijännitteiden osalta käsitellään tarkemmin tärkein yksittäinen aiheuttaja maasulku. Jyrkät transienttiylijännitteet ovat keskijänniteverkon kannalta merkittävin ylijännitetyyppi. 2.1.Ylijännitteiden luokittelu Sähköverkkojen osiin sekä sähköverkkoihin sijoitettujen komponenttien eristysrakenteisiin vaikuttavat normaalin käyttöjännitteen lisäksi erilaisista syistä aiheutuvat ylijännitteet. Ylijännitteeksi määritellään jännite, jonka arvo ylittää ko. eristysrakenteelle lasketun ns. referenssiarvon. Vaiheen ja maan välisellä eristyksellä referenssiarvo on laitteen suurimmasta sallitusta käyttöjännitteestä (U m ) laskettu vaihejännitteen huippuarvo, esimerkiksi 20 kv:n keskijänniteverkossa suurin sallittu käyttöjännite on 24 kv. Vaiheiden välisellä eristyksellä referenssiarvo on puolestaan pääjännitteen huippuarvo.[1] Ylijännitteet luokitellaan nykyisin niiden muodon perusteella. Aiemmin käytössä ollut luokittelu perustui niiden alkuperään. Ylijännitteet luokitellaan seuraavasti, suluissa aiempi nimitys [1]: pienitaajuiset ylijännitteet (käyttötaajuiset ylijännitteet) loivat transienttiylijännitteet (kytkentäylijännitteet) jyrkät transienttiylijännitteet (ilmastolliset ylijännitteet) erittäin jyrkät transienttiylijännitteet (uusi luokka) Kuvassa 2.1 esitellään edellä mainittujen ylijännitteiden muodot sekä vastaavat koejännitemuodot, joilla tutkitaan eristysrakenteiden jännitelujuuksia. Pientaajuisilla ylijännitteillä sekä loivilla ja jyrkillä transienttiylijännitteillä koejännitteen muoto on
4 määritelty yleisesti käytettäviksi. Erittäin jyrkillä ylijännitteillä koejännitteen muodosta ei ole päästy yksimielisyyteen. [1] Kuva 2.1. Ylijännitelajit ja eristysten jännitelujuutta testaavat koejännitemuodot. [1] Jännitelujuuksien tarkastelussa tärkeimpänä tekijänä voidaan pitää jänniterasituksen kestoaikaa ja jännitteen muotoa. Pientaajuiset jännitteet ovat kestoajaltaan pitempiä ja jännitemuodoltaan jaksollisia. Transienttimuotoiset jännitteet ovat puolestaan nopeasti vaimenevia ja jyrkempiä. Jyrkät transienttijännitteet eli ilmastolliset ylijännitteet, saavuttavat huippunsa muutamassa mikrosekunnissa ja vaimenevat sen jälkeen muutaman kymmenen mikrosekunnin kuluessa. Loivat transienttiylijännitteet eli kytkentäylijännitteet puolestaan ovat pitempikestoisia: huippu saavutetaan muutamassa sadassa mikrosekunnissa ja vaimeneminen kestää millisekunteja. Nämä tekijät huomioidaan koejännitepulssien rinta- ja selkäosien kestoina. [1,2] Ylijännitteitä syntyy monien eri tekijöiden takia. Ylijänniteluokittelussa aiemmin käytetyt termit viittaavat näihin syihin. Salamaniskut, kytkentätoimenpiteet ja erilaiset viat ovat muutamia esimerkkejä aiheuttajista. Seuraavassa tarkastellaan ylijänniteluokittelussa määriteltyjä ylijännitetyyppejä sekä niiden aiheuttajia.
5 2.2.Pientaajuiset ylijännitteet Pientaajuiset ylijännitteet syntyvät pääsääntöisesti kytkentätoimenpiteen tai vian seurauksena. Niiden aiheuttajina ovat tyypillisesti[1]: verkon maasulku kuorman kytkeytyminen irti verkosta resonanssit ja ferroresonanssit vajaanapainen toiminta tai katkos generaattoreiden itseherätys Pientaajuiset ylijännitteet ovat jaksonajaltaan normaalin käyttötaajuisen jännitteen suuruisia. Ylijännitteiden kestoaikaan ja jänniteamplitudiin vaikuttavat merkittävästi generaattoreiden pyörimisnopeuden ja muiden jännitteensäätöön osallistuvien laitteiden säätöominaisuudet. [1] 2.2.1 Maasulkuylijännitteet Maasulut ovat keskijänniteverkkojen yleisin pientaajuisten ylijännitteiden aiheuttaja, jotka esiintyvät pääsääntöisesti vain vaiheen ja maan välisissä eristyksissä. Maasulun aiheuttaman ylijännitteen suuruus riippuu sekä vikapaikasta että verkon tähtipisteen maadoitustavasta. Verkot jaetaan maadoitustapansa perusteella maasta erotettuihin, sammutettuihin ja suoraan tai impedanssin (kuristimen tai vastuksen) kautta maadoitettuihin verkkoihin. [1,2] Maasulkukerroin (k) kuvaa verkon terveessä vaiheessa olevan vianaikaisen jännitteen huippuarvon suhdetta saman vaiheen jännitteen huippuarvoon ennen vikaa. Maasta erotettujen ja sammutettujen verkkojen maasulkukerroin voi suurimmillaan olla noin 1,8 p.u. Terveen vaiheen jännite voikin siis vian aikana nousta jopa hieman pääjännitettä suuremmaksi. Verkon kannalta parempi tilanne vallitsee suoraan tai pienen impedanssin kautta maadoitetuissa verkoissa, joissa jännitteen nousu rajoittuu pienemmäksi. Verkkoja, joissa maasulkukerroin saa korkeintaan arvon 1,4 kutsutaan tehollisesti maadoitetuiksi verkoiksi. Niissä jännitteen nousut jäävät alhaisiksi ja maasulkuvirrat kasvavat suuriksi. Koska Suomen maaperä on sähkönjohtokyvyltään huono, keskijännitepuolen verkot on toteutettu maasta erotettuina tai sammutettuina. [1,2] Sammutetuissa keskijänniteverkoissa maasulun kestoaika on tavallisesti alle 10 sekuntia. Maasta erotetuissa verkoissa vian kesto riippuu suojauskäytännöstä ja turvallisuusmääräyksistä. Maasulkulaukaisua käytettäessä vika-aika rajoittuu alle viiden sekunnin. Jos taas verkon käyttö on maasulun aikana sallittu, maasulun kestoaika voi olla tunteja. Tällöin pitkällä aikavälillä verkon eristykset rasittuvat, mikä voi johtaa
6 uuteen maasulkuun toisaalla verkossa. Tällaista tilannetta kutsutaan kaksoismaasuluksi, joka on hankala vikavirtojen hallinnan kannalta. [1] 2.2.2 Muut aiheuttajat Jos syöttävän verkon loppupäässä oleva kuormitus kytkeytyy irti verkosta, nousee verkon loppupään jännite jännitehäviön katoamisen, generaattoreiden pyörimisnopeuden kasvun ja varausvirran seurauksena. Ylijännite on kolmivaiheinen ja sillä on sama suhteellisarvo niin vaiheen ja maan kuin vaiheidenkin välissä. Ylijännite on suurin silloin, kun irti kytkeytyvä kuorma on induktiivinen ja verkon oikosulkuteho on pieni, joten sitä esiintyy lähinnä siirtoverkkotasolla. Generaattorin jännitteen ja pyörimisnopeuden säätö laskevat noussutta jännitetasoa. [1,2] Erilaiset resonanssitilat saattavat aiheuttaa verkkoon ylijännitteitä. Ylijännite voi syntyä silloin, kun verkossa oleva värähtelypiiri on resonanssissa yliaaltolähteen syöttämän taajuuden kanssa. Kyllästynyt syöttömuuntaja voidaan nähdä yliaaltolähteenä ja sen läheisyydessä oleva loistehon kompensointikondensaattori ja syöttävä verkko värähtelypiirinä. [2] Ferroresonanssi eli kippivärähtely on resonanssin tapainen ylijännitteen muodostumismekanismi, jossa kapasitanssi ja epälineaarinen induktanssi muodostavat värähtelevän sarjapiirin. Ferroresonanssia esiintyy maasta erotetuissa verkoissa, joiden kapasitanssi on pieni. Pieni kapasitanssi voi muodostaa sarjapiirin yhdessä muuntajan induktanssin kanssa. [1] Muuntajan vajaanapaista toimintaa voi esiintyä esimerkiksi johdinkatkeamisen yhteydessä, jolloin yksi tai kaksi vaihetta putoaa pois käytössä. Tällöin syntyvä terveen vaiheen ylijännite ei aiheuta ongelmia eristysrakenteille keskijänniteverkossa vaan on lähinnä pienjänniteverkon ongelma [1] Generaattorin itseherätys on mahdollinen, jos sen napoihin jää suuri kapasitiivinen kuorma varsinaisen kuorman irtoamisen jälkeen. Tällöin jännite saattaa kasvaa yli 1,5- kertaiseksi normaaliin tilanteeseen nähden. Vain kapasitiivisen kuorman irtikytkemisellä voidaan rajoittaa jännitteennousua. [1]
7 2.3.Loivat transienttiylijännitteet Loivat transienttiylijännitteet syntyvät pääsääntöisesti verkon erilaisten äkillisten tilanmuutosten seurauksena. Tilanmuutoksia voi syntyä vikatapausten, kuten oiko- ja maasulun, tai kytkentätoimenpiteiden seurauksena. Nämä muutokset saattavat aiheuttaa transienttiylijännitteen lisäksi pientaajuisen ylijännitteen. Usein transientin vaimennettua verkkoon jää vielä pienitaajuinen ylijännite. Näitä ylijännitteitä kutsutaankin yhteisesti sisäisiksi ylijännitteiksi, koska ne syntyvät verkon omien toimintojen seurauksena. [2] Loivan transienttiylijännitteen muotoon ja voimakkuuteen vaikuttavat käytettävän katkaisijan ja sitä ympäröivän verkon ominaisuudet. Syntyvän ylijännitteen värähtelyn taajuuteen vaikuttavat verkon kuormitus sekä verkon kapasitanssit ja induktanssit. Värähtelyn maksimiarvo puolestaan riippuu jännitteen ja virran hetkellisarvosta kytkentähetkellä, verkon vaimennusominaisuuksista ja katkaisijan ominaisuuksista. [1] Kuorman kytkeminen verkkoon on tavallinen toimenpide, jossa syntyy loivia transienttiylijännitteitä. Esimerkiksi kondensaattorin kytkennässä syntyvä ylijännite on amplitudiltaan hyvin pieni, mutta se on kuitenkin ongelmallinen herkille elektroniikkalaitteille. Transienttia voidaan rajoittaa vain puuttumalla itse katkaisijan toimintaan. Moottorin kytkentä verkkoon puolestaan aikaansaa samansuuruisia transientteja, mutta jännitteen nousu on jyrkempää kuin kondensaattorin tapauksessa. [1] Kuormitusvirran katkaisu voi myös aiheuttaa loivia transienttiylijännitteitä. Ilmiöön vaikuttavat kytkinlaitteen jälleensyttymisominaisuudet. Kytkinlaitteen suoritettua kuormitusvirran katkaisun, syttyy katkaisuväliin valokaari. Valokaaren sammumisen jälkeen katkaisuväliin jää ionisaation takia heikompi eristyskyky. Katkaisuvälissä tapahtuu läpilyönti, jos sen yli vaikuttava jännite ylittää välin eristyslujuuden. Syntyvän ylijännitteen suuruus riippuu jälleensyttymishetkestä. Ylijännitteet ovat suurempia, jos katkaisijan navoissa on erimerkkiset jännitteet. [1] Tavallisimpia ylijännitteitä aiheuttavia katkaisutilanteita ovat kapasitiivisen virran ja pienen induktiivisen virran katkaisut. Kapasitiivisen virran katkaisu tapahtuu tilanteissa, joissa verkosta erotetaan tyhjäkäyvä johto tai kaapeli tai irtikytketään kondensaattoriparisto. Induktiivisen virran katkaisu puolestaan syntyy tyhjäkäyvän muuntajan, suurjännitemoottorin tai reaktorin verkosta irrotuksen yhteydessä. [1]
8 2.4.Jyrkät transienttiylijännitteet Jyrkät transienttiylijännitteet eli aiemmalta nimeltään ilmastolliset ylijännitteet syntyvät vanhan, alkuperäänsä viittaavan nimityksensä mukaisesti lähinnä salamaniskujen seurauksena. Iskun aiheuttama ylijännite syntyy joko suorana iskuna jännitteiseen johtimeen, induktion kautta salaman osuessa verkon välittömään läheisyyteen tai takaiskuna salaman osuessa johdon jännitteettömään (yleensä maadoitettuun) osaan. Indusoituneiden iskujen suuruusluokka on noin 100-300 kv, minkä vuoksi niiden vaikutus on merkittävä vain keskijänniteverkoissa. Suorat iskut voivat aiheuttaa useiden megavolttien jännitteitä, joten ne on huomioita myös siirtoverkkotasolla. Takaiskun mahdollisuus kasvaa pylvään induktanssin eli sen korkeuden kasvaessa. Takaiskun vaikutus on merkittävä vain siirtoverkoissa korkeamman pylväsrakenteen ja ukkosjohtimien käytön takia. [1,2] Seuraavassa käsitellään ukkosrunsautta Suomessa, sekä tutkitaan niiden aiheuttamia ylijännitteitä keskijänniteverkossa. 2.4.1 Ukkosrunsaus Suomessa Ukkosrunsautta voidaan mitata ukkospäivien lukumäärällä tai salamantiheydellä 100 tai 400 km 2 kohden. Ukkospäivällä tarkoitetaan vuorokautta, jonka aikana kiinteällä havaintopaikalla eli sääasemalla on nähty salamoita tai kuultu jyrinää. Ukkosen voimakkuuden määritelmä on monimuotoinen, selvin tapa perustuu salamamääriin. [3] Yksittäiset ukkospilvet esiintyvät halkaisijaltaan noin 20 km pitkinä soluina, joiden keskellä on kuurosateen ydin. Salamamäärien laskentaa varten ukkossolu määritellään 400 km 2 pinta-alaksi, jolle voidaan laskea salamapaikannustietojen perusteella salamatiheys. Suomessa keskimääräinen ukkostiheys on 0,4 kpl/km 2 vuodessa, joten yhden solun tuottama salamamäärä on 160 salamaa vuodessa. Suomessa ukkospäivien lukumäärä on noin 12, joten keskimääräinen ukkonen tuottaa noin 13 salamaa. Ukkoset ovat kuitenkin hyvin erilaisia, yksittäinen ukkospilvi voi tuottaa vain yhden salaman ja toisaalta enimmillään on päästy lähes tuhannen salaman ukkoseen. Ukkosen voimakkuus voidaan luokitella seuraavasti [3]: yli 320 salamaa: poikkeuksellisen raju ukkonen 101-320 salamaa: raju ukkonen 33-100 salamaa: kova ukkonen 11-32 salamaa: kohtalainen ukkonen 1-10 salamaa: heikko ukkonen Ilmatieteen laitoksella on ollut vuodesta 1997 alkaen on ollut käytössä uudenlainen salamanpaikannin, joka mittaa salaman iskupaikan tarkemmin ja havaitsee paremmin
9 myös heikkoja salamoita. Vanhan vuonna 1984 hankitun paikantimen mittaamia tuloksia on voitu korjata uuden paikantimen tulosten mukaisiksi. Salamapaikantimen tuloksista voidaan laskea ukkospäivät, kuvassa 2.2 näkyy Suomessa vuosina 1998-2006 lasketut ukkospäivät.[3] Kuva 2.2. Ukkospäivät alueittain Suomessa 1998-2006[3] Kuvasta 2.2 havaitaan että eniten ukkospäiviä on Etelä- ja Itä-Suomessa. Varsinainen ukkoskausi Suomessa ajoittuu toukokuusta syyskuuhun, joskin yksittäisiä ukkospäiviä voi ilmetä muulloinkin. Rajuimmat ukkoset esiintyvät yleensä heinäkuussa.[3]
10 2.4.2 Suorat salamaniskut Suoran iskun osuessa vaihejohtimeen salamavirta jakautuu kahteen yhtä suureen, johdon molempiin suuntiin etenevään kulkuaaltoon. Syntyvän ylijänniteaallon suuruus saadaan yhtälöllä 2.1 1 u= Z w i 2 (2.1), missä Z w = vaihejohtimen aaltoimpedanssi i = salamavirran amplitudi Kerroin 0,5 yhtälössä 2.1 johtuu juuri salamavirran jakautumisesta. Vaihejohtimen aaltoimpedanssi vaihtelee eri johdinlajien välillä. Avojohdoille tyypillinen arvo on 250-500 Ω. Salamavirran amplitudi on tyypillisesti muutama kymmenen kiloampeeria. Osuessaan vaihejohtimeen salamavirta saa siten aikaan megavolttien suuruisen ylijännitteen, joka johtaa lähes poikkeuksetta ylilyöntiin. Ylilyönnin aiheuttama valokaari poistetaan jälleenkytkennällä [1,2] Johdon jännitelujuus rajoittaa suorasta salamaniskusta syntyneen ylijännitteen suuruutta. Se myös määrää ylijänniteaallon nousuajan yhdessä salamavirran jyrkkyyden kanssa. Johdolla etenevä ylijänniteaalto vaimenee ja loivenee avojohdon koronan sekä maapiirin ja johtimen häviöiden seurauksena. [1] 2.4.3 Indusoituvat ylijännitteet Indusoituvat ylijännitteet ovat yleisin ukkosen aiheuttama ylijännitetyyppi keskijänniteverkossa. Niiden aiheuttajana on lähelle avojohtoa iskeneen salaman pääpurkausvirran sähkömagneettinen induktio. Purkausvirta aiheuttaa johdon induktanssien ja maakapasitanssien muodostamaan piiriin muuttuvan magneettikentän, mikä aikaansaa johdolle ylijännitteen. [1] Indusoituneet ylijännitteet ovat amplitudiltaan melko pieniä, tyypillisesti 200-300 kv. Lähelle johtoa iskeneet suurivirtaiset salamat voivat kuitenkin aiheuttaa jopa 500 kv:n suuruusluokkaa olevia ylijännitteitä. Tämänkaltaiset salamavirrat ovat mahdollisia, kun johto kulkee itseään korkeampien puiden suojaamina metsässä. [1] Indusoituvan ylijännitteen suuruus on riittävä aiheuttamaan ylilyönnin verkon komponenteissa, mikäli salamanisku tapahtuu alle 200 m:n etäisyydellä johdosta.
11 Etäisyys voi vaihdella ja siihen vaikuttavat maan johtavuus, salamavirran huippuarvo ja etenemisnopeus sekä johdinkonfiguraatio. [4] Indusoituneen ylijännitteen suuruutta voidaan arvioida yhtälöllä (2.2): h u ind = kiz 0 d (2.2), missä k = 1,2-1,3 (kerroin, joka huomioi salamavirran etenemisnopeuden) i = salamavirran huippuarvo Z 0 = impedanssin dimension omaava vakio h = johdon korkeus d = iskupaikan etäisyys johdosta 2.4.4 Takaisku Takaisku tarkoittaa tilannetta, jossa johdon maadoitettuun osaan eli pylvääseen tai ukkosjohtimeen osuva salamanisku aikaansaa ylilyönnin johdon jännitteiseen osaan. Pylvääseen osuessaan takaisku on todennäköisintä, jos salamavirran huippuarvo on tarpeeksi suuri tai maadoitusolosuhteet vaikeat eli maadoitusimpedanssi on suuri. Tällöin myös salamavirran ja pylvään resultoivan maadoitusimpedanssin muodostama jännite on huippuarvoltaan suuri ja voi ylittää maadoitetun osan jännitteisen johtimen jännitekestoisuuden. [1] Takaiskun aiheuttaman ylijännitteen tarkkaa suuruutta on hankala laskea, koska resultoivan maadoitusimpedanssin arvo riippuu maadoitus- ja ukkosjohtimien aaltoimpedansseista sekä lisäksi johtimien välisistä keskinäisimpedansseista. Salamavirralla on myös eri kulkureittejä pylväissä, haruksissa sekä maadoitus- ja ukkosjohtimissa. [1,2] Suomen maadoitusolosuhteet ovat suhteellisen vaikeat, joten keskijänniteverkoissa ei juurikaan käytetä maadoitus- eikä ukkosjohtimia. Tämän vuoksi takaiskut eivät ole merkittävä ylijännitteiden muodostaja kj-verkossa. [1] 2.5.Erittäin jyrkät transienttiylijännitteet Erittäin jyrkät transienttiylijännitteet ovat tyypillinen ilmiö erotintoiminnon yhteydessä. Ne muodostuvat erotinta avattaessa, kun syntyvä valokaari katkeaa ja jälleensyttyy kymmeniä kertoja erottimen avausvälissä. Jälleensyttymiset generoivat suurtaajuisen (100 khz 10 Mhz) värähtelyn verkkoon, johon erotin on kytketty. Värähtely yhdessä
12 sopivan kapasitanssin kanssa aikaansaa purkausvirran ja siten verkon impedansseissa muodostuvan ylijännitteen. [1] Erittäin jyrkät transienttiylijännitteet vaimenevat nopeasti, jos ne ovat syntyneet ilmaeristeisen kytkinlaitoksen (AIS) toiminnan seurauksena. Ne ovatkin vaarallisia vain niille laitteille, jotka sijaitsevat AIS-laitoksen erottimen välittömässä läheisyydessä. Ulkoista eristystä erittäin jyrkät transienttiylijännitteet eivät uhkaa, mutta ne voivat vaurioittaa laitteen sisäistä eristystä. Erottimen avaaminen on usein toistuva toimenpide, joten jatkuvat purkaukset voivat alentaa ylijännitteille altistuvan laitteen eristyksen elinikää. [1] Kaasueristeisten kytkinlaitosten (GIS) erotintoiminnon yhteydessä syntyvät erittäin jyrkät transienttiylijännitteet saattavat siirtyä pitkänkin matkan ilman vaimenemista. Syntyvät jännitetransientit ovat lisäksi suurempitaajuisia kuin ilmaeriesteisten kytkinlaitosten yhteydessä. [1]
13 3.YLIJÄNNITESUOJAUS KESKIJÄNNITE- VERKOSSA Ylijännitesuojat ovat tärkeä osa keskijänniteverkon kokonaisvaltaista suojausta. Ylijännitesuojien avulla pyritään rajoittamaan verkossa ilmenevät ylijännitteet sellaiselle tasolle, että ne eivät vaurioita verkkoon sijoitettujen laitteiden eristysrakenteita. Keskijänniteverkon suojauksessa käytetään monia erilaisia ylijännitesuojia. Kipinävälejä käytetään pienten pylväsmuuntamoiden suojaukseen. Venttiilisuojia käytetään suurempien pylväsmuuntamoiden sekä kaapelipäätteiden suojauksessa. Nykyisin markkinoilla olevat venttiilisuojat ovat pääsääntöisesti kipinävälittömiä metallioksidisuojia, mutta myös kipinävälillisiä venttiilisuojia käytetään edelleen. Uudenlaiset yhdistelmäsuojat, jotka muodostuvat kipinävälistä ja venttiilisuojasta, valtaavat myös markkinoita. Ukkosjohtimia käytetään keskijänniteverkoissa harvoin, lähinnä sähköasemien läheisyydessä. Tässä luvussa käsitellään keskijänniteverkossa käytettävät ylijännitesuojien periaattelliset rakenteet ja ominaissuureet. Lisäksi tarkastellaan, miten ylijännitesuojausta toteutetaan eri johdinlajeilla. 3.1.Ylijännitesuojat eristyskoordinaatiossa Koska sähköverkossa syntyvät ylijännitteet ovat satunnaisesti ilmeneviä tapahtumia, eristysrakenteita ei ole teknistaloudellisessa mielessä mahdollista mitoittaa siten, ettei verkossa tapahtuisi ollenkaan yli- ja läpilyöntejä. Eristyskoordinaatiolla tarkoitetaan prosessia, jossa sähköverkkojen eristysrakenteet pyritään mitoittamaan siten, että ne kestävät suurimman osan verkossa ilmenevistä jänniterasituksista, ja että ylijännitteiden aikaansaamien käyttöhäiriöiden ja laitevaurioiden määrä jää taloudellisesti hyväksyttävälle tasolle. [1] Ylijännitesuojien sijoittaminen ja niiden ominaisuudet ovat tärkeä osa eristyskoordinaatiota. Suojien avulla ylijännitteet rajataan niin pieniksi, että ne eivät aiheuta vaaraa eristysrakenteen kestävyydelle. Suojauksessa otetaan erityisesti huomioon kalliit ja pitkän korjausajan vaativat laitteet. [1]
14 Eristyskoordinaation toteuttamiseen on kaksi menetelmää: konventionaalinen ja tilastollinen. Konventionaalista menetelmää käytetään silloin, kun ylijännitteiden ominaisuuksia ei ole mahdollista kuvata tilastollisesti, eli tutkittaessa esimerkiksi venttiilisuojien vaikutusta ilmeneviin ylijännitteisiin. Tilastollinen menetelmä puolestaan sopii käytettäväksi erityisesti loivien transienttiylijännitteiden tapauksessa. [1] 3.2.Kipinäväli Yksinkertaisemman rakenteen vuoksi kipinävälit ovat hinnaltaan edullisempia, kuin muut ylijännitesuojauksessa käytettävät komponentit. Lisäksi niiden vaurioitumisherkkyys on matalampi. Toisaalta kipinävälin käyttö vaatii suojattavalta kohteelta paremmat kestävyydet ylijännitteille ja jyrkille jännitemuutoksille, jotka ovat vaarallisia erityisesti muuntajien käämityksille. Näiden syiden vuoksi kipinävälin käyttö Suomen sähkönjakeluverkossa rajoittuu pienehköjen, enintään 200 kva pylväsmuuntajien suojaukseen, jotka on koestettu jyrkillä jännitemuutoksilla ennen käyttöönottoa. Toinen yleinen käyttökohde kipinäväleille on PAS-johdon valokaarisuojaus. [1,2] Tavallisimmat kipinävälirakenteet ovat yksivälisuoja ja kaksivälisuoja. Yksivälisuoja koostuu kahdesta elektrodista, joita käytetään muuntajien läpivientieristimien rinnalle kytkettyinä suojina. Yksivälisuojan ongelmana on alttius lintujen aiheuttamille turhille kipinävälitoiminnoille. Nykyään onkin siirrytty käyttämään ns. kaksivälisuojaa, joka koostuu vastaavalla tavalla kahdesta elektrodista, mutta lisäksi niiden väliin asennetusta lintuesteenä toimivasta keskielektrodista. Kaksivälisuoja sijoitetaan suojattavaa muuntajaa edeltävän erottimen yhteyteen. Kipinävälien asennuksen yhteydessä on huomioitava kipinävälitoiminnossa syntyvä laajeneva valokaari, jonka vuoksi kipinävälin yläpuolella on oltava vähintään 0,7 m vapaata tilaa. [1,2] Kuvassa 3.1 esitetään tavallisimmat pylväsmuuntajien yhteydessä käytetyt kipinävälirakenteet. Yleisimmät elektrodivälien pituudet (S) ovat yksivälisuojalla (a) 60 mm ja 80 mm sekä kaksivälisuojalla (b) 80 mm ja 100 mm.
15 Kuva 3.1. Tavallisimmat kipinävälirakenteet. (a)yksivälisuoja. (b )Kaksivälisuoja. [2] Kipinävälin elektrodien välinen etäisyys vaikuttaa suojattavan kohteen kokemaan jänniterasitukseen kipinävälin toimiessa. Etäisyys pyritään valitsemaan niin suureksi, etteivät pientaajuiset ylijännitteet ja loivat transienttiylijännitteet aiheuttaisi kipinävälin syttymistä. Toisaalta etäisyys on valittava niin pieneksi, että ilmastolliset ylijännitteet aikaansaisivat kipinävälin syttymisen ja jännitteen rajoittumisen suojattavan kohteen eristysrakenteen jännitteenkestotason alapuolelle. [2] Kipinävälin toiminta aiheuttaa aina maasulun, jonka poistaminen vaatii jälleenkytkennän. Tämän vuoksi kipinävälisuojausta voidaan käyttää vain sellaisilla alueilla, joissa lyhyehköt käyttökeskeytykset ovat sallittuja. Lisäksi ongelmana on kipinävälin toimintajännitteen suuri vaihtelevuus mm. erilaisten sääolosuhteiden takia, jonka vuoksi luotettavan suojauksen toteuttaminen voi olla hankalaa. Siksi ilmastollisten ylijännitteiden esiintymistiheyden olisi pysyttävä suhteellisen alhaisena. [1,2] 3.3.Kipinävälilliset venttiilisuojat Tavallisiin suojakipinäväleihin verrattuna kipinävälillisten venttiilisuojien suojausominaisuudet ovat merkittävästi paremmat. Ne alentavat enemmän sekä suojattavan kohteen kokemaa jännitettä ylijännitetilanteessa, että toiminnastaan aiheutuvan jännitteen muutoksen jyrkkyyttä. Niiden toiminta ei myöskään aiheuta jälleenkytkentää verkkoon. Verkon suojauksessa käytettäviä kipinävälillisiä venttiilisuojia ovat levykipinävälisuojat ja magneettipuhallussuojat.
16 Levykipinävälisuoja Levykipinävälisuojan rakenne muodostuu kahdesta toiminnallisesta osiosta; levymäisillä elektrodeilla osiin jaetusta kipinävälistä sekä sen kanssa sarjassa olevasta epälineaarisesta piikarbidivastuksesta (SiC). Näiden muodostama kytkentä on suljettu hermeettisesti posliinikuoreen. Kuvassa 3.2 on esitetty levykipinävälisuojan rakenne. [1] Kuva 3.2. Levykipinävälisuojan periaatteellinen rakenne. (1)Epälineaarinen vastus. (2) Kipinävälit.[1] Ylijännitetilanteessa suojan epälineaarisen vastuksen tehtävänä on rajoittaa kipinävälien syttymisen aiheuttama maasulkuvirta niin pieneksi, että kipinäväleissä syttyneet valokaaret sammuvat jännitteen nollakohdassa itsestään eikä jälleenkytkentää tarvita. Kipinävälit muotoillaan ja jaetaan elektrodeilla osiin siten, että niiden syttymisjännitteen hajonta pysyisi mahdollisimman pienenä ja syttymisestä aiheutuva jännitteenmuutos loivana. Ajan myötä venttiilisuojan energianpurkauskyky kuitenkin heikkenee, koska purkausvirrat kuluttavat kipinävälien elektrodeja ja heikentävät suojausominaisuuksia. Tämän vuoksi levykipinävälisuojia onkin käytetty vain ukkosylijännitteiden rajoittamiseen. [1] Magneettipuhallussuoja Magneettipuhallussuojan rakenne poikkeaa levykipinävälisuojasta siten, että epälineaaristen vastusten ja kipinävälien kanssa on sarjassa puhalluskäämejä ohitusvastuksineen. Kuvassa 3.3 esitetään kahden magneettipuhallussuojan rakenteet. [1,2]
17 Kuva 3.3. Magneettipuhallussuojien periaatteelliset rakenteet. (1)Epälineaarinen vastus. (3)Kipinävälit. (4)Puhalluskäämit. (5) Puhalluskäämien ohitusvastukset. [1] Ylijännitetilanteessa syntynyt suuritaajuinen purkausvirta kulkee pääasiassa käämien ohitusvastuksien kautta. Tämän purkauduttua käyttötaajuinen jälkivirta siirtyy puhalluskäämeille. Käämeissä kulkeva virta synnyttää magneettikentän joka puhaltaa kipinäväleissä palavaa lyhyttä valokaarta pitemmäksi. Näin valokaarijännite kasvaa, jolloin jälkivirta pienenee ja valokaari sammuu ennen jännitteen nollakohtaa. Magneettipuhallussuojien elektrodit kuluvat vähemmän kuin levykipinävälien, jolloin energianpurkauskyky on suurempi. Niitä voidaankin käyttää ukkosylijännitteiden lisäksi myös loivien transienttiylijännitteiden rajoittamisessa. [1] 3.3.1 Kipinäväliventtiilisuojien ominaissuureet Kipinävälisuojille ilmoitetaan kuusi ominaissuuretta: nimellisjännite, syttymisjännite, jäännösjännite, nimellispurkausvirta, johtopurkauskyky sekä suojaustaso. [1] Nimellisjännite (U r ) tarkoittaa suurimman käyttötaajuisen vaihejännitteen tehollisarvoa, jolla suoja vielä toimii oikein, ts. suojan kipinävälit sammuvat toiminnan jälkeen. Nimellisjännite on tärkein suure kipinävälillisten venttiilisuojien valintaa tehdessä. [1] Syttymisjännite (U s ) tarkoittaa jännitettä, jolla suojan kipinävälit syttyvät eli suoja siirtyy johtavaan tilaan. Syttymisjännitteet määritellään erikseen erilaisille ylijännitepulsseille. [1] Jäännösjännite (U res ) on suurin jännite, joka vaikuttaa suojan yli sen ollessa johtavassa tilassa. Jäännösjännite ilmoitetaan erikseen erilaisille standardinmukaisille virtapulsseille. [1]
18 Nimellispurkausvirta (I n ) tarkoittaa suurinta syöksyvirran arvoa, jolla suoja on suunniteltu toimivaksi. Suuremmalla syöksyvirralla suojan toimintaa ei taata. Johtopurkauskyky kuvaa suojan energianpurkauskykyä. [1] Suojaustaso määritellään sekä salama- että kytkentäsyöksyjännitteillä. Kytkentäsyöksyjännitteellä suojaustasoa kuvaa standardinmukaisella kytkentäjännitepulssilla saatu syttymisjännite. Salamasyöksyjännitteillä suojaustasoksi ilmoitetaan suurin seuraavista jännitteistä: syttymisjännite salamasyöksyjännitteellä, jäännösjännite nimellispurkausvirralla tai rintasyttymisjännite lineaarisesti nousevalla salamasyöksyjännitteellä jaettuna luvulla 1,15. Jakajaa käytetään siksi, koska sisäisen eristyksen jännitelujuus arvioidaan noin 15 % suuremmaksi jyrkällä lineaarisella jännitteellä verrattuna normaaliin salamaniskua kuvaavaan jyrkkään transienttiylijännitteeseen. [1] 3.4.Metallioksidisuojat Nykyisin markkinoilla olevat venttiilisuojat ovat suurelta osin kipinävälittömiä metallioksidisuojia (MO-suoja). Niiden toiminta perustuu suojan vastusmateriaalin erittäin epälineaariseen resistiivisyyteen. Verrattuna perinteisiin kipinäväliventtiilisuojiin MO-suojilla on paremmat käyttöominaisuudet ja ne yhdessä kilpailukykyisen hinnan kanssa ovat lisänneet metallioksidisuojien käyttöä viimeisen parinkymmenen vuoden aikana. [1] Metallioksidisuojien vastusmateriaalina käytetään pääasiassa sinkkioksidia (ZnO). Sinkkioksidin kanssa vastukseen on lisätty muitakin metallioksideja, jotka vaikuttavat merkittävästi vastuksen sähköisiin ominaisuuksiin. Valmistuksen aikana metallioksidijyväsistä muodostuva massa sintrataan lieriön muotoisiksi vastuselementeiksi ja näitä elementtejä kytketään suojaustason ja purkauskyvyn edellyttämä määrä sarjaan ja rinnan. Lopuksi elementit suljetaan posliini- tai polymeerikuoreen. [1] Kuvassa 3.4 esitetään metallioksidivastuksen (ZnO) ominaiskäyrä, joka kuvaa metallioksidisuojan yli olevan jännitteen suuruutta sen läpi kulkevan virran funktiona. Käyrän muoto selittää MO-suojan toimintaperiaatetta. Kuvasta havaitaan myös lämpötilan vaikutus suojan toimintaan. Kuvaan on vertailun vuoksi lisätty piikarbidivastuksen (SiC) ominaiskäyrä. [2]
19 Kuva 3.4. Metallioksidivastuksen ominaiskäyrä kahdessa eri lämpötilassa. [2] Metallioksidisuojan vastusmateriaali koostuu lukuisista metallioksidijyväsistä, joiden ydin on sinkkioksidia ja pinta muita metallioksideja. Pienillä kentänvoimakkuuksilla eli kun vastuksen yli vaikuttava jännite on matala, metallioksidijyvästen pintakerros läpäisee virtaa hyvin heikosti. Materiaalin resistiivisyys on siis suuri. Kentänvoimakkuuden kasvaessa alkaa ns. tunneli-ilmiö, jolloin pintakerros läpäisee virtaa paremmin ja virtaa alkaa tunkeutumaan enemmän sinkkioksidijyväsiin. Tällöin vastusmateriaalin resistiivisyys käyttäytyy hyvin epälineaarisesti. Kentänvoimakkuuden edelleen kasvaessa tunneli-ilmiö vaikuttaa koko vastusmateriaalissa ja sinkkioksidiydin määrää koko vastuksen läpi kulkevan virran suuruuden. Resistiivisyys on tällöin hyvin pieni. Huomionarvoista on myös lämpötilan vaikutus vastuksen resistiivisyyteen. Pienillä virroilla vastuksen resistiivisyys pienenee lämpötilan kasvaessa. Ylijännitetilanteen poistuttua vastuksen läpi kulkee siis enemmän virtaa, kuin ennen ylijännitetilannetta. Suojan mitoituksessa onkin huomioitava se, että sen jäähdytys on riittävä eikä suoja tuhoutuisi liiallisen lämpötilan kasvun seurauksena [1,2] MO-suojan vastuselementtien läpi kulkeva normaali vuotovirta aiheuttaa vastusmateriaalin ominaisuuksien muuttumista, mikä voi johtaa ongelmiin suojan toiminnassa. Ongelmia voivat aiheuttavat lisäksi mm. suojan sisään tunkeutuva kosteus sekä suojan ulkopinnan likaantuminen. Suojan sisään tunkeutunut kosteus voi aikaansaada osittaispurkauksia ja kemiallisia reaktioita, jolloin vastuksen resistiivisyys muuttuu ja vuotovirta kasvaa. Ulkopinnan likaantuminen voi aiheuttaa epätasaista jännitteen jakautumista eristimen ulkopinnan yli mikä kapasitiivisen kytkennän kautta vaikuttaa myös vastuselementtien yli. Tämän vuoksi jotkut vastuselementit saattavat johtaa enemmän virtaa kuin toiset, jolloin suoja lämpenee epätasaisesti. [1]
20 3.4.1 Metallioksidisuojien ominaissuureet Metallioksidisuojille ilmoitetaan kuusi ominaissuuretta: suurin jatkuva käyttöjännite, käyttötaajuisen ylijännitteen sietokyky, mitoitusjännite, nimellispurkausvirta, jäännösjännite sekä suojaustaso. [1] Suurin jatkuva käyttöjännite (U c ) kertoo jännitteen suuruuden, joka saa jatkuvasti vaikuttaa suojan ylitse.[1] Käyttötaajuisen ylijännitteen sietokyky (U tov ) annetaan ominaiskäyränä (TOV-käyrä), josta ylijännitteen kestoajan funktiona nähdään suojan suurin sallittu käyttötaajuinen ylijännite, jonka suoja vaurioitta kestää.[1] Kuvassa 3.5 on esitetty erään MO-suojan TOV-käyrä. Käyrä a on rasittamattomalle MO-suojalle ja käyrä b esirasitetulle MO-suojalle. T = U tov /U c [4] Kuva 3.5. MO-suojan TOV-käyrä. (ABB:n MWK-merkkinen MO-suoja).[4] Mitoitusjännite (U r ) ilmoittaa suurimman suojan yli vaikuttavan käyttötaajuisen jännitteen, jolla suoja toimii oikein IEC-standardin mukaisessa toimintasyklikoneessa. [1]
21 Jäännösjännite (U res ) on suurin jännite, joka vaikuttaa suojan yli sen ollessa johtavassa tilassa. Jäännösjännite ilmoitetaan erikseen erilaisille standardinmukaisille virtapulsseille. [1] Nimellispurkausvirta (I n ) tarkoittaa suurinta syöksyvirran arvoa, jolla suoja on suunniteltu toimivaksi. Suuremmalla syöksyvirralla suojan toimintaa ei taata. Johtopurkauskyky kuvaa suojan energianpurkauskykyä. [1] Suojaustaso MO-suojille määritellään sekä salama- että kytkentäsyöksyjännitteellä. Salamasyöksyjännitteellä määritettäessä suojaustaso on suurempi seuraavista: jäännösjännite jyrkällä virtapulssilla tai jäännösjännite nimellispurkausvirralla. Kytkentäsyöksyjännitteellä suojaustaso määritetään erikseen kytkentävirtakokeen perusteella. [1] 3.5.Yhdistelmäsuojat Yhdistelmäsuoja eli virtaa rajoittava suoja muodostuu metallioksidisuojan ja kipinävälin sarjaan kytkennästä. Yhdistelmäsuojan etu pelkkiin ylijännitesuojiin verrattuna on sen halvempi hinta, koska käytettävän MO-suojan koko on pienempi. Pelkkiin kipinäväleihin verrattuna etuna puolestaan on jälleenkytkentätoiminnon puuttuminen vikatilanteessa. Lisäksi eläimet eivät aiheuta kipinävälitoimintaa mennessään elektrodien väliin. [5] Ominaisuuksiltaan yhdistelmäsuojat soveltuvat PAS-johtojen valokaarisuojaukseen sekä pienten muuntajien suojaamiseen. Kuvassa 3.6 on yhdistelmäsuoja PAS-johdon valokaarisuojana.[5] Kuva 3.6. Yhdistelmäsuoja PAS-johdon valokaarisuojana. [5]
22 Yhdistelmäsuojan syttymisjännite määräytyy kipinävälin rakenteesta ja suojaustaso MO-suojan jäännösjännitteestä. Yhdistelmäsuojan käyttö altistaa suojattavan kohteen suuremmalle jänniterasitukselle kuin pelkän MO-suojan käyttö, koska kipinävälin syttymisjännite on korkeampi kuin jännite, jolla MO-suoja siirtyy johtavaan tilaan. [6] 3.6.Muut suojauskeinot Seuraavassa esitellään keskijänniteverkossa harvemmin käytetty suojaustapa ukkosjohtimien käyttö. Lisäksi käydään läpi maasulkuvirran kompensointi, joka ei ole varsinaista ylijännitesuojausta, mutta jonka avulla pienennetään ylijännitteiden aiheuttamien vikatilanteiden haittoja. 3.6.1 Ukkosjohtimet Suomessa ukkosjohtimien käyttö keskittyy siirtoverkkotasolle. Keskijännitteellä ukkosjohtimia käytetään vain lähellä sähköasemia tai tarvittaessa kaapelin suojauksen yhteydessä mikäli kaapelia ei ole mahdollista suojata ylijännitesuojin. Ukkosjohtimen käyttöä keskijänniteverkossa rajoittaa Suomen vaikeat maadoitusolosuhteet, jotka lisäävät takaiskun riskiä. Lisäksi Suomen ukkostiheys on melko pieni. [1,2] Ukkosjohtimia käytetään estämään suorat salamaniskut vaihejohtimiin ja pienentämään indusoituneiden ylijännitteiden suuruutta. Ukkosjohtimien sijoittamisella sähköasemien yhteyteen pyritään estämään salamaniskujen aiheuttamien jyrkkien transienttiylijännitteiden kulku sähköaseman tärkeille komponenteille. [2] Ukkosjohtimien suojausvaikutukseen vaikuttavat niiden lukumäärä ja sijoituskulma vaihejohtimeen nähden. Yleensä ukkosjohtimia asennetaan kaksi kappaletta. Ukkosjohtimet sijoitetaan tavallisesti vaihejohtimien väliin, joskin myös vaihejohtimien ulkopuolelle sijoitetut ukkosjohtimet ovat mahdollisia. Ukkosjohtimien suojausvaikutukseen vaikuttaa lisäksi pylväsmaadoituksen tehokkuus. Tehokkaalla pylväsmaadoituksella pyritään rajoittamaan takaiskujen lukumäärä mahdollisimman pieneksi. Takaiskun todennäköisyyteen vaikuttaa maadoitusvastuksen aaltoimpedanssi ja mikäli se on liian suuri, impedanssin ja salamavirran aikaansaama jännite saattaa aiheuttaa takaiskun ukkosjohtimesta vaihejohtimeen. [2] 3.6.2 Maasulkuvirran kompensointi Maasulkuvirran kompensointi ei ole varsinaista ylijännitesuojausta, mutta kompensoinnilla pyritään siihen, että verkko selviytyisi paremmin ilmastollisten ylijännitteiden aiheuttamista haitoista. Esimerkiksi verkot, joissa on kipinävälejä
23 kokevat huomattavasti vähemmän lyhyitä keskeytyksiä ja jännitekuoppia, jos verkossa kompensoidaan maasulkuvirtaa.[7] Maasulkuvirran kompensoinnin ensisijainen tarkoitus on pienentää maasulkuvirran suuruus sellaiselle tasolle, jolla sähköturvallisuusmääräysten vaatimat maadoitusjännitearvot ovat kohtuullisin investoinnein saavutettavissa. Maasulkuvirran kompensoinnin ansiosta PJK-toimintojen määrä vähenee jopa 70-90%.[8] Koska maadoitusolosuhteet ovat Suomessa huonot, on keskijänniteverkot toteutettu joko maasta erotettuina tai sammutettuina. Maasta erotetussa verkossa ei vian takia syntyvälle maasulkuvirralle ole tarjolla pieni-impedanssista kulkureittiä. Sammutetussa verkossa verkon maasulkuvirralle tarjotaan pieni-impedanssinen reitti tähtipisteeseen kytkettävän kompensointikuristimen avulla. Verkon kompensoinnin määrää kuvataan kompensointiasteella K, joka muodostuu kompensointikuristimen virran ja maasulkuvirran osamääränä. Kompensointiasteen ollessa yksi verkko on täysin kompensoitu. Sammutettuja verkkoja ei normaalisti toteuteta täysin kompensoituna, koska tällöin terveen tilan nollajännite kasvaisi induktanssin ja maakapasitanssin muodostamassa värähtelypiirissä liian suureksi. Yleensä sammutetut verkot ovat alikompensoituja. [9] 3.7.Ylijännitesuojauksen toteutus avojohtoverkossa Vuonna 2008 Suomen keskijänniteverkon (1-70 kv) kokonaispituus oli 134654 km, josta avojohtoverkkoa oli 112971 km eli noin 84 % [10]. Maakaapelin ja PAS-johdon suhteellinen osuus keskijänniteverkosta on lisääntynyt viimeisten vuosien aikana muutaman prosenttiyksikön verran vuosittain: vuonna 2007 maakaapelia ja PAS-johtoa oli 1-45 kv:n jännitetasolla yhteensä noin 20867 km ja vuonna 2008 noin 22335 km [10,11]. Avojohto on kuitenkin jatkossakin merkittävässä asemassa erityisesti pienten kuluttajamäärien ja pitkien jakeluetäisyyksien maaseutuverkossa sen rakentamiskustannusten ollessa merkittävästi edullisemmat maakaapelointiin ja PASjohtoihin nähden. Avojohdon suojauksessa käytetään niin kipinävälejä kuin venttiilisuojiakin. Seuraavassa käsitellään kyseisten komponenttien käytön periaatteet avojohtoverkon ylijännitesuojauksen toteutuksessa. 3.7.1 Kipinävälit avojohtoverkossa Suomen keskijänniteverkon avojohto-osuuksilla kipinävälin käyttö rajoittuu enintään 200 kva:n pylväsmuuntajien suojaukseen. Kipinävälin käyttöä suunniteltaessa on huomioitava, että muuntaja kestää kipinävälin aiheuttamat ylijännitteet ja jyrkät
24 jännitemuutokset. Kipinävälillä suojattavat muuntajat onkin testattava kyseisiä jänniterasituksia vastaan. [1] Taulukossa 3.1 esitetään kipinävälien 1 % syttymisjännitteet normaalilla käyttötaajuisella vaihtojännitteellä ja 99 % suojaustasot salamasyöksyjännitteellä (1,2/50 µs) sekä lineaarisesti nousevalla jännitteellä (1000 kv/µs). Kipinäväleinä ovat sekä yksi- että kaksivälisuojat normaalisti käytettävillä elektrodien etäisyyksillä. Taulukko 3.1. 24kV verkossa käytettävien kipinävälisuojien syttymis- ja suojaustasot erilaisilla koestusjännitepulsseilla. Syttymisjännitteet tehollisarvoina.[1] Suojan tyyppi Yksivälisuoja Kaksivälisuoja Yksivälisuoja Kaksivälisuoja 100 mm 80 mm 80 mm 60 mm 1% syttymisjännite U 1 /kv 50 hz, sadekoe 39 42 32 35 99 % suojausjännite u pl /kv 1,2/50 µs 1000 kv/µs 120 268 124 99 103 229 217 179 Taulukosta 3.1 havaitaan, että kipinävälien 1 % syttymisjännite ylittää selvästi keskijänniteverkon käyttöjännitteen, joten normaalin jännitetilanteen vallitessa kipinävälit eivät syttyisi. Havaitaan myös, että salamasyöksyjännitteellä (1,2/50 µs) 99 % suojausjännitteet jäävät keskijännitemuuntajan ylijännitekestoisuuden (125 kv) alapuolelle. Lineaarisesti nousevalla jännitteellä (1000 kv/µs) suojaustaso ylittää muuntajan kestotason. Salamasyöksyjännitteellä saatuihin arvoihin kuitenkin on suhtauduttava varauksellisesti, koska kipinävälin syttymisjännite riippuu merkittävästi kipinävälin rakenteesta ja geometriasta tällä jännitemuodolla. Pelkkä elektrodin välinen etäisyys ei anna siis täysin aukotonta tietoa suojakipinävälin syttymisjännitteistä. [1] Kipinävälin syttymis- ja suojausjännitteet riippuvat kuitenkin merkittävästi kipinävälin elektrodien välisestä etäisyydestä. Elektrodien välinen etäisyys on valittava niin suureksi, etteivät normaali käyttöjännite, pientaajuiset ylijännitteet ja loivat transienttiylijännitteet sytytä kipinäväliä. Elektrodivälin tulisi kuitenkin olla niin pieni, että väli syttyisi ilmastollisilla ylijännitteillä ja siten rajoittaisi ylijännitteen suojattavan kohteen ylijännitekestoisuuden alapuolelle. Taulukossa 3.1 mainitut etäisyydet ovat tavallisimmin käytössä olevat kipinävälin elektrodien välimatkat. [1] 3.7.2 Venttiilisuojien sijoittaminen avojohtoverkkoon Venttiilisuojan sijoittamista koskevat säännöt ovat riippumattomia venttiilisuojan rakenteesta. Ne pätevät siis sekä kipinävälilliselle tai kipinävälittömälle suojalle. Suojattavan kohteen yli vaikuttava jännite on sama venttiilisuojan nimellissuojaustason kanssa vain silloin, kun suojattavan kohteen ja venttiilisuojan välisen liitäntäjohdon
25 pituus on äärettömän lyhyt. Jos suoja ei ole aivan kohteen edessä, suojattavan kohteen kokema jännite nousee venttiilisuojan nimellissuojaustasosta. Tähän vaikuttaa ylijännitteen kulkuaaltoluonne, joka nostaa suojan jälkeistä jännitettä. Jännitteen nousu on sitä suurempi, mitä pitempi liitäntäjohdon pituus on. [1] Todellinen suojaustaso saadaan laskettua kaavalla (3.1) seuraavassa tilanteessa: Suojattava kohde on johdon päässä ja suojat on sijoitettu johdolle ennen suojattavaa kohdetta. Maapiiri oletetaan laskennassa tehokkaaksi verkoksi, jonka induktanssi on merkityksetön. Jännitepulssin rinnan oletetaan nousevan lineaarisesti. [1] i u ptod = u p + u 1 + u 2 = u p + ( d 1 + d 2 )l + t 2S wd v (3.1), missä u ptod = todellinen suojaustaso u p = venttiilisuojan kilpiarvojen mukainen suojaustaso u 1 = induktiivinen jännitehäviö suojan liitos- ja maadoitusjohtimissa u 2 d 1 d 2 l i t S w D v = venttiilisuojan ja suojattavan kohteen välisellä matkalla tapahtuva jännitteen nousu = venttiilisuojan liitäntäjohtimen pituus = venttiilisuojan maadoitusjohtimen pituus = liitäntä ja maadoitusjohtimen induktanssi (noin 1 µh/m) = syöksyvirran jyrkkyys = tulevan lineaarisesti nousevan syöksyjännitteen jyrkkyys (kv/µs) = suojan ja kohteen välinen etäisyys = syöksyjännitteen etenemisnopeus 3.8.Maakaapeliverkon ylijännitesuojaus Maakaapeloinnilla saadaan tehokkaasti parannettua sähkön laatua ja sähkönsyötön luotettavuutta. Ilmastollisten ylijännitteiden vaikutus maakaapeliverkossa on huomattavasti pienempi kuin avojohtoverkossa, joten käyttökeskeytyksien määrä on pienempi. Maakaapeliverkko-osuuksilla ei myöskään käytetä jälleenkytkentöjä, joten näiltä osin lyhyet keskeytykset poistuvat asiakkailta kokonaan. [7] Kaapeliaurauksen kehittymisen myötä maakaapeloinnin hintataso on pudonnut. Maakaapelointi voikin kilpailla avojohdon kanssa kustannuksista varsinkin, kun huomioidaan keskeytys- ja korjauskustannukset. Maakaapelointia puoltaa myös
26 kaapeliverkkoon sijoitettavien puistomuuntamojen hinnat, jotka ovat myös pudonneet lähemmäksi avojohtoverkossa käytettävien pylväsmuuntajien hintoja. Maakaapeliverkon suojaus toteutetaan venttiilisuojin. Lähtökohtana on, että avojohtoverkon keskellä oleva kaapeli suojataan venttiilisuojin kaapelin molemmista päistä. Jos kaapelin pituus on alle 30 50 m, sen suojaukseen riittää suojien asettaminen vain kaapelin loppupäähän. Mikäli kaapeliverkko puolestaan sijaitsee syöttävän verkon lopussa ja sen pituus on vähintään 1-2 km, kaapeliverkon loppupäätä ei periaatteessa tarvitsisi suojata, koska kaapelin ajatellaan suojaavan itse itsensä. Jos kaapeliverkon loppupäähän ei ole mahdollista sijoittaa venttiilisuojia, voidaan kaapelia edeltävä avojohto varustaa ukkosjohtimin kaksi kertaa kaapelin pituiselta matkalta. Toinen vaihtoehto on sijoittaa venttiilisuojat esimerkiksi kaapeliverkkoa edeltävälle pylväälle. [1] Kaapeliverkon keskellä olevien muuntajien suojauksesta on käyty keskustelua. Yleisesti on ajateltu, että kaapeliverkko suojaa itse itseään eikä muuntajia tarvitsisi suojata. Tällöin riittää, että pitemmillä kaapeleilla suojat sijoitetaan kaapelin alkuun kaapelipäätteeseen. Lyhyillä kaapeleilla suojat sijoitetaan muuntajan lähelle mahdollisimman lyhyin liitäntäjohtimin. Kaapeliverkossa tapahtuvien heijastumisien takia saattaa verkon sisällä olevien muuntajien jännitteet nousta niiden jännitekestotason yläpuolelle. Tällainen tilanne on mahdollista etenkin, jos ylijännitetilanteen aiheuttava salamanisku sattuu lähellä kaapelin alkua. [1, 7] 3.9.PAS-johdon ylijännitesuojaus PAS-johto on keskijänniteverkoissa käytettävä muovipäällysteinen ja metallivaipaton ilmajohto. Muovipäällysteen tarkoituksena estää vaihejohtimien hetkellisistä yhteen lyönneistä tai puiden oksien johdoille osumisista aiheutuvat käyttökeskeytykset. Tilastojen mukaan PAS-johdon käyttö laskeekin vikataajuutta huomattavasti: päällystämättömillä avojohdoilla keskimääräinen vikataajuus vuodessa on 4,5 vikaa/100 km, kun taas PAS-johdolla se on 0,9 vikaa/100 km. PAS-johtojen etuna on myös 40 % kapeampi johtokatu kuin päällystämättömillä avojohdoilla. [5] PAS-johdon suojauksen toteuttamisessa on huomioitava eräät lisävaatimukset verrattuna perinteisen avojohdon suojaukseen: PAS-johdoille on asennettava valokaarisuojaus ylijännitteelle alttiisiin osiin ja syöttävällä sähköasemalla on oltava laukaiseva maasulkusuoja ja hälyttävä varasuoja. Valokaarisuojauksen tarpeellisuus tulee ilmi ylijännitteen purkautumistavasta. Kun joko suora tai indusoitunut salamanisku aiheuttaa johdolle ylijännitteen, se purkautuu lähimmällä orrella sytyttäen valokaaren orren ja johtimen väliin. Normaalilla avojohdolla valokaari pääsee vapaasti
27 etenemään, mutta PAS-johdolla muovipäällyste estää valokaaren etenemisen. Valokaari tekee syttyessään pienen reiän muovieristeeseen ja jää palamaan paikalleen, kunnes johdin palaa poikki tai vaurioituu. Sopiviin kohtiin asennettavat valokaarisuojat tarjoavat valokaarelle purkautumistien johdinta vahingoittamatta. [5] 3.9.1 PAS-johdon ylijännitesuojauksen toteutus Valokaarisuojia tulisi sijoittaa paikkoihin, joissa ylijännitteiden esiintymisen todennäköisyys on suuri. Tällaisia paikkoja ovat mm. pellot ja korkeat maastonkohdat. Suojausta tulisi myös sijoittaa paikkoihin, joissa liikkuu paljon ihmisiä, kuten rakennusten ympäristöt ja liikenneväylät. [5] PAS-johdon valokaarisuojaus voidaan toteuttaa kipinäsarvilla, kipinäväleillä, venttiilisuojilla tai virtaa rajoittavilla suojilla. Suojauksen valinta riippuu verkon oikosulkuvirran arvosta suojauskohteessa. Suojausta valittaessa on hyvä huomioida myös suojien toiminnan vaikutukset verkossa. Esimerkiksi kipinäsarvet ja kipinävälit aiheuttavat toimiessaan aina jälleenkytkennän, mikä heikentää sähkönlaatua. [5] Valokaarisuojauksen tarkoituksena on ohjata syntyvä valokaari mahdollisimman kauaksi johdosta ja eristimestä. Kuvassa 3.7 esitetään valokaarisuojauksen toimintaa kipinäsarvilla toteutetussa suojauksessa. Kuva 3.7. PAS-johdon valokaarisuojaus kipinäsarvilla.[5]
28 Kuvasta 3.7 nähdään valokaarisuojauksen toimintaperiaate kipinäsarvilla toteutetussa suojauksessa: 1. Ylijännitteen aiheuttama valokaari syttyy eristimen yli 2. Valokaari siirtyy eristimen kaulalle ja johdolle kierretyn alumiinilangan avulla kipinäsarveen 3. Palaessaan kipinäsarven päässä valokaari ionisoi ilman johtavaksi 4. Vaiheiden välillä tapahtuu oikosulku. Oikosulkuvirta saa sähköaseman suojauksen toimimaan ja vika poistuu jälleenkytkennällä. Valokaarisuojauksen toteutukseen vaikuttaa pylväs- ja eristin rakenteet. Kipinäsarvilla toteutettu suojaus on suositeltava tapa tappi- ja tukieristimillä. Haaroituksissa ja vetoeristimillä kipinävälit ovat suositeltava suojaustapa. [5] Verkon rakenne vaikuttaa kipinäsarvien sijoittamiseen pylväille. Säteittäisessä verkossa riittää, että kipinäsarvet asennetaan kuorman puolelle. Rengasverkossa, jossa sähkön syöttösuunta voi vaihtua, suojat sijoitetaan molemmille puolille eristintä. Tämä siksi, koska valokaaren johtimen puoleinen pää pyrkii siirtymään sähkön syöttösuuntaan. Kipinävälin asentamisessa sähkön syöttösuuntaa ei tarvitse huomioida. [5] Kipinäsarvet ja kipinävälit aiheuttavat toimiessaan aina jälleenkytkennän ja häiriöitä sähkönjakeluun. Venttiilisuojien käyttö olisi yksi vaihtoehto sähkön laadun ja toimitusvarmuuden parantamiseen. Venttiilisuojat vähentävät jälleenkytkentöjä ja jännitekuoppia, mutta niiden hinta muihin suojausratkaisuihin verrattuna on suhteellisen korkea. PAS-johdon suojauksessa tarvitaan lisäksi paljon valokaarisuojia ja niiden korvaaminen venttiilisuojilla ei ole taloudellisesti kannattavaa. [5] Yhtenä vaihtoehtona venttiilisuojien asemesta voisi olla virtaa rajoittavien suojien käyttö. Virtaa rajoittavissa suojissa vastuselementin koko on pienempi kuin MOsuojassa, joten sen hinta on myös hieman alhaisempi. Virtaa rajoittavat suojat vähentävät jännitekuoppia kuten MO-suojat ja lisäksi niillä päästään hyvään sähkönjakelun luotettavuuteen. [5]
29 4. JÄLLEENKYTKENNÄT JA JÄNNITEKUOPAT Ilmastolliset ylijännitteet aiheuttavat häiriöitä keskijänniteverkkojen sähkön laatuun ja toimitusvarmuuteen. Tärkeimpinä niistä voidaan pitää jälleenkytkentöjä ja jännitekuoppia. Tässä luvussa käydään läpi ilmastollisten ylijännitteiden aiheuttamat jälleenkytkennät ja jännitekuopat keskijänniteverkossa. Jälleenkytkennöistä käsitellään niiden aiheuttajia ja hyväksyttäviä pikajälleenkytkentämääriä. Lisäksi tarkastellaan keskeytyksistä ja jännitekuopista aiheutuvia haittoja asiakkaille ja niiden korvaamisia. 4.1. Jälleenkytkennät Jälleenkytkennät ovat toimenpiteitä, joiden avulla voidaan poistaa suurin osa verkossa ilmenevistä, esimerkiksi kipinävälin valokaaritoiminnosta aiheutuvista maasuluista. Jälleenkytkennät toteutetaan suojareleillä, joihin automatisoidut toiminta-ajat on esitetty kuvassa 4.1: Kuva 4.1. Suojareleen toteuttamat verkon jännitteiset ja jännitteettömät ajat.[9] Aika t 1 kuluu vian alkuhetkestä jännitteen katkaisuun. Se sisältää releen aikahidastuksen sekä katkaisijan toimintaan kuluvan ajan. Aika t 2 tarkoittaa jännitteetöntä aikaa ennen katkaisijan sulkeutumista. Sen pituus on yleensä 0,2-0,5 s. Pikajälleenkytkennän jännitteettömän ajan jälkeen katkaisija sulkeutuu ja jännite kytkeytyy uudelleen verkkoon ajaksi t 3. Mikäli vika on vieläkin verkossa tapahtuu aikajälleenkytkentä, jonka jännitteetön aika t 4 kestää yleensä 0,5-3 min. Katkaisijan jälleen sulkeuduttua seuraa jännitteinen aika t 5 ja jos vika on edelleen verkossa, seuraa korjaustoimenpiteitä aiheuttava pitempiaikainen keskeytys sähkönjakeluun.
30 Vuonna 2008 PJK-toiminto selvitti 58 % kaikista vioista ja AJK-toiminto 23 %. Pitkiksi keskeytyksiksi jäi 19 % vioista. [10] 4.1.1 Jälleenkytkentöjen aiheuttajat Jälleenkytkentöjen selvittämistä vioista ei yleensä jää pysyviä jälkiä verkkoon. Sen vuoksi jälleenkytkennän tarkkaa aiheuttaa on vaikea selvittää jälkikäteen. Aiheuttajia on kuitenkin useita ja ne voidaan luokitella seuraavasti [9]: ilmastolliset tekijät: ukkonen, tuuli, myrsky, lumi ja jää ulkopuoliset tekijät: eläimet, puut, työkoneet ja ilkivalta rakenneviat: valmistus- tai asennusvika, ikääntyminen ja korroosio verkon käyttötoimenpiteet: vianetsintä, käyttö- tai huoltovirhe Kuvassa 4.2 on esitettynä suuntaa-antava tilasto pikajälleenkytkentöjen aiheuttajista. Tilaston perusteella merkittävimmät PJK-toimintoja aiheuttavat tekijät ovat ukkonen, tuuli ja myrsky, lumi ja jää sekä eläimet. Kuva 4.2. Pikajälleenkytkentöjen aiheuttajat. [12] Kuvassa 4.2 esitettyjen PJK-toimintojen aiheuttajat on päätelty tehtyjen havaintojen ja vallitsevan säätilan perusteella. Eri aiheuttajien osuuksissa PJK-toimintoihin voi kuitenkin esiintyä vuosittaista vaihtelua. Esimerkiksi ukkosen ja eläinten aiheuttamissa PJK-toiminnoissa voi olla merkittävää vaihtelua vuosittain. Myös tuulten ja myrskyjen sekä lumen ja jään aiheuttamien vikojen määrä vaihtelee. Kuvan 4.2 tilastossa PJKtoiminto on merkitty eläimen aiheuttamaksi, mikäli verkossa on ollut nähtävissä merkkejä eläimen liikkeestä eikä PJK:lle ole ollut muuta todennäköistä selitystä. Jossain tapauksissa vika merkitään tuntemattomaksi ja tilastoidaan yksittäisenä tapauksena kohdassa muut. Tyynen tai kirkkaan sään vallitessa, erityisesti kesäkuukausina, eläimet ovat todennäköisin PJK-toimintojen aiheuttaja. Eläinten aiheuttamat viat ovat