VERKOSTOSUOSITUS SA 5: 94 KESKIJÄNNITEVERKON SÄHKÖINEN MITOITTAMINEN korvaa verkostosuosituksen SA 5:84
Julkaisija Sähköenergialiitto ry SENER puh. (9) 53 52, faksi (9) 535 21 PL 1, 11 HELSINKI Mannerheimintie 76 A, 25 HELSINKI Myynti Adato Energia Oy puh. (9) 535 27, faksi (9) 535 28 PL 1427, 11 HELSINKI Mannerheimintie 76 A, 25 Helsinki
SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO....................................................... 3 2. KESKIJÄNNITEJOHDON MITOITTAMISEN LÄHTÖKOHDAT................. 3 3. MITOITUSTEHON MÄÄRITTÄMINEN.................................. 4 4. KESKIJÄNNITEJOHDON KUORMITETTAVUUS........................... 6 4.1 Kuonnitettavuus............................................ 6 4.2 Hätäkuonnitettavuus......................................... 7 5. JÄNNITTEENALENEMA JA TEHOHÄVIÖT.............................. 8 5.1 Jännitteenalenema.......................................... 8 5.1.1 Kompensointikondensaattorien käyttö jännitetason nostamisessa...... 9 5.1.2 Varausvirrat.......................................... 11 5.2 Tehohäviöt............................................... 12 6. OIKOSULKUSUOJAUS.............................................. 14 6.1 Oikosulkuvirtojen laskeminen.................................. 14 6.2 Laskenta-arvojen valinta...................................... 15 6.2.1 Syöttävä verkko....................................... 15 6.2.2 Syöttömuuntajat....................................... 16 6.2.3 Keskijännitejohdot...................................... 16 6.3 11/2 kv muuntajien napaoikosulkuvirrat......................... 16 6.4 Johtojen oikosulkulujuus...................................... 17 6.4.1 Avojohdot........................................... 17 6.4.2 Maakaapelit.......................................... 17 6.5 Pika- ja aikajälleenkytkennän huomioonottaminen.................... 18 6.6 Oikosulkuvirtojen ja niiden vaikutusten pienentämiseksi tehtäviä toimenpiteitä.............................................. 2 6.6.1 Syöttömuuntajan teho ja oikosulkuimpedanssi................... 2 6.6.2 Lisäimpedanssit........................................ 2 6.6.3 Suojaus............................................. 2 6.6.4 Verkon vahvistaminen ja rakenne........................... 21 Sivu 1(72)
6. 7 Liitekäyrästöt.............................................. 21 7. MAASULKUVIRRAN LASKEMINEN JA SALLITUT MAADOITUSJÄNNITTEET..................................... 22 7.1 Maasulkuvirrat maasta erotetusta verkossa.......................... 22 7.2 Maasulkuvirrat sammutetussa verkossa............................ 23 7.2.1 Maasulkuvirrat hajautetusti kompensoidussa verkossa............. 23 7.3 Maadoitusjännite........................................... 25 7.4 Maasulkusuojaus........................................... 26 8. ESIMERKKEJÄ................................................... 27 VIITTEET......................................................... 35 LIITE 1.1 LIITE 1.2 LIITE 1.3 LIITE 2.1 LIITE 2.2 LIITE 2.3 LIITE 2.4 LIITE 3.1 LIITE 3.2 LIITE 3.3 LIITE 3.4 LIITE 4.1 LIITE 4.2 LIITE 4.3 LIITE 5 LIITE 6 LIITE 7 LIITE 8 1 kv ja 2 kv ilmajohtojen johtotietoja 2 kv kaapelien johtotietoja 1 kv kaapelien johtotietoja KJ-johtojen jännitteenalenemakertoimia, 2 kv ilmajohdot KJ-johtojen jännitteenalenemakertoimia, 1 kv avojohdot KJ-johtojen jännitteenalenemakertoimia, 2 kv kaapelit KJ-johtojen jännitteenalenemakertoimia, 1 kv kaapelit KJ-johtojen häviötehokertoimia, 2 kv ilmajohdot KJ-johtojen häviötehokertoimia, 1 kv avojohdot KJ-johtojen häviötehokertoimia, 2 kv kaapelit KJ-johtojen häviötehokertoimia, 1 kv kaapelit 11/2 kv ja 11/1 kv muuntajien tyypillisiä arvoja Syöttävän 11 kv verkon ja 11/2 kv muuntajan yhteenlaskettu oikosulkuresistanssi ja -reaktanssi 11 kv verkon oikosulkuvirran funktiona Syöttävän 11 kv verkon ja 11/1 kv muuntajan yhteenlaskettu oikosulkuresistanssi ja -reaktanssi 11 kv verkon oikosulkuvirran funktiona 11/2 kv muuntajan alajännitepuolen napaoikosulkuvirta Nomogrammi oikosulkuvirran ekvivalenttisen vaikutusajan laskemiseksi Oikosulkuvirran vaimeneminen 2 kv johdolla Eri kuluttajaryhmien osallistumiskertoimet Sivu 2(72)
1. JOHDANTO Tämä suositus kuuluu jakeluverkoston mitoitussuositusten sarjaan. Suosituksen tarkoituksena on esittää kootusti keskijänniteverkon sähköisessä mitoituksessa käytettävät lähtö- ja ohjearvot sekä menetelmät eri suureiden laskemiseksi. Keskijänniteverkolla tarkoitetaan tässä yhteydessä sähköaseman ja jakelumuuntamoiden välisiä 2 kv tai 1 kv:n johtoja. Soveltuvin osin tätä suositusta voidaan kuitenkin käyttää myös harvinaisempien jännitetasojen laskennassa (esim. 6 kv ja 3 kv). Sähköasemien kiskostojen, päämuuntajien jne. mitoitukseen ei tässä yhteydessä oteta kantaa, sillä niiden katsotaan muodostavan oman kokonaisuutensa. Keskijänniteverkon mitoituksessa on tärkeää muistaa myös taloudellisuus ja käyttövarmuus sekä maisemallisten tekijöiden vaikutukset. Aineiston laajuuden vuoksi näistä on tehty oma suosituksensa. Yleisimpien johtolajien sähköisistä arvoista on suosituksen liitteiksi koottu taulukoita. Suosituksen lopussa on esitetty myös eräitä sovellutuksia ja käyttöesimerkkejä. 2. KESKIJÄNNITEJOHDON MITOITTAMISEN LÄHTÖKOHDAT Keskijännitejohdon (kj-johdon) mitoittamisessa huomioon otettavia seikkoja ovat mm.: jännitteenalenema kuormitettavuus käyttövarmuus oikosulkukestoisuus sähköturvallisuusmääräykset taloudellisuus Tässä suosituksessa pyritään antamaan yhtenäiset laskentaperusteet ja -menetelmät kj-johtojen sähköisten arvojen laskemiseksi. Taloudellista mitoitusta, joka usein on määräävä peruste, käsitellään toisessa verkostosuosituksessa. Sivu 3(72)
3. MITOITUSTEHON MÄÄRITTÄMINEN Johdonmitoituksen perustana on huipputeho ja sen arvioitu kehittyminen. Yleensä käytettävissä on mitatut kulutustiedot tai alueen ennustettu energian tarve. Erityisesti käsin laskennassa energiatiedot voidaan muuttaa tehoennusteiksi soveltamalla Velanderin yhtälöä (1) kuluttajaryhmittäin kokemusperäisiä tai mitattuja kertoimia käyttäen ja summaamalla kuluttajaryhmätehot yhtälön (2) mukaisesti. Tietokoneella tehtävässä verkonsuunnittelussa käytetään myös kuormituskäyriin perustuvia laskentamenetelmiä. (1) (2) missä i = P = Pi = W = k 1 = k 2 = a = indeksi, joka viittaa kuluttajaryhmiin huipputeho (MW) ryhmän i huipputeho (MW) vuosienergia (GWh) kerroin kerroin osallistumiskerroin, joka ilmaisee, kuinka suuri osa kuluttajaryhmän suurimmasta tehosta on käytössä tarkasteltavana hetkenä. Seuraavassa on esitetty Sähkölaitosyhdistyksen kuormitustutkimuksen mittaustuloksista laskettuja Velanderin kertoimia muutamalle kuluttajaryhmälle. Kertoimet on määritetty talvihuipun laskemiseen. Niiden kuluttajaryhmien osalta, joilla kuormitushuippu on muulloin, on tarkastelu tehtävä muilla menetelmillä. Sivu 4(72)
Taulukko 1. Velanderin kertoimet talvihuipun etsimiseen. Kuluttajaryhmä k1 k2 Kotitaloudet yhdistetty,3, Yhdistetty sähkölämmitys ja,27,2 asuminen Maatalous,23,4 Maatalous, viljantuotanto,2,8 Palvelu, yhdistetty,2,4 Teollisuus, 1-vuoro,34,1 Teollisuus, 2-vuoro,17,11 Vapaa-ajan asunnot,17,3 Osallistumiskertoimien acarvojen määräämiseksi tulisi laitoskohtaisesti mitata eri kuluttajaryhmien kuonnituskäyrät. Alla on esitetty SLY:n kuonnitustutkimuksesta saatuja osallistumiskertoimia talven huippukuonnituskaudelle. Liitteessä 8 on esitetty koko vuorokauden osallistumiskertoimet. Taulukko 2. Eri kuluttajaryhmien osallistumiskertoimia talven huippukuonnituskaudella kuonnitustutkimuksen mukaan. Osallistumiskerroin Kuluttajaryhmä Kellon aika 8-9 9-1 15-16 16-17 17-18 21-22 22-23 Kotitaloudet yhdistetty,55,5,6,8,95,75,55 Yhdistetty sähkölämmitys,5,5,55,55,6,75 1, ja asuminen Maatalous,95,7,55,75 1,,5,4 Maatalous, viljanviljely,95 1,,85,8,8,85,95 Palvelu yhdistetty,9 1,,9,8,8,5,45 Teollisuus, 1-vuoro,95 1,,8,45,35,2,2 Teollisuus, 2-vuoro,95 1,,8,7,65,45,4 Vapaa-ajan asunnot,95,95,9,95,95,95,9 Esimerkissä 1 on esitetty tehon määrääminen yo. menetelmällä. Sivu 5(72)
4. KESKIJÄNNITEJOHDON KUORMITETTAVUUS 4.1 Kuormitettavuus Sähköturvallisuusmääräysten (StM) mukaan johdon poikkipinta on mitoitettava kuormitusta vastaavaksi. Vahvavirtailmajohtomääräyksissä (VIM) on annettu ilmajohtojen suurimmat sallitut käyttölämpötilat, joiden perusteella on määritetty johtojen sallitut kuonnitettavuudet. Tavallisimpien kj-ilmajohtimien kuormitettavuudet on esitetty liitteessä 1.1. Kaapeleiden kuonnitettavuus perustuu suurimpaan sallittuun käyttölämpötilaan, joka määritellään johtimen eristyksen mukaan (StM:n taulukko 25.2-1). Liitteissä 1.2 ja 1.3 on esitetty tavallisimpien keskijännitekaapelien sallitut jatkuvat kuonnitusvirrat. Kaapeleiden lämpeneminen riippuu kuormitusvirran lisäksi asennusolosuhteista ja kuonnituksen vaihtelusta. Kaapelille sallittu kuonnitusvirta on määritettävä reitin jäähdytysolosuhteiden kannalta epäedullisimman osuuden mukaan. Kaapeleiden asennustavan mukaiset kuormituskertoimet on esitetty StM:n taulukoissa 25.2-9 - 25.2-18. Sähkölaitosten kaapeleita mitoitettaessa saattavat StM:n taulukoiden kertoimet johtaa huomattavaan ylimitoitukseen, koska vierekkäiset kaapelit ovat harvoin täydessä kuormassa ja kaapelien kuormitushuiput sattuvat vielä harvemmin samaan aikaan. Kaapeleita mitoitettaessa voidaan yleensä olettaa, että vierekkäisistä kaapeleista korkeintaan kaksi on samanaikaisesti täyteen kuormitettuja. Lisäksi maahan asennettujen kaapeleiden kuonnitettavuutta lisää kuormitusvirran vuorokausivaihtelu. Ruotsalaisessa standardissa SS 424 14 24 on esitetty vaihtelevasta kuonnituksesta aiheutuvat korjauskertoimet. Tyypillisellä keskijännitejohdolla nämä korjauskertoimet ovat noin 1,1-1,15 verrattaessa jatkuvaan kuormitettavuuteen. StM sallii kaapelien kuormitettavuutta määriteltäessä asennusolosuhteiden ja kuonnituksen jaksollisuuden huomioonottamisen. Sivu 6(72)
4.2 Hätäkuormitettavuus Ilmajohdoille ei ole määritelty hätäkuormitettavuuksia. Poikkeuksellisia tilanteita varten voidaan palonkestävästi asennetulle kaapelille määritellä hätäkuormitettavuus, jolloin kaapelin normaalissa käytössä sallittu lämpötila ylitetään. Tämä johtaa kaapelin eristysten normaalia nopeampaan vanhenemiseen, minkä vuoksi hätäkuormituksen kesto ja määrä on syytä rajoittaa niin pieneksi kuin mahdollista. Eräinä raja-arvoina voidaan pitää: korkeintaan 5 h kerrallaan 5 h koko pitoaikana Hätäkuormitettavuudelle voidaan laskea kertoimet ottaen huomioon johdin-, ympäristöja hätäkäyttölämpötilat sekä vaihtovirtaresistanssit. Muun muassa ruotsalaisessa standardissa SS 424 14 24 on käsitelty hätäkuormitettavuutta. Kaapeleiden hätäkuormitettavuutta ei ole syytä ylittää, sillä sen ylittäminen voi aiheuttaa kaapelin tuhoutumisen varsin lyhyessä ajassa. Lisäksi riski maan kuivumiselle on erityisen suuri, kun kaapelia hätäkuormitetaan. Taulukko 3. Kaapelien hätäkuormituskertoimet (hätäkuormitettavuuden suhde kaapelin normaaliin maksimikuormitettavuuteen) Kaapelityyppi Johtimen maksi- Hätäkuormitettavuuskerroin milämpötila hätäkuormituk- Kaapeli ilmassa Kaapeli maassa sella ( C) +25 C +15 C 12-24 kv paperieristeinen 95 1,26 1,2 1-24 kv PEX-eristeinen 13 1,2 1,3 Sivu 7(72)
5. JÄNNITIEENALENEMA JA TEHOHÄVIÖT 5.1 Jännitteenalenema Johdon sallittu jännitteenalenema riippuu käyttötilanteesta ja jännitteensäätömahdollisuudesta. Mitoituksen kannalta kj-johdon jännitteenalenema saattaa muodostua oleelliseksi seikaksi erityisesti maaseudun haja-asutusalueella. Taulukossa 4 jännitteenalenema on jaettu eri verkonosille. Jännitteenalenemaa on aina tarkasteltava kokonaisuutena. Kokonaisalenema tarkistetaan sähköasemalta kuluttajalle saakka. Sähkölaitoksen verkon jännitteen on kuluttajan liittämiskohdassa oltava kuitenkin vähintään 27 V. Keskijänniteverkon jännitteenalenema voi olla jopa yli 1 %, jos pienjänniteverkon jännitteenalenema on pieni. Tällöin on kuitenkin tarpeen tarkistaa jännitteen säätötarve erilaisissa kuormitustilanteissa. Taulukko 4. Suositellut jännitealueet ja jännitteenalenemat. Osaverkko Jännitteen vaihtelualue Minimi Maksimi Jännitteenalenema Keskijänniteverkko alku pää 2 kv 21 kv loppu pää 19 kv 21 kv Muuntamo 1 > 22V 244V Pienjänniterunkoverkko 21 V 244V Liittymisjohto 2 > 27V 244V Sähkönkäyttäjän sähköasennukset 198 V 244 V 3-7 % 2-4 % 3-7 % 1-5 % 1-4 % 1) 2) Jännitetasoa voidaan säätää, jos käytettävissä on väliottokytkin. Liittymisjohto kuluttajan liittämiskohtaan saakka Sivu 8(72)
Kj-johdon jännitteenalenema voidaan laskea seuraavalla yhtälöllä. U = 1 P l r + x tarnp h uz (3) missä uh = jännitteenalenema (%) P = l = r = x = U johdon kautta siirrettävä teho (MW) johdon pituus (km) johtimen resistanssi (Q/km) johtimen reaktanssi (Q/km) laskentajännite (kv) <p = vaihekulma Liitteeseen 2 on laskettu eräiden kj-johtojen jännitteenalenemakertoimia laskentajännitteillä 2 kv ja 1 kv. Kertoimien avulla voidaan johdon jännitteenalenema saada seuraavasti: U = K h Uh P l (4) missä Kuh = uh = p l = johdon jännitteenalenemakerroin (%/MW,km) jännitteenalenema (%) johdon kautta siirrettävä teho (MW) johdon pituus (km) 5.1.1 Kompensointikondensaattorien käyttö jännitetason nostamisessa Sähkölaitoksen keskijänniteverkossa kompensointikondensaattoreita voidaan käyttää jännitetason nostamiseen. Kysymykseen tulee tällöin kompensointi joko sarja- tai rinnakkaiskondensaattoreilla. Loistehon kompensoimiseksi sähkönkäyttäjillä on kompensointikondensaattoreita, jotka ovat joko laitekohtaisia, säädettyjä tai kiinteitä. Kiinteitä kondensaattoreita ei kuitenkaan tulisi käyttää, sillä kevyen kuorman aikana etenkin taajama-alueidenjakeluverkossa saattaa tulla vaikeuksia ylikompensoinnin kanssa. Tämä johtuu kaapeleiden tuottamasta suurehkosta varausvirrasta. Sivu 9(72)
Sarjakompensointi pienentää johtoyhteyden impedanssia. Sarjakondensaattori kompensoi sen jälkeisen johto-osan reaktiivisen loisvirran aiheuttamaa jännitteenalenemaa. Samalla johdon siirtokyky paranee ja jännitteen vaihtelut pienenevät. Sarjakompensointia käytetään yleensä pitkien siirtoyhteyksien reaktansseissa syntyvien jännitteenaleneman kompensoumseen. Rinnakkaiskompensointi kompensoi sekä johdon että kuorman aiheuttamaa loistehoa, jolloin johdon loisvirta pienenee. Koska loisvirta pienenee, jännitteenalenema pienenee myös kondensaattoria edeltävässä verkossa. Tämän vuoksi rinnakkaiskondensaattorit eivät ole alttiita johdon oikosulkuvirroille, kuten on laita sarjakondensaattoreilla. R jx 11 l 7777777777777////7// 777777/77/777777777777777/7777 Kuva 1. Johdon rinnakkais- ja sarjakompensointi Sähköasemalle sijoitetut kondensaattoriparistot on tarkoitettu yleensä ainoastaan vähentämään tukkutariffin loistehomaksua. Kun rinnakkaiskondensaattorit sijoitetaan keskijänniteverkkoon ilmajohtojen varsille, parannetaan lisäksi johdon siirtokykyä, vähennetään jännitteenalenemaa ja pienennetään häviöitä. Lisäksi kondensaattorien avulla voidaan usein siirtää verkon vahvistustoimenpiteitä. Tämä seikka tulee entistä tärkeämmäksi, kun sähkökulutuksen kasvu on hidasta. Kaapeliverkkoon kondensaattoreita ei yleensä kannata sijoittaa. a) b) Kuva 2. Rinnakkais- ja sarjakompensoidun johdon osoitindiagrammit. a) rinnakkaiskompensoitu johto b) sarjakompensoitu johto Sivu 1(72)
Kompensoinnin vaikutusta johdon jännitteenalenemaan voidaan tarkastella jännitteenaleneman likiarvoyhtälön mukaan. Jos johdon alkupään jännite oletetaan vakioksi, kondensaattorin aiheuttamaksi jännitteen muutokseksi kuonnituskohdassa saadaan: rinnakkaiskondensaattorilla (5) sarjakondensaattorilla (6) missä fl.u = V Ic = X = Qc = uv = UN= Iq = XC= c = vaihejännitteen muutos (V) rinnakkaiskondensaattorin loisvirta (A) taustaverkon reaktanssi (Q) kondensaattorin nimellisnäennäisteho (kvar) verkon vaihejännite (kv) vaiheen ja maan välille kytkettävän kondensaattoriyksikön nimellisjännite (kv) johdon loisvirta (A) sarjakondensaattorin reaktanssi (Q) kondensaattorin kapasitanssi (F) 5.1.2 Varausvirrat Kaapeliverkkojen jännitteenalenemalaskelmissa on joissakin tapauksissa syytä ottaa huomioon myös varausvirtojen vaikutus. Etenkin pitkillä vesistökaapeliyhteyksillä niillä saattaa olla hyvinkin suuri merkitys. Varausvirran suuruus voidaan laskea yhtälöstä: missä Iv = U = varausvirta (A) verkon laskentajännite (V) C = yhden vaiheen maakapasitanssi (F) ffi = 2nf f verkon taajuus (5 Hz) (7) Sivu 11(72)
Kohdassa 5.1 ei ole otettu huomioon varausvirran Iv jännitettä nostavaa vaikutusta. Tämä voidaan tarkemmissa laskelmissa ottaa huomioon seuraavan yhtälön mukaisesti: jj.u = I x l h V (8) missä fj.uh = Iv x l jännitteennousu (V) varausvirta (A) kaapelin reaktanssi (Q/km) kaapelin pituus (km) Hyvin pitkät kaapelijohdot on luonnollisesti laskettava vielä yllä esitettyä tarkemmin yleisen johtoteorian perusteella. Viitteessä /1/ on esitetty varausvirran laskeminen sähkötekniikan perusteiden avulla. Kaapeleiden tuottamat varausvirrat 1v saadaan liitteistä 1.2 ja 1.3. 5.2 Tehohäviöt Useimmissa tapauksissa riittävä tarkkuus saavutetaan laskemalla vain pätötehohäviöt: 2 r l pmax 1 --- U2. cos 2 <p (9) missä ph = r = u = cp pmax = l = häviöteho (W) johtimen resistanssi (Q/km) laskentajännite (V) vaihe kulma johdon maksimiteho (W) johdon pituus (km) Sivu 12(72)
Tehohäviökertoimet on esitetty liitteessä 3. Kertoimen avulla saadaan johdon pätötehohäviöt seuraavasti: (1) missä P h KPh = P max = häviöteho (kw) häviötehokerroin (kw/mw 2,km) johdon maksimiteho (MW) l = johdon pituus (km) Sivu 13(72)
6. OIKOSULKUSUOJAUS 6.1 Oikosulkuvirtojen laskeminen Kun tarkastellaan oikosulkuja kaukana generaattoreista, alkuoikosulkuvirta ja jatkuvan tilan oikosulkuvirta voidaan olettaa yhtä suuriksi (lk = lk). Näin ollen kolmivaiheisen oikosulkuvirran suuruus jossain keskijänniteverkon kohdassa voidaan laskea yhtälöstä (11). u lk = ------------------ /3 V(Rk + RM + l ri) 2 + (Xk + XM + Z x) 2 (11) missä Ik = kolmivaiheinen oikosulkuvirta (ka) U laskentajännite (kv) Rk = syöttävän 11 kv verkon oikosulkuresistanssi 2 kv/1 kv portaassa (Q) Xk syöttävän 11 kv verkon oikosulkureaktanssi 2 kv/1 kv portaassa (Q) RM = syöttömuuntajan resistanssi (Q ) XM = syöttömuuntajan reaktanssi (Q) l keskijännitejohdon pituus syöttöasemalta oikosulkukohtaan (km) r 1 = keskijännitejohdon resistanssi/pituus (Q/km) x 1 = keskijännitejohdon reaktanssi/pituus (Q/km) Usein sanotaan, että oikosulkupiirin impedanssi on pääasiassa induktiivista reaktanssia, joten laskut voidaan suorittaa reaktansseilla. Tämä pitää kuitenkin huonosti paikkansa, kun tarkastellaan keskijänniteverkon oikosulkuvirtoja. Resistanssien jättäminen laskuissa huomioon ottamatta johtaa tarpeettoman suureen systemaattiseen virheeseen ja sitä kautta epätarkoituksenmukaiseen ylimitoitukseen. Käämikytkimen asennon vaikutus voidaan jättää laskuissa ottamatta huomioon, sillä sen merkitys on verraten pieni. Määräysten mukaan varmennetuksi rakennettavalla johto-osalla lasketaan suurin eli kolmivaiheinen oikosulkuvirta. Nykyään yhä harvemmin käytettävällä varmentamattomalla johdolla voidaan lähtökohtana pitää kaksivaiheisen oikosulkuvirran arvoa. Kaksivaiheisen oikosulkuvirran arvo saadaan kertomalla yhtälöstä (11) saatu kolmivaiheisen oikosulkuvirran arvo luvulla f3 /2 ::::,866. Sivu 14(72)
Yhtälössä (11) ei ole otettu huomioon oikosulun tasavirtakomponenttia, jonka merkitys saattaa olla merkittävä lähellä sähköasemaa. Käytännön laskelmiin yhtälö on kuitenkin yleensä riittävä. 6.2 Laskenta-arvojen valinta Perustehtävä käytännön laskelmissa on luonnollisesti yhtälössä (11) esiintyvien resistanssi- ja reaktanssiarvojen määrittäminen. 6.2.1 Syöttävä verkko Tässä ohjeessa käsitellään syöttävistä verkoista vain 11 kv verkkoa. Kantaverkon oikosulkuvirran suuruudet saadaan yleensä verkon haltijalta. Alla on esitetty, miten annetusta oikosulkuvirran suuruudesta ja vaihekulmasta päästään syöttävän verkon impedanssiin, reaktanssiin ja resistanssiin. (12) (13) (14) missä Zk syöttävän verkon oikosulkuimpedanssi keskijänniteverkon puolelle redusoituna (Q) U syöttävän verkon laskentajännite (kv) Ik syöttävän verkon oikosulkuvirta (ka) U Nl = päämuuntajan yläjännitepuolen nimellisjännite (kv) UN2 = päämuuntajan alajännitepuolen nimellisjännite (kv) Xk = syöttävän verkon oikosulkureaktanssi keskijänniteverkon puolelle redusoituna (Q) Rk syöttävän verkon oikosulkuresistanssi keskijänniteverkon puolelle redusoituna (Q) cpk syöttävän verkon oikosulkuvirran vaihekulma Jos verkkoon liittyy syöttäviä voimalaitoksia, ne on otettava huomioon. Sivu 15(72)
6.2.2 Syöttömuuntajat Jos kysymys on tavanomaisista 11/2 kv tai 11/1 kv muuntajista, voidaan hyvällä tarkkuudella käyttää liitteessä 4.1 esitettyjä resistanssi- ja reaktanssiarvoja. Laskentatyön helpottamiseksi on 11 kv verkon ja tavanomaisten 11/2 kv ja 11/1 kv muuntajien oikosulkuresistanssit ja -reaktanssit laskettu valmiiksi yhteen 2 kv ja 1 kv portaissa 11 kv verkon oikosulkuvirran funktiona. Tulokset on esitetty liitteissä 4.2 ja 4.3. 6.2.3 Keskijännitejohdot Oikosulkulaskuissa käytettäväksi soveltuvia resistanssi- ja reaktanssiarvoja on esitetty liitteessä 1. Erityisesti on syytä huomata, että liitteen + 4 C resistanssiarvot on tarkoitettu ainoastaan oikosulkulaskentaan. 6.3 11/2 kv muuntajien napaoikosulkuvirrat Liitteiden 4.2 ja 4.3 resistanssi- ja reaktanssiarvoja käyttäen saadaan lasketuksi yhtälöstä (11) 11/2 kv ja 11/1 kv muuntajien alajännitepuolen napaoikosulkuvirrat 11 kv oikosulkuvirran funktiona. 11/2 kv muuntajien tulokset on esitetty kuvassa 3. Liitteessä 5 kuva on esitetty suurempana sekä myös taulukkomuodossa. OIKOSULUN KESTOAIKA lk(ka) 1, s o.s s o.s s o,4 s o,2s 11/2 kv MUUNTAJAN ALAJÄNNITEPUOLEN 1 1.s NAPAOIKOSULKUVIRTA 1 1 1 1 1 1 Muuntajan N,. f-- 1 V 1, 1imellisteho 2,9 s 1/ N 1 / 2,55 J 4MVA 1 1 1 I 1 1 /!.<"...."............... 1 :::i:: f15mva 1 c B 25MVA 1 SEKUNNIN OIKOSULKU- KESTOISUUSV AATIMUS 1 I.,... ou... 1 1 :... 111 1 16MVA 111 V 1 1 1 /,,,11l 11l I 11 1u f-- 16MVAI l1(ka) 1111111111 D A llk,11 kv (ka) 1 15 14 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 121416 18 2 22 24 26 28 3 32 Kuva 3. 11/2 kv muuntajien napaoikosulkuvirtoja Sivu 16(72)
6.4 Johtojen oikosulkulujuus 6.4.1 Avojohdot Liitteessä 1.1 on esitetty sallittuja 1 sekunnin oikosulkuvirta-arvoja tavallisimmille avojohdoille. Johdoille voidaan sallia em. liitteen sarakkeen a) oikosulkuvirta-arvot edellyttäen, että käytetään Tl-luokan hyväksyttyjä liittimiä. Sarakkeen b) arvot on tarkoitettu johdoille, joissa on käytetty T2-luokan liittimiä. Nykyään käytetään vain T2- luokan liittimiä, joissa on ao. merkintä. Oikosulun kestoajan ollessa t*l s saadaan sallittu oikosulkuvirta Ikt 1 sekunnin arvosta Ik 1 yhtälön (15) avulla. Ikt (15) missä t = oikosulkuvirran kestoaika (s). Ikt = sallittu oikosulkuvirta kestoajalla t (A) Iki = 1 s oikosulkuvirta (A) 6.4.2 Maakaapelit Kaapeliasennuksille sallittavaan oikosulkuvirtaan vaikuttavat mm. seuraavat seikat: johtimen eristyksen lämmönkestävyys johtimelle sallittava lämpeneminen liitoksen lämmönkestävyys sähködynaamiset voimat Keskijännitteillä käytetään paperi- ja muovieristeisiä (PEX) kaapeleita. Niiden suurin sallittu oikosulkulämpötila on 25 C edellyttäen, että käytetään oikosulun loppulämpötilaa vastaavia T2-luokan liittimiä. Tl-luokan liittimillä suurin sallittu oikosulun loppulämpötila on 18 C. Kaapeleiden 1 sekunnin suurimmat oikosulkuvirran arvot Tl- ja T2-liittimille on esitetty liitteissä 1.2 ja 1.3. Muut kuin t = 1 s arvot saadaan yhtälöstä (15). Sivu 17(72)
Sähkölaitoksen verkoissa käytetyillä keskijännitekaapeleilla on dynaaminen oikosulkukestoisuus yleensä riittävä. Myös päätteet ja jatkot kestävät sähkölaitosten keskijänniteverkoissa esiintyvät oikosulkuvirran dynaamiset rasitukset. 6.5 Pika- ja aikajälleenkytkennän huomioonottaminen Pika- ja aikajälleenkytkentä on yleisesti käytössä avojohtoverkossa sekä ns. sekaverkoissa, joissa on sekä ilmajohtoja että maakaapeleita. Yksinomaan kaapeliverkkoa käsittävissä sähköasemien johtolähdöissä käytetään pikalaukaisua ja vakioaikalaukaisua. Pikajälleenkytkentää ei katsota tarpeelliseksi, koska kaapeliverkon viat eivät yleensä poistu valokaaren sammuttua. Toisaalta ns. sekaverkoissa on huomattava, että oikosulun jälkeen kaapeliosuudet jäähtyvät hitaammin kuin avojohto-osuudet ja rajoittavat näin PJK:n ja AJK:n käyttömahdollisuuksia. PJK-toiminnan aikainen jännitteetön väliaika on niin lyhyt, ettei sinä aikana johtimissa tapahdu mainittavaa jäähtymistä, joten sitä ei oteta huomioon. Kokonaisoikosulunkestoaika on näin ollen ennen ja jälkeen PJK:n tapahtuvien oikosulkujen yhteenlaskettu kestoaika. AJK:ta edeltävänä jännitteettömänä aikana, tavallisesti 1-3 minuuttia, ehtii avojohto jäähtyä jonkin verran (huom. kaapelit). Jäähtyminen otetaan huomioon laskemalla nk. oikosulkuvirran ekvivalenttinen vaikutusaika t yhtälöstä (16). t = t e -tof-r: + t 1 2 (16) missä t = t 1 = t = T t 2 = oikosulkuvirran ekvivalenttinen vaikutusaika PJK:ta edeltävän ja PJK:n jälkeisen oikosulkuvirran kestoaikojen summa, eli releen aseteltujen hidastusaikojen summa lisättynä releen havahtumis- ja valokaariajoilla jokaista katkaisutoimintoa kohti. Releen havahtumisajan ja valokaariajan summa on n.,1 s. (kuvassa 3 t 1 = t 11 +t 12 ) AJK:ta edeltävä jännitteetön väliaika minuutteina kullekin johdintyypille ominainen jäähtymisaikavakio; johtojen jäähtymisaikavakioita on esitetty taulukossa 11 AJK:n jälkeisen oikosulkuvirran kestoaika, joka lasketaan samalla periaatteella kuin t 1 Sivu 18(72)
1 k PJK AJK,1,2 t+, 1 12 t+, 1 Kuva 4. Esimerkki PJK/AJK toiminnasta. Yhtälössä (16) esiintyvä termi t 1 e-to/t on kätevimmin saatavissa liitteen 5 nomogrammista seuraavasti: to-asteikolta siirrytään ylöspäin tarkasteltavaa johdinta vastaavalle käyrälle, josta siirrytään vasemmalle ti-käyrälle, josta edelleen alaspäin t 1 e-to/t_asteikolle, josta luetaan lausekkeen t 1 e-to/t arvo. Kun ekvivalenttinen oikosulkuvirran kestoaika on laskettu yhtälöstä (16) ja liitteen 6 käyrästön avulla, tarkistetaan vielä, että t on suurempi kuin t 1. Jos näin ei ole, t:n arvoksi valitaan t 1. Tarkasteltavalle johdolle sallittu suurm oikosulkuvirta kussakin kytkentätilanteessa saadaan nyt yhtälöstä (17). (17) missä Isall = hi t johdolle sallittu suurin oikosulkuvirta, kun oikosulun vaikutusaika on t (A) johdolle sallittu suurin 1 sekunnin oikosulkuvirta liitteestä 1 (A) oikosulun ekvivalenttinen vaikutusaika (s) Sivu 19(72)
6.6 Oikosulkuvirtojen ja niiden vaikutusten pienentämiseksi tehtäviä toimenpiteitä 6.6.1 Syöttömuuntajan teho ja oikosulkuimpedanssi Aseman lähellä oikosulkuvirran suuruuteen vaikuttaa eniten syöttömuuntajan oikosulkuimpedanssi. Tämän vuoksi on usein järkevää valita suuret muuntajat tavanomaista suuremmalla oikosulkuimpedanssilla, jotta oikosulkuvirrat pysyvät kohtuullisina. Suurempi suhteellinen oikosulkuimpedanssi lisää kuitenkin muuntajan häviötä, joten kysymys on teknillis-taloudellinen. 6.6.2 Lisäimpedanssit Oikosulkuvirtojen suuruutta voidaan periaatteessa rajoittaa myös käyttämällä sarjakuristimia. Jakeluverkoissa niiden käyttö on jäänyt melko vähäiseksi suurten kustannustensa vuoksi. Vaikeissa tapauksissa kannattanee tämäkin mahdollisuus ottaa kuitenkin huomioon. 6.6.3 Suojaus Lyhyellä tähtäimellä joudutaan luonnollisesti toimimaan olemassa olevan suojausjärjestelmän puitteissa, jolloin mahdollisuudet ovat yleensä vähäiset. Pitkällä tähtäimellä on suunnittelussa harkittava ratkaisuja mahdollisimman laajasti ja ennakkoluulottomasti. On syytä ottaa huomioon nykyisin tavallisimman ylivirta-aikasuojauksen lisäksi myös muut mahdollisuudet, esim. distanssireleiden käyttäminen. Oikosulkurasituksen pieneneminen saattaa muodostua taloudellisesti varsin merkittäväksi perusteeksi suojausjärjestelmän valinnassa. Jo pelkästään suojauksen asetuksilla voidaan monesti pienentää verkon oikosulkurasituksia. Mm. seuraaviin seikkoihin on syytä kiinnittää huomiota: laukaisuajat ja niiden porrastus asetellaan mahdollisimman pieniksi pikalaukaisua käytetään mahdollisimman paljon selektiivisyyden kannalta tarpeettomia hidastuksia vältetään AJK:n jännitteetön väliaika asetellaan mahdollisimman pitkäksi sellaisilla johdoilla, joilla oikosulkulujuus muodostuu probleemaksi. Suojausasiaa on tarkemmin käsitelty SLY:n julkaisusarjassa 4/89; "Keskijänniteverkon relesuojauksen käytön yleiset suunnitteluohjeet". Sivu 2(72)
6.6.4 Verkon vahvistaminen ja rakenne Verkkoa vahvistettaessa on aina muistettava tarkistaa vahvistetun johto-osan jälkeisen verkon oikosulkukestoisuus, sillä johtohaaran alkuosaa vahvistettaessa saattaa oikosulkuvirta kasvaa niin paljon, että myös johtohaaran jälkiosaa on vahvistettava. Verkoston rakenneratkaisuilla saattaa olla huomattava vaikutus johtojen oikosulkurasituksiin. Monia perättäisiä suojausportaita sisältävässä verkossa voivat laukaisuajat syöttöasemilla muodostua pitkiksi. Asian korjaaminen pikalaukaisuja käyttämällä on selektiivisyyden takia hankalaa, jos kytkinlaitosten väliset etäisyydet ovat pienet. Syöttömuuntajien (samalla tai eri asemilla olevien) rinnankäyttö puolestaan suurentaa oikosulkuvirtoja. Useimmiten on syytä pyrkiä suunnittelemaan syöttöasemat siten, ettei muuntajia normaalissa tilanteessa käytetä rinnan tai verkko jaetaan oikosulun sattuessa nopeasti kiskokatkaisijan avulla. Käyttötoimenpiteiden vaatimia lyhytaikaisia rinnankytkentöjä ei tarvitse ottaa huomioon oikosulkumitoituksessa. 6. 7 Liitekäyrästöt Liitteeseen 7 on piirretty oikosulkuvirran vaimenemiskäyrästöt eräille johdoille ja muutamalle muuntajakoolle. Käyrästöjä voi käyttää apuna verkoston oikosulkulujuutta määritettäessä. Niitä voidaan tarpeen mukaan laatia lisää esiintyvien lähtötietojen perusteella. Käyrästön käyttöesimerkkejä on esitetty suosituksen lopussa. Asennettujen johtimien oikosulkukestoisuutta tarkistettaessa on syytä käyttää yhtälöä (11), jolloin eri johtolajien erisuuruiset impedanssien vaikutukset tulevat huomioonotetuiksi. Sivu 21(72)
7. MAASULKUVIRRAN LASKEMINEN JA SALLITUT MAADOITUSJÄNNITTEET 7.1 Maasulkuvirrat maasta erotetusta verkossa Maasulkuvirran itseisarvon suuruus suorassa (vikaresistanssittomassa, Rr = ) maasulussa voidaan laskea yhtälöstä: l e = V 13 w C U.J o (18) missä le U = C = ro f = maasulkuvirta (A) verkon laskentajännite (pääjännite) (V) yhden vaiheen maakapasitanssi (F) 2nf verkon taajuus (5 Hz) Ukkosjohtimettoman, maasta erotetun avojohtoverkon maasulkuvirta (Rr = ) saadaan kokemusperäisestä yhtälöstä: U l 3 (19) missä le = U = l = maasulkuvirta (A) verkon laskentajännite (pääjännite) (kv) johtopituus (km) Jos käytetään jännitteenä 21 kv, saadaan johdon pituusyksikköä kohden tuottamaksi maasulkuvirraksi lei l =,7 A/km. PAS-johdoilla jakajan luku 3 voidaan likimääräisissä tarkasteluissa korvata luvulla 35, mikä johtaa 21 kv jännitteellä maasulkuvirtaan lei l =,6 A/km. Kaapeleiden tuottamat maasulkuvirrat saadaan liitteistä 1.2 ja 1.3. Tarvittaessa ne summataan yhtälön ( 19) tulokseen, johon tulee lisätä muiden sähkö laitosten ja/tai asiakkaiden galvaanisesti yhteenkuuluvaan verkkoon tuottamat maasulkuvirrat. Sivu 22(72)
7.2 Maasulkuvirrat sammutetussa verkossa Tavanomainen keskitetty kompensointi toteutetaan syöttöasemalle sijoitetulla automaattisella portaattomalla säädöllä varustetulla kompensointikuristimella. Kompensointi voidaan mitoittaa ja virittää tarkasti, jolloin maasulkujen sammuminen tapahtuu tehokkaasti kaikissa tilanteissa. Kompensoinnin vaikutus ulottuu kaikkiin verkon osiin normaalista poikkeavissakin kytkentätilanteissa. Järjestelmä on käytettävyydeltään hajautettua kompensointia yksinkertaisempaa ja tehokkaampaa. Sammutetun verkon maasulkuvirran jäännösarvo saadaan yhtälöstä: 2 + R (3wC - _1_)2 1 wl u Ies - (2) (R 1 + J?,,) + Rj- (3wC - _1_)2 wl f3 missä maasulkuvirran jäännösarvo (A) Ies = U = nimellisjännite (V) R 1 = vikaresistanssi ( Q) R = C = L CO f = kompensointikuristimen sekä tähtipisteen redusoitu verkon häviöresistanssi (Q) koko galvaanisesti yhteen kytketyn verkon maakapasitanssi /vaihe (F) kompensointikuristimen induktanssi (H) 2rif verkon taajuus (5 Hz) 7.2.1 Maasulkuvirrat hajautetusti kompensoidussa verkossa Hajautettu kompensointi toteutetaan eri johtolähdöille sijoitettavilla kiinteästi viritetyillä (3,5 A tai 5 A) kompensointiyksiköillä. Yksiköt mitoitetaan ja sijoitetaan siten, että kuristimen virta vastaa enintään edeltävän johto-osuuden kompensoimatonta maasulkuvirtaa. Kuristimen sijoittelussa tulisi pyrkiä siihen, että verkon johto-osien kytkentämuutosten mukana pois/päälle kytkeytyvät kuristimet vastaavat aina johto-osan maasulkuvirtaa. Sivu 23(72)
Yleensä kompensointi suoritetaan vain osittain, jolloin lyhyillä johdoilla ei tarvita lainkaan kuristimia ja releistyksenä voidaan käyttää tavallista maasta erotettujen verkkojen maasulkureleistystä. Alikompensoidussa verkossa tulee lähinnä sähköasemaa oleva kuristin mitoittaa siten, että sijoituskohdan ja aseman välisen johto-osan maasulkuvirta on noin 2 % suurempi kuin kuristimen virta. Lyhyehköjen johto-osien maasulkuvirta voidaan kompensoida osittain myös sähköaseman kiskostoon sijoitetulla kuristimella. Maasulkuvirran hyvät sammumisominaisuudet saavutetaan, mikäli jäännösvirta ei ylitä 2 A, ja maasulkuvirrasta kompensoituu vähintään noin 65 %. Toisaalta ylikompensointi ei saa olla enempää kuin 145 %. Hajautetussa kompensoinnissa on erityistä huomiota kiinnitettävä tilanteisiin, joissa kytkentämuutoksista tai muista syistä johtuen verkko tulee ylikompensoiduksi. Tällöin normaali releistys ei välttämättä toimi tai se toimii virheellisesti. Laukaiseva (tai hälyttävä) U -releistys on tällöin tarpeen varasuojana, koska esim. kuristimet kestävät jatkuvasti yleensä vain noin 4 % nimellisvirrastaan. Lisäksi suuri-impedanssisten vikojen ilmaisemiseksi verkko on syytä varustaa herkällä U -releellä. Hajautetun kompensoinnin etuja ovat kohtuulliset kustannukset ja oikein mitoitettuna käytön ja suojauksen yksinkertaisuus. Hajautetusti kompensoidun verkon maasulkuvirran jäännösarvo on likimain (21) missä Ies le L,Js = maasulkuvirran jäännösarvo (A) maasulkuvirta ilman kompensointia (A) kompensointikelan nimellisvirtojen summa (yleensä 3,5 tai 5 A/kela) (A) Sivu 24(72)
7.3 Maadoitusjännite Vikapaikassa kulkeva maasulkuvirta Ie aiheuttaa sekä tapaturman että omaisuuden vaaraa. Kun maasulkuvirta kulkee maadoitetun osan kautta, syntyy maadoitusjännite, joka lasketaan yhtälöllä: U = R I m m e (22) missä U m = maadoitusjännite (V) Rm = maadoitusresistanssi (Q) Ie = maasulkuvirta (A). Sähköturvallisuusmääräykset (StM) asettavat maadoitusjännitteelle Um ylärajan, joka määräytyy maadoituskohteen, maadoitusten toteuttamistavan ja maasulun yhtäjaksoisen kestoajan mukaan. (Katso taulukko 5). Yhtälön (22) mukaan voidaan maadoitusjännitettä alentaa pienentämällä joko maadoitusresistanssia tai maasulkuvirtaa Ie. Maasulkuvirran Ie pienentäminen tapahtuu joko jakamalla galvaanisesti yhteen kytkettyä verkkoa pienempiin osiin (hankitaan uusia syöttömuuntajia) tai asentamalla verkkoon maasulkuvirtaa kompensoivia kuristimia (kts. kohta 7.2). Taulukko 5. Maadoitusjännitteen enimmäisarvot. t =pisin yhtäjaksoinen maasulun kestoaika. Ryhmä maasulkua ei kytketä itse- toimisesti pois maasulku kytketään itsetoimivasti pois ajassa t Maadoitusjännite V a 75 l lfis 125 b 2 l lfis 25 c 3 /..ffjs 4 d 5 l lfis 1 e1 75 /..ffjs 125 e2 1 /..ffjs 15 Sivu 25(72)
Keskijänniteverkon suojamaadoitettavien kohteiden osalta tulevat kysymykseen: Ryhmä a: Ryhmä b: Ryhmä d: Puisto- ja kiinteistömuuntamoiden suojamaadoitukset Pylväsmuuntamoiden ja pylväserottimien suojamaadoitukset, kaapelipäätteet Ne kohteet, joissa suoja ja käyttömaadoitus on yhdistetty 7.4 Maasulkusuojaus Kesk:ijänniteverkon maasulkusuojausta on käsitelty StM:n 8 :ssä ja lo :ssä, joissa keskeisimpiä kohtia ovat: PAS-johdot Maasulkusuojauksen on toimittava suojamaadoitettuun osaan tapahtuvassa maasulussa. Maasulkusuojauksen on toimittava suojamaadoittamattomaan paikkaan tapahtuvassa maasulussa, kun resistanssi Rr;:;; 5 Q. (On kuitenkin suositeltavaa, että suojaus toimii tätäkin suuremmilla vikaresistanssin arvoilla.) Maasulkusuojauksen ei ole pakko toimia viassa, jossa johtimen katkettua kuorman puoleinen johtimen pää on pudonnut maahan. Maasulkusuojaus voidaan järjestää myös pelkästään hälyttäväksi, jos StM (Al- 89) 8 3 B:n ehdot on täytetty. Suojamaadoitettuun osaan tapahtuvassa maasulussa määrää suurimman sallitun maadoitusjännitteen (Um = le) StM 1, jossa otetaan huomioon maadoitetun kohteen laatu, maadoituksen toteutustapa (ryhmä a... e 2 ) sekä pisin yhtäjaksoinen maasulun kestoaika t. Edellä olleiden asioiden lisäksi verkon osassa, johon kuuluu päällystettyjä avojohtoja (PAS), maasulkusuojauksen on toimittava myös yli 5 ohmin vioissa niin suureen vikaresistanssiin saakka kuin tavanomaista suojaustekniikkaa käyttäen on mahdollista (Sähkötarkastuskeskuksen tiedonanto T 68-91). Sivu 26(72)
8. ESIMERKKEJÄ Esimerkki 1 Laske alueen huipputeho, kun vuosienergiat kulutusryhmittäin (saatu esim. laskutuksesta, joihin siirtohäviöt on lisätty). Vuosienergiat ovat seuraavat: Kotitaloudet, ei sähkölämmitystä W 1 =,4 G Wh Sähkölämmitetyt omakotitalot W 2 =,6 GWh Maatalouskulutus W 3 =,2 GWh 1-vuoroteollisuus W 4 =,4 GWh Palvelut W 5 =,5 GWh Sijoitetaan taulukon 1 kertoimet Velanderin yhtälöön (1) ja saadaan kuluttajaryhmien huippu tehot: P 1 =,12 MW P 2 =,18 MW P 3 =,6 MW P 4 =,2 MW P 5 =,13 MW Sijoitetaan edelleen tehoarvot ja taulukon 2 osallistumiskerrointen arvot eri kellonaikoina yhtälöön (2) saadaan alueen kokonaishuipputehot: P 8 _ 9 =,52 MW P 9 _ 1 =,52 MW P 15 _ 16 =,48 MW P 16 _ 17 =,43 MW P 17 _ 18 =,46 MW P 21 _ 22 =,36 MW P 22 _ 23 =,37 MW Alueen huipputeho on,52 MW, ja se esiintyy klo 8-1. Sivu 27(72)
Esimerkki 2 Mikä on oikosulkuvirran ekvivalenttinen vaikutusaika t Raven-johdolle, kun releen aikahidastus t = 1 s ja pika- ja aikajälleenkytkennän välinen jännitteetön väliaika t = 2 min? Kuvan 4 perusteella saamme t 1 = 1 + 2,1 = 1,2 s ja ti = 1 +,1 = 1,1 s. Yhtälön (16) termi t 1 e-to/t ratkaistaan liitteestä 6. to-akselilta (piste A) siirrytään ylös Raven-käyrälle (piste B). Tästä siirrytään vaakasuoraan ti-suoralle t 1 = 1,2 s (piste C), josta alas t 1 e-to/t -akselille (piste D). Termin arvoksi saadaan :::,9 s. Summaamalla tähän ti = 1,1 s, tulee t:n arvoksi 2, s. Esimerkki 3 Määritä sähköasemalta lähtevä oikosulun kestävä johdin, kun så"hköasemalla on 11/2 kv 25 MVA muuntaja, Jk1 1 = 2 ka ja oikosulun kestoaika,6 s (releen asettelu + havahtuminen + katkaisijan toiminta-aika + valokaariaika). Liitteen 5 käyrästöstä lähdetään liikkeelle 11 kv oikosulkuvirran arvosta (piste A), josta siirrytään ko. muuntajan oikosulkuvirtakäyrälle (piste B), josta edelleen oikosulun kestoaikaa kuvaavalle suoralle (piste C) ja edelleen 1 sekunnin oikosulkulujuusvaatimusasteikolle (piste D). Oikosulkulujuusvaatimukseksi saadaan 5, ka. Liitteessä 1.1 löydetään 5, ka:n vaatimuksen täyttäviksi johtimiksi esim. Raven ja PAS 7. Jos kysymyksessä on varmentamattomaksi rakennettu johto (laskentaperusteena 2-vaiheinen oikosulkuvirta), saadaan oikosulkulujuusvaatimukseksi,866 5 ka ::: 4,3 ka ja liitteestä 1.1 johdoiksi samat kuin edellä. Sivu 28(72)
Esimerkki 4 Olkoon tarkasteltava tapaus seuraava: SN k_11_([)-+--+<ll,:_"l1_3_2_a_l-----r_a_v_e_n s_w_a_n 3km xkm lkllo = 1 ka SN= 16 MVA t =,8 s (releen asettelu ja havahtuminen ja katkaisijan toiminta-aika) Mikä on oikosulkuvirta 132 mm 2 Al-johdon alussa ja lopussa? Kestääkö Raven? Liitteestä 7 (s.2) saamme 132 Al-johdolle oikosulkuvirrat johdon alussa 4,1 ka johdon lopussa 3, ka Raven-johdolle sallitaan 5,3 ka:n 1 sekunnin oikosulkuvirta (liite 1.1). Raven-johto siis riittää reilusti, sillä Raven kestää 5,9 ka,8 sekunnin arvona (5,3/J,8 = 5,9). Kuinka paljon Ravenia täytyy olla, jotta Swan-johto kestäisi? Swan-johdolle sallitaan 1 sekunnin oikosulkuvirtana (liite 1.1) 2,1 ka, joka vastaa,8 sekunnin arvona 2,1//,8 ka = 2,3 ka. Ravenin ja Al 132 liittyrniskohdan oikosulkuvirta on 3, ka. Jotta tämä arvo alenisi 2,3 ka:iin, niin Ravenia tarvitaan liitteen 7 (s.2) käyrän mukaan n. 2 km. Tämä arvo saadaan siten, että Raven johdolta katsotaan, missä kohtaa on 3 ka kohta. Tästä 2 km kohdasta liikutaan käyrällä 2,3 ka kohtaan, joka löytyy 4 km kohdalta. Näiden erotus 2 km on likimain tarvittava Ravenin pituus. Sivu 29(72)
Esimerkki 5 Kuinka paljon 2 k V Pigeon-johdolla voidaan siirtää pätötehoa 3 km päähän 4 % jännitteenalenemalla? Mikä on tällöin tehohäviö? (coscp =,9)? Liitteen 2.1 taulukon mukaan Pigeon-johdon alenemakerroin on,127 %/MW, km. V = K h Uh P l =P= 4%,127 -- 3 - X 3 km MW,km ;:;; 1,5 MW kw Liitteen 3.1 mukaan häviökerroin on 1,4 -- (MW)2,km 2 Ph = KPh P max l = 1,4 kw 3km (1,5MW) 2 ;:;; 34 kw (MW) 2,km Esimerkki 6 Mikä on johdon maasulkuvirta, kun alussa on,2 km AHXAMK-W 3x12 mm 2 kaapelia, sitten 5 km Ravenia ja lopuksi,5 km PAS 7-johtoa? Laske sekä 1 kv että 2 k V verkoissa. PAS-johdolla voidaan riittävällä tarkkuudella korvata yhtälön (19) luku 3 luvulla 35: 2 kv verkko: Ie = (2,6A/km x,2 km) + 21 x 5 A + 21 x, 5 A =,9 A 3 35 1 kv verkko: Ie = (1,9A/km x,2 km) + 1 5 x 5 A + lo,s x, 5 A =,57 A 3 35 Sivu 3(72)
Esimerkki 7 lk = 2 ka UN= 11/2 kv Pigeon P=6MW 1=13 km cos et>=,85 - SN= 1 MVA Q = 12 kvar Tarkastellaan ylläolevassa kuvassa esitettyä sähköaseman varasyöttötilannetta. Sähköasemien välillä kulkee 13 km pitkä yhteys Pigeonjohdolla. Johdon kuorma varasyöttötilanteessa on 6 MW (cos cp =,85). Mikä on jännitteenalenema johdolla? Mikä on jännitteenalenema, kun tehoa vastaanottavalle asemalle kytketään nimellisarvoltaan 1 2 kvar rinnakkaiskondensaattorit? Jännitteenalenema ilman rinnakkaiskompensointia: Liitteen 2.1 taulukosta saadaan jännitteenalenemakertoimeksi,139 %/MW,km, kun cos cp =,85. Jännitteenalenema on tällöin uh = 6 MW 13 km,139 3 MW,km 1,8 % Sivu 31(72)
Jännitteenalenema, kun rinnakkaiskondensaattori on kytketty: Rinnakkaiskondensaattori nostaa vaihejännitettä yhtälön 5 mukaan laskettuna seuraavasti: Q X U..,. fiu z/x= cr v cr U U N N Taustaverkon reaktanssi on yhtä kuin johdon reaktanssi, kun jännitteensäädön oletetaan pitävän muuntajan alajännitepuolen jännitteen vakiona. z 12kvar 13 km,354./km 12,7 kv 11,5 kv = 383 V 12,7 kv Jännitteenalenema pienenee siis Ii U = 383 V = 3 3 % h 11,5 kv Kokonaisjännitteenalenema on tällöin uh = 1,s % - 3,3 % = 1,s % Sivu 32(72)
Esimerkki 8 U = 11/2 kv N lk = 2 ka C = 3 X 2 µf P=1MW Srf 16 MVA Pigeon Raven cos <f =,85 1=2 km 1=3 km mmo2 mmo1 P=1MW cos <f =,85 Tarkastellaan yllä olevassa kuvassa esitettyä pitkää johtoa. 2 km pituinen Pigeon johto menee sähköasemalta muuntamolle 1. Johto jatkuu 3 km pitkänä Raven johtona muuntamolle 2. Kummallakin muuntamolla on 1 MW kuormaa (cos cp =,85). Mikä on jännitteenalenema muuntamoilla ilman sarjakondensaattoreita? Mikä on jännitteenalenema, kun käytetään sarjakondensaattoreita? Jännitteenalenema ilman sarjakondensaattoreita: Liitteen 2.1 taulukosta saadaan Pigeon johdon jännitteenalenemakertoimeksi,139 %/MW,km kun cos cp =,85. Vastaavasti Ravenin jännitteenalenemakerroin on,191 %/MW,km. Jännitteenalenema muuntamolla 1: Uh 1 = 2 MW 2 km,139 %/MW,km = 5,6 % Jännitteenalenema Raven johdolla: uh12 = 1 MW. 3 km.,191 %/MW,km = 5,7 % Sivu 33(72)
Jännitteenalenema muuntamolla 2: uh2 = 5,6 % + 5,7 % = 11,3 % Jännitteenalenema sarjakondensaattoreiden kanssa: Sarjakondensaattorin jännitettä nostava vaikutus saadaan yhtälön 6 avulla. 1!l.UzJX = q q cs 314 C Lasketaan ensin johdolla kulkeva virta: p 1 = ----- 13 V cos <p 2MW = ------- 13 2 kv,85 = 67,92 A Tästä lasketaan loisvirran osuus: Iq = 1 sin <p = 67,92 A sin(arccos,85) = 35,8 A Kondensaattorin aiheuttama jännitteennousu on tällöin: 35 8!l. V z A z 57 V c 314 1/s 2 µf 57 V = 5 O % 11,5 kv Jännitteenalenema muuntamolla 1 on tällöin: uh 1 = 5,6 % - 5,o % = o,6 % Jännitteenalenema muuntamolla 2 on vastaavasti: uh2 = 11,3 % - 5,o % = 6,3 % Sivu 34(72)
Esimerkki 9. Mikä on tyhjänä käyvän merikaapelin AHPLKP JJ 3x7 aiheuttama jännitteen nousu, kun sen pituus on 3 km ja jännite 2 k V? Käytetään yhtälöitä (7) ja (8). Kaapelin käyttökapasitanssi saadaan liitteestä 1.2. l V 2kV = wcu = 2 -rr 5 Hz,29 µf -- = l,5a/km f3 iluh = Iv x l = 1,5 A/km 3 km,454 Q/km 3 km= 43 V (z 3,7%) VIITTEET /1/ Paavola, M. Sähköjohtojen laskeminen. 1969. WSOY, Porvoo. s.19-112. Sivu 35(72)
en w :::J N -- Johdin Vaiheresistanssi Vaihe- Maakapa- IDC) reaktanssi sitanssi Rv Xv Cm OJ km Q/km µf/km + 2 C 11 +4 C 2) 3) 4) Cu 16 1, 14 1,23,412,61 Cu 25,718,774,398,61 Cu 35,526,567,387,61 Cu 5,365,394,377,61 Cu 7,266,287,365,61 Cu 95, 195,21,355,61 Cu 12, 15, 162,348,61 AI 25 1, 16 1,25,397,61 Al4,725,783,382,61 AI 62,459,496,368,61 A199,288,311,354,61 AI 132,218,236,344,61 AI 178, 162, 175,335,61 AI 21, 143, 155,331,61 AIMgSi 25 1,37 1,48,397,61 AIMgSi 4,834,91,382,61 AIMgSi 62,527,569,368,61 AIMgSi 99,332,359,354,61 AIMgSi 132,251,271,344,61 AIMgSi 178, 188,23,335,61 AIMgSi/Fe 21 /4 Fersemal 1,56 1,68,398,61 AIMgSi/Fe 16/25,317,343,344,61 Al/Fe 7 /9 Bantam 4,31 4,66,413,61 AI 11 /14 Magpic 2,71 2,93,397,61 Al/Fe 21 /4 Swan 1,35 1.46,398,61 Al/Fe 34/6 Sparrow,847,915,383,61 Al/Fe 42/25 Savo,682,737,365,61 Al/Fe 54/9 Ravan,535,578,368,61 Al/Fe 75/14 Loviisa,38,411,357,61 Al/Fe 85/14 Pigeon,337,364,354,61 Al/Fe 89/52 Dotterel,323,349,342,61 Al/Fe 93/39 Imatra,31,335,344,61 Al/Fe 16/25 Suursavo,279,31,344,61 Al/Fe 18/23 Vaasa,266,287,344,61 Al/Fe 148/68 Kuopio,196,212,328,61 Al/Fe 152/25 Ostrich, 19,25,335,61 Al/Fe 35/39 Duck,95, 13,314,61 Huomautukset 1) 2) 3) 4) ja 5), katso seuraava sivu. Ck µf/km 3),88,92,94,97,1,1,11,92,95,99,1,11,11,11,92,95,99,1,11,11,92,11,88,92,92,95,1,1,1,1,11,11,11,11,11,11,12 Suurin sai- Suurin sallittu 1 s littu kuor- oikosulkuvirta mitusvirta ln lk lk A ka ka 5) T1 -liittimet T2-liittimet 145 2,2 2,3 195 3,5 3,7 24 4,8 5, 1 35 6,9 7,3 37 9,5 1, 1 465 13, 1 13,8 535 17, 1 18 17 2, 1-23 3,5-35 5,6-415 8,7 495 11,6 6 15,6-645 17,7-155 2,5 21 3,5 3,7 285 5,5 5,8 39 8,8 9,3 46 11,7 12,4 56 15,8 16,7 145 1,9 2 4 9,4 9,9 8,6,7 11 1, 1 1,2 155 2 2, 1 21 3,2 3,3 25 4 4,2 28 5, 1 5,3 335 7, 1 7,5 36 8 8,4 4 8,4 8,8 45 8,7 9,2 43 1 1,5 42 1 1,5 55 13,9 14,6 55 14,3 15 845 28,7 3,2 Käyttökapasitanssi Jäähtymisaikavakio t min 3 4 5 7 9 11 13 3 4 6 8 1 13 15 3 4 6 8 1 13 3 1 2 3 3 4 7 6 9 9 13 12 1 1 16 15 22 """ Q > Q "" < g "" d = --N c:: (/) 1--4 )> - 1 c.o.-.p.
Johdin Vaiheresistanssi Vaihe- Maakapa- Käyttöka- Suurin sai- Suurin sallittu 1 s (DC) reaktanssi sitanssi pasitanssi littu kuor- oikosulkuvirta mitusvirta Rv Xv Cm Ck ln lk lk Q/km Q/ km µf/km µf/km A ka ka +2 C 1) +4 C 2) 3) 4) 3) 5) T1-liittimet T2-liittimet PAS 35,986 1,65,324,5,11 2-3,2 PAS 5,72,778,312,5,12 245-4,3 PAS 7,493,533,32,5,12 31-6,4 PAS 95,363,392,292,5,13 37-8,6 PAS 12,288,311,284,5,13 43-11 PAS 15,236,255,277,5,13 485-13,5 PAS 185,188,23,27,5,14 56-17 2 kv RllPPUJOHDOT SAMKA 3x7,446,482, 14,21,21 18 5 5 SAMKA 3x12,256,277, 13,25,25 25 8,5 8,5 SAMKA 3x185, 168,182,12,3,3 31 13 13 SAMI 3x67,428,462,272-25 6 6 SAMI 3x17,268,29,257 - - 378 9,7 9,7 SAXKA 3x7,446,482, 14,18,18 235 5,7 6,7 SAXKA 3x12,256,277,13,23,23 33 9,8 11.4 SAXKA 3x185,168, 182,12,26,26 425 15 17,5 AHMCMKK 3x16 1,89 2,4, 147, 12,12 6,94,94 AHMCMKK 3x25 1,21 1,31, 135,14,14 78 1,46 1,46 AHMCMKK 3x35,867,937, 129,15,15 96 2,5 2,5 AHMCMKK 3x5,68,657, 119, 17,17 117 2,9 2,9 AHMCMKK 3x7,435,47, 116,18, 18 144 4, 1 4, 1 AHMCMKK 3x95,322,348,11,2,2 171 5,6 5,6 Jäähtymisaikavakio t min 7 8 1 13 15 18 2 42 6 65 2 2 42 6 65 18 2 25 3 35 55 Q -< > N Q c...i :::i= i 1) + 2 C johdinlämpötilan johdinresistanssia käytetään jännitteenaleneman määrittämisessä. 2) + 4 C johdinlämpötilan johdinresistanssia käytetään oikosulkuvirtojen määriten... tämisessä. < c:: 3) Arvot on määritetty 8 m pylväspituudella ja taso-orrella, jonka vaiheväli on -(.;.) 11 mm. PAS-johdoilla vaiheväli on 4 mm....)...) 4) Laskettu kokemusperäisen yhtälön ( 19) maasulkuvirran arvosta. N 5) Ympäristön lämpötila + 2 C, johtimen + 8 C (kuparijohtimella + 7 C).._ N -N._ en )> 1.... c.o...
... C/.l c:: < w :::J N -" Johdin Vaiheresistanssi Vaihe- Maakapareaktanssi sitanssi Rv Xv Cm Q/ km Q/km µf/km +2 C 11 +4 C 21 AHMCMK 3x7,444,48, 116,18 AHMCMK 3x1 2,254,274, 17,21 AHMCMK 3x1 85,165, 178,97,24 AHMCMK 3x3, 13, 111,91,28 AHMDMK 3x7,446,482, 127, 18 AHMDMK 3x1 2,256,277, 111,21 AHMDMK 3x1 85,169, 183,1,24 AHMDMK 3x3,15, 113, 11,28 Käyttökapasitanssi Ck µf/km Suurin sallittu kuormitusvirta ln A ilmassa 31 maassa 4), 18 15 17,21 2 225,24 265 285,28 35 375,18 15 17,21 2 225,24 265 285,28 35 375 Suurin sallittu 1 s oikosulkuvirta lk ka T1-liittimet lk ka T2-liittimet 5,4 5,4 9, 1 9, 1 14, 1 14, 1 22, 1 22, 1 5,4 5,4 9, 1 9, 1 14, 1 14, 1 22, 1 22, 1 Maasulku- virta Jäähtymisaikavakio t min le A 51 35 2, 1 55 2,4 8 2,7 15 3,2 3 2, 1 5 2,4 75 2,7 1 3,2 N Q > g d AHXAMK-W 3x7,446,482,138, 18 AHXAMK-W 3x1 2,256,277, 129,23 AHXAMK-W 3x1 85,169, 183, 119,26 AHXAMK-W 3x24 + 7, 13, 14, 116,3 AHXAMK-W 3x3, 16, 115, 113,32, 18 235 2,23 325 265,26 425 33,3 51 375,32 565 435 5,7 6,7 9,8 11.4 15 17,5 19,4 22,6 24,2 28,2 42 2, 1 47 2,6 53 3, 6 3,4 65 3,7 i AHXCMK 3x1 x7,456,493,19,18 AHXCMK 3x1 x1 2,266,287, 18,23 AHXCMK 3x1 x1 85,184,199, 172,26 AHXCMK 3x1 x3,12,13,163,32 AHXCMK 3x1 x5,88,95, 157,39 AHXCMK 3x1 x8,73,79, 154,49,18 255 215,23 35 28,26 44 35,32 58 44,39 755 55,49 95 65 5,7 6,7 9,8 11,4 15 17,5 24,2 28,2 4,3 47 63,9 74,4 25 2, 1 3 2,6 35 3, 44 3,7 55 4,5 67 5,6 AHXCMKM 3x7,446,482,132, 18 AHXCMKM 3x12,256,277, 121,23 AHXCMKM 3x185, 169,183, 114,26 AHXCMKM 3x3,16, 115, 17,32, 18 19 175,23 265 23,26 34 29,32 46 38 5,7 6,7 9,8 11,4 15 17,5 24,2 28,2 45 2, 1 65 2,6 84 3, 9 3,7 APYAKMM 3x25 1,21 1,31, 145,2 APYAKMM 3x35,876,947,138,22 APYAKMM 3x5,649,71, 131,25 APYAKMM 3x7,451,487, 124,29 APYAKMM 3x95,329,356, 118,32 APYAKMM 3x12,262,283, 115,35 APYAKMM 3x15,216,233, 111,38 APYAKMM 3x185,175, 189,17,41 APYAKMM 3x24, 138, 149, 14,45 APYAKMM 3x3, 114,123, 11,49 Huomautukset 1) 2) 3) 4) ja 5), katso s. 4.,2 85 94,22 15 115,25 125 14,29 155 17,32 19 25,35 21 225,38 24 255,41 27 29,45 315 335,49 36 375 2,3 2,5 3,3 3,7 4,6 5,25 6,5 7,3 8,7 9,9 11 12,5 13,7 15,6 16,9 19,2 21,9 24,8 27,3 31 18 2,3 2 2,5 25 2,9 3 3,3 4 3,7 5 4, 6 4,3 65 4,7 8 5, 1 9 5,6.-. w -" t: CJ),...; l> tr1 1 c.o N +::-
Johdin HMCMK 3x25 HMCMK 3x35 HMCMK 3x5 HMCMK 3x7 HMCMK 3x95 HMCMK 3x12 HMCMK 3x15 HMCMK 3x185 HMCMK 3x24 HPLKVJ 3x25 HPLKVJ 3x35 HPLKVJ 3x5 HPLKVJ 3x7 HPLKVJ 3x95 HPLKVJ 3x1 2 HPLKVJ 3x15 HPLKVJ 3x185 HPLKVJ 3x24 HPLKVJ 3x3 Vaiheresistanssi Vaihe- Maakapareaktanssi sitanssi Rv Xv Cm Q/km Q/ km µf/km +2 c 11 +4 c 21,728,785,135, 14,525,566, 129, 15,388,418, 119,17,269,29, 116,18, 194,29, 11,2, 155, 167, 17,21,126,136, 11,23, 12, 11,97,24,78,84,94,26,732,79,148, 19,529,571,138,21,392,423, 129,23,274,296,123,26,199,215, 116,29, 16, 173, 112,32, 131,141, 17,34,17, 115,14,37,84,91, 11,41,7,76,98,45 Käyttökapasitanssi Ck µf/km Suurin sallittu kuormitusvirta ln A ilmassa 3) maassa 41,14 14 145,15 165 175, 17 25 215,18 25 26,2 295 31,21 34 35,23 39 4,24 435 44,26 515 51, 19 15 12,21 135 15,23 16 175,26 2 22,29 24 26,32 275 3,34 315 335,37 36 38,41 415 44,45 47 495 Suurin sallittu 1 s oikosulkuvirta lk ka T1-liittimet lk ka T2-liittimet 2,95 2,95 4, 1 4, 1 5,8 5,8 8, 1 8, 1 11 11 13,8 13,8 17,2 17,2 21,2 21,2 27.4 27.4 3,6 4,6 5 5,6 7, 1 8,6 9,8 11, 1 13,3 15 16,8 19 2,9 23,7 25,8 29, 1 33,3 37,7 41,6 47,1 Maa sulku- virta Jäähtymisaikavakio t min le A 5) 18 1,6 2 1,7 25 1,9 28 2, 1 33 2,3 35 2.4 4 2,6 45 2,7 48 3, 2 2,2 25 2.4 35 2,6 45 3, 55 3,3 7 3,7 8 3,9 85 4,2 9 4,7 1 5, 1 N c > d i HXCMK 3x1x35 HXCMK 3x35 HXCMK 3x185,537,579,24, 15,527,568, 15, 15,14, 112, 116,26,15 215 185,15 165 14,26 435 36 4.4 5, 1 4.4 5, 1 22,9 26,7 2 1,7 35 1,7 7 3, PYLKVJ 3x25 PYLKVJ 3x35 PYLKVJ 3x5 PYLKVJ 3x7 PYLKVJ 3x95 PYLKVJ 3x12 PYLKVJ 3x15 PYLKVJ 3x185 PYLKVJ 3x24 PYLKVJ 3x3,732,79,157, 19,53,572,149,21,393,424,14,23,275,297, 132,26,21,217, 127,29, 162,175,123,32, 134, 145, 119,34, 11, 119, 116,37,89,96, 113,41,76,82, 11,45, 19 15 12,21 135 15,23 16 175,26 2 22,29 24 26,32 275 3,34 315 335,37 36 38,41 415 44,45 475 495 3,6 4 5 5,6 7, 1 8 9,8 11, 1 13,3 15 16,8 19 2,9 23,7 25,8 29, 1 33,3 37,7 41,6 47,1 2 2,2 25 2.4 35 2,6 45 3, 55 3,3 7 3,7 8 3,9 85 4,2 9 4,7 1 5, 1... en c:: < w ::::J..,, N Huomautukset 1) 2) 3) 4) ja 5), katso s. 4.,-.., N w..,, -N en )> CJ1 c.o +:>.