Petri Mikael Kinnunen SUUNNATTU MAASULKUSUOJAUS JA VALOKAARISUOJAUS TEOLLISUUSVERKOSSA

Petri Mikael Kinnunen SUUNNATTU MAASULKUSUOJAUS JA VALOKAARSUOJAUS TEOLLSUUSVERKOSSA Opinnäytetyö KESK-POHJANMAAN AMMATTKORKEAKOULU Sähkötekniikan koulutusohjelma Toukokuu 27

Toimipiste Aika Tekniikan toimipiste, Ylivieska 2.5.27 Koulutusohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn nimi Suunnattu maasulkusuojaus ja valokaarisuojaus teollisuusverkossa Työn ohjaaja automaatioinsinööri Jukka Häkkilä, KemFine Oy Tiivistelmä opinnäytetyöstä Tekijä Petri Mikael Kinnunen Sivumäärä 33+5 liitettä Työn valvoja yliopettaja Jari Halme, Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulu KemFine Oy:n Kokkolan tehtaan keskijännitekojeisto MON-2:n nykyinen johtolähtöjen suojaus on toteutettu yleisesti -8 ja -9 luvuilla valmistetuilla ylivirtareleillä. Suojaukset on toteutettu kaksiportaisesti. Tehtaalla on tarkoitus modernisoida tulevaisuudessa keskijännitejakelun suojausta suunnatuilla maasulkusuojilla sekä valokaarisuojilla. Opinnäytetyössä esitetään pääkohdat siitä, kuinka suunnattu maasulkusuojaus ja valokaarisuojaus toimivat vikatilanteen sattuessa. Lisäksi työssä luodaan katsaus maasulkuvirtojen ja nollajännitteiden laskemiseen erilaisten keskijänniteverkkojen kohdalla. Niin ikään työssä tarkastellaan muutamia suojarelemalleja ja esitetään tulokset siitä, minkälaisilla ratkaisuilla on mahdollista toteuttaa moderni, selektiivinen ja toimiva keskijännitejohtojen suojaus KemFine Oy:lle. Asiasanat suunnattu maasulkusuojaus, valokaarisuojaus

Abstract CENTRAL OSTROBOTHNA Date POLYTECHNC 5.2.27 Degree program Electrical engineering Name of thesis Earth fault protection and arc protection in an industrial network nstructor Automation Engineer Jukka Häkkilä, KemFine Oy Author Petri Mikael Kinnunen Pages 33+5 enclosures Supervisor Jari Halme, Senior lecturer KemFine Oy s present electrical distribution is realized using overcurrent protection. Present relays are produced in 8 s and 9 s. These kinds of relays have 2 current steps and these are regularly used in many factory. Kem- Fine Oy has a plan to improve the protection using earth fault protection and arc protection. This project includes main points on how earth fault protection and arc protection operate. Furthermore, this project includes a mathematical part, which helps to calculate earth fault currents and zero voltages. Also this project includes analyzing and results of what kind of relays KemFine Oy could use to get modern and selective protect to their electrical distribution. Key words earth fault protection, arc protection

ESPUHE Opinnäytetyö on tehty Kokkolan KemFine Oy:n antamasta aiheesta tammi-huhtikuun 27 aikana. Opinnäytetyö on osa KemFine Oy:n keskijännitejohtojen suojausten tulevaa uudistamisratkaisua. Haluan kiittää KemFine Oy:tä mielenkiintoisesta ja antoisasta opinnäytetyöaiheesta. Kiitos myös työn ohjaajalle automaatioinsinööri Jukka Häkkilälle sekä sähkösuunnittelija Markku Martinoffille, jotka työkiireistään huolimatta antoivat hyvää tietoa kohteesta, mikä auttoi työn etenemisessä. Suuri kiitos kuuluu tämän opinnäytetyön valvojalle yliopettaja Jari Halmeelle, jonka hyvät neuvot ja vinkit toivat uutta ilmettä ja asiallisuutta työhön. lman hänen rakentavaa palautetta tämä opinnäytetyö olisi osin erilainen. Vanhemmilleni ja veljelleni kuuluu erityiskiitos kannustamisesta ja tukemisesta työn eri vaiheissa.

SYMBOLLUETTELO A = ampeeri Hz = hertsi km = kilometri kv = kilovoltti s = sekunti C = verkon yhden vaiheen maakapasitanssi C j = johdon yhden vaiheen maakapasitanssi c = maakapasitanssien kautta kulkeva kapasitiivinen virta ej = johdon syöttämä maasulkuvirta suorassa maasulussa ef = vikaresistanssin vaikutuksesta pienentynyt maasulkuvirta efp = vikapaikan virran pätökomponentti C = verkon kapasitiivinen maasulkuvirta suorassa maasulussa f = maasulkuvirta h = havahtumisvirta L = kuristimen virta suorassa maasulussa l = maadoitusinduktanssin kautta kulkeva virta r = nollavirta rj = lähdön häviöiden aiheuttama pätövirta suorassa maasulussa V = taustaverkon syöttämä maasulkuvirta K = kompensointiaste L = kuristimen induktanssi l = pituus L m = maadoituskuristimen induktanssi R = lisävastus R f = maasulun vikaresistanssi

R m = maadoitusresistanssi t = aika U = verkon pääjännite U V = verkon vaihejännite U = nollajännite Kreikkalaiset Ω = vastus ω = kulmataajuus ϕ = vaihesiirtokulma Δ = vaihteluväli

TVSTELMÄ ABSTRACT ESPUHE SYMBOLLUETTELO SSÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 1 2 SUUNNATTU MAASULKUSUOJAUS 2 2.1 Yleistä 2 2.2 Keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmä 2 2.2.1 Maasta erotettu verkko 2 2.2.2 Kompensoitu verkko 3 2.2.3 Resistanssilla maadoitettu verkko 6 2.3 Maasulku 7 2.4 Maasulkureleistyksessä huomioitavia asioita 8 2.4.1 Yleishälytys 1 2.4.2 Maasta erotetun verkon maasulkusuojaus 1 2.4.3 Kompensoidun verkon maasulkusuojaus 12 2.4.4 Maasta erotetun verkon maasulkuvirran ja nollajännitteen laskeminen 13 2.4.5 Kompensoidun verkon maasulkuvirran ja nollajännitteen laskeminen 17 2.5 Suunnatut maasulkureleet 2 2.5.1 Maasulkusuojauksen asettelut johtolähdön suojauksessa 21 2.5.2 Suojareleiden paikalliskäyttö ja kaukokäyttö 23 3 VALOKAARSUOJAUS 25 3.1 Yleistä 25 3.2 Valokaaren aiheuttajat ja niiden ehkäisy 25 3.2.1 Valokaaren syntyminen 26 3.3 Valokaarireleet 26 4 ESMERKKKOHTEEN SUUNNTTELUA 28 4.1 Maasulkusuojauksen toteutus 28 4.2 Valokaarisuojauksen toteutus 3 5 YHTEENVETO 31 LÄHTEET 32 LTTEET

1 1 JOHDANTO Tämä opinnäytetyö sai alkunsa, kun hienokemikaaleja eri teollisuuden aloille valmistava KemFine Oy ilmoitti halukkuudesta saada alustava selvitys suunnatun maasulkusuojauksen ja valokaarisuojauksen toteutuksesta Kokkolan tehtaan keskijännitekojeistoon. KemFine Oy:llä on lähitulevaisuudessa tarkoitus modernisoida keskijännitejohtojen suojausta suunnatuilla maasulkureleillä sekä parantaa keskijännitekojeistojen suojausta valokaarireleistyksellä. Tässä työssä luodaan katsaus muutamiin yleisimmin käytettyihin suunnattuihin maasulkureleisiin sekä valokaarireleisiin, joilla voitaisiin toteuttaa KemFine Oy:llekin selektiivinen ja nykyaikainen keskijännitekojeiston suojareleistys. Työn alkuosassa selvitetään maasulkusuojauksen teoriaa, käyden läpi suunnatun maasulkusuojauksen toimintaperiaate. Lisäksi luodaan katsaus maasulkuvirtojen ja nollajännitteiden laskemiseen maasta erotetun verkon sekä kompensoidun verkon osalta. Niin ikään työssä käydään läpi valokaarisuojauksen teoriaa. Työn loppuosassa esitetään esimerkkilaskelma maasulkusuojauksesta sekä sovelluksia valokaarisuojauksesta. Valokaarisuojauksen sovellusesimerkeiksi on valittu KemFine Oy:n uudistamisratkaisuun sopivia vaihtoehtoja. Loppuosaan on lisäksi liitetty tietoja muutamasta yleisimmin käytetystä maasulkureleestä sekä valokaarireleestä.

2 2 KESKJÄNNTEVERKON MAASULKUSUOJAUS 2.1 Yleistä Keskijänniteverkon maasulkusuojaus riippuu muun muassa siitä, minkälainen on verkossa käytettävä maadoitusjärjestelmä. Maasulkuvirran ollessa riittävän suuri, voidaan käyttää suunnattua maasulkusuojausta. Suunnatulla maasulkusuojauksella saadaan aikaan selektiivinen, johtokohtainen suojaus. 2.2 Keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmä Verkon maadoitusjärjestelmä vaikuttaa siis verkossa käytettävään maasulkusuojaukseen ja sen toteutukseen (Lågland 24, 42). Maadoitusjärjestelmän valintaan vaikuttavat suojareleistyksen herkkyys ja selektiivisyys, maasulkuvirran suuruuden rajoittaminen, vaadittava ylijännitesuojaustaso, transienttisten vaiheylijännitteiden rajoittaminen, turvallisuusnäkökohdat ja sähkönjakelun laatuvaatimukset (Lågland 24, 42). Keskijänniteverkot ovat yleensä maasta erotettuja tai kompensoituja. Seuraavissa kappaleissa luodaan katsaus näihin maadoitusjärjestelmiin. 2.2.1 Maasta erotettu verkko Maasta erotetussa verkossa ainut yhteys maahan, on vain verkon maakapasitanssien kautta. Normaalisti vaiheiden maakapasitanssit ovat samansuuruisia keskenään, joten verkko on symmetrinen maahan nähden. Näin ollen myös vaiheiden jännitteet ovat symmetrisiä maahan nähden. Myös maakapasitanssien kautta, varausvirroista muodostuva järjestelmä on terveessä tilassa symmetrinen.

3 Maasulun sattuessa terveiden vaiheiden vaihejännitteet maahan nähden kasvavat. Epäsymmetrian seurauksena varausvirtojen summa poikkeaa nollasta ja tämä osa varausvirtaa kulkee vikapaikan kautta maahan muodostaen maasulkuvirran. (Hakola 1985, 1) KUVO 1. Maasta erotettu verkko. R = maasulun vikaresistanssi, = maasulkuvirta, C = johdon maakapasitanssi. (Nurma, 5) f f Nykyaikainen selektiivinen hälytys tai selektiivinen laukaisu edellyttää johtokohtaista releistystä. Selektiivinen suojaus voidaan maasta erotetuissa verkoissa toteuttaa johtokohtaisten nollavirtareleiden tai nollajännitteeseen ja nollavirtaan kytkettyjen suuntareleiden avulla. (Mörsky 1993, 328) 2.2.2 Kompensoitu verkko Kompensoidussa verkossa verkon kapasitiivista maasulkuvirtaa kompensoidaan muuntajan tähtipisteeseen kytketyllä kuristimella. Mikäli kompensointiin käytetty kuristin on asennettu sähköasemalle, on kyseessä keskitetty kompensointi (Simonen 26, 23). Kompensointikuristimien sijaitessa verkossa verkoston valituissa kohteissa, tarkoitetaan hajautettua kompensointia (Simonen 26, 23). Kompensointikuristin voi olla joko kiinteä, väliottokytkimellä varustettu tai jatkuvasäätöinen (Kaarlela 22, 2). Nykyisin kompensointikuristimet ovat usein

4 jatkuvasäätöisiä (Kaarlela 22, 2). Jatkuva säätö toteutetaan muuttamalla rautasydämen ilmaväliä, esimerkiksi kauko-ohjauksella tai viritys automatiikalla. (Mörsky 1993, 321) KUVO 2. Kompensoidun järjestelmän yksivaiheinen maasulku. L m = maadoituskuristimen induktanssi, = maadoitusinduktanssin kautta kulkeva virta, R = maasulun vikaresistanssi, l f f = maasulkuvirta, C = johdon maakapasitanssi ja = maakapasitanssien kautta kulkeva c kapasitiivinen virta. (Nurma, 6) Kompensointikuristimen induktanssi mitoitetaan siten, että se kumoaa mahdollisimman hyvin verkossa syntyvän maakapasitanssin (Simonen 26, 24). Kuristin asennetaan aina tähtipisteen ja maan väliin (Simonen 26, 24). Kompensointikuristin aiheuttaa maasulkuvirran vaiheen kääntymisen 9 (Simonen 26, 24). Lisäksi kuristimen rinnalla käytetään usein vastusta. Rinnan kytketyn vastuksen tarkoituksena on suurentaa maasulkuvirran pätökomponenttia, jotta releet tunnistavat sen. Maasulkutilanteessa vastus kytketään vain lyhyeksi aikaa, mikäli vika ei ole poistunut kompensoinnin ansiosta. Keskijänniteverkoissa on vain harvoin muuntajan tähtipiste käytettävissä. Tämän vuoksi joudutaan muodostamaan keinotekoinen tähtipiste. Taloudellisimmin tämä voidaan toteuttaa Z- kytkentäisen maadoitusmuuntajan avulla, jonka tähtipisteeseen kompensointikuristin liitetään. (ABB 2, 7) (www.abb.com)

5 KUVO 3. Maadoitusmuuntajan ja kuristimen kytkentä. Nuolet osoittavat nollavirran kulkusuunnan. Kompensoidussa verkossa ei selektiivistä suojausta voi toteuttaa nollavirtareleillä eikä loistehoon tai -virtaan perustuvilla suuntareleillä, koska kuristimen kautta kulkeva loisvirta sekoittaa tällaisen suojauksen toiminnan. Sen sijaan johtojen nollavirtojen pätökomponentit noudattavat samoja suuntalakeja kuin loisvirtojen loiskomponentit maasta erotetuissa verkoissa. Selektiivinen maasulkusuojaus voidaan siis nytkin järjestää suuntareleiden avulla, mutta releinä on käytettävä nollajärjestelmän pätöteho- tai pätövirtasuuntareleitä. (Mörsky 1993, 334) Kompensoinnilla saavutetaan muun muassa se, että maasulkujen aiheuttamat lyhytaikaiset jakelukeskeytykset vähenevät n. 7 9 %. Maasulkukohdan läheisyydessä kompensoidussa verkossa esiintyvä vaarajännite on pienempi kuin maasta erotettuun verkkoon verrattuna. Valokaari sammuu kompensoidussa verkossa paremmin kuin samalla virralla maasta erotettuun verkkoon verrattuna. Lisäksi katkaisijatoimintojen lukumäärä vähenee, jolloin katkaisijoiden osien ja huollon tarve vähenee. Kompensoinnin suojaava vaikutus ulottuu verkon kaikkiin osiin. Jos verkkoa käytetään maasulkutilanteessa, tehonkulutus pienenee ja kuumeneminen sekä palaminen vähenee vikapaikassa. Kompensoidun verkoston komponenttien vaurioituminen

6 vähenee maasulkuvirran vaikutusajan pienentyessä. Kompensoinnilla saavutetaan myös se, että verkon epäsymmetria voidaan ilmaista herkemmin. Niin ikään terveiden vaiheiden ylijänniterasitus vähenee ja näin ollen maasulun muuttuminen oikosuluksi yksivaiheisessa maasulussa vähenee. Kompensoimiseen liittyy kuitenkin lisäksi epäkohtia. Lyhytkin kuristimen poiskytkentä käytöstä muuttaa maasulkuvirran suuruutta ja vaihekulmaa. Tämä on otettava huomioon releistyksessä ja käytön suunnittelussa. Galvaanisesti yhteen kytketty verkko täytyy olla oikeanlainen, ei liian suuri eikä liian pieni. Virityksen epätarkkuus rajoittaa verkon käyttötilannesovelluksia, joten viritys on pysyttävä sopivissa rajoissa. Lisäksi releistyksen toteuttaminen vaikeutuu maasta erotettuun verkkoon verrattuna. Kompensointi asettaa suuremmat vaatimukset verkon maakapasitanssisymmetrialle, koska muuten nollajännite nousee terveessäkin tilassa liian suureksi. Kompensoitu verkko on kustannuksiltaan kalliimpi maasta erotettuun verkkoon verrattuna. 2.2.3 Resistanssilla maadoitettu verkko Resistanssilla maadoitetussa verkossa resistanssi rajoittaa maasulkuvirtaa ja myös verkossa syntyvien ylijännitteiden suuruutta. Verkon suojauksen on automaattisesti erotettava ensimmäinen maasulkuvika. Pyöriviä koneita syöttävissä verkoissa resistanssi valitaan siten, että maasulkuvirran suuruudeksi tulee 15 5 A. Ylijännitteiden rajoittamiseksi ja yksinkertaisen maasulun indikoinnin vuoksi maasulkuvirran on kuitenkin oltava suurempi kuin kaksi kertaa verkon yhteenlaskettu kapasitiivinen virta. Jakeluverkoissa käytetään suurempia maasulkuvirtoja (1 1 A) antavia resistansseja, jolloin maasulkujen indikointi on helpompaa ja ylijännitteiden rajoittaminen tehokkaampaa. Resistanssilla maadoitettu verkko on hyvä kompromissi pienen maasulkuvirran ja tehokkaan ylijännitteiden rajoittamisen välillä. Suojalaitteet ovat suhteellisen yksinkertaiset ja selektiiviset sekä virta rajoitettu. (Lågland 24, 44)

7 KUVO 4. Maasulkuvirran muodostuminen suurella resistanssilla maadoitetussa verkossa. (ABB 2, 1) (www.abb.com) 2.3 Maasulku Maasulkutilanteessa verkon jännitteinen osa joutuu kosketuksiin maan tai maadoitetun osan kanssa joko suoraan tai resistanssin kautta. Kosketus tapahtuu usein valokaarena. Maasulku ei aina välttämättä aiheuta katkosta sähkönsiirrossa, mutta se saa aikaan vaarallisia käyttötaajuisia ylijännitteitä. Maasulku voi olla yksivaiheinen, kaksoismaasulku tai kaksivaiheinen maaoikosulku. Lisäksi se voi olla myös kuorman puoleisen johtokatkeaman synnyttämä maasulku. Maasulku on ilmiönä erilainen kuin oikosulku. Vikavirran suuruudesta ei voida laskea vikapaikan etäisyyttä sähköasemalta ja vikavirrat ovat usein hyvin pieniä. Maakaapeliverkon vikavirrat ovat kuitenkin suurempia kuin avojohtoverkossa esiintyvät vikavirrat. Vikavirtaa kulkeutuu vikapaikkaan kaikilta sähköaseman lähdöiltä, minkä vuoksi vian paikannus ei onnistu virran suuruuden perusteella (Simonen 26, 21).

8 2.4 Maasulkureleistyksessä huomioitavia asioita Huolella suunnitellun ja hyvin toteutetun maasulkureleistyksen avulla säästytään monilta turhilta sähkökatkoilta tai pitkiltä keskeytyksiltä. Täten seuraavissa kappaleissa käsitellään keskijänniteverkon maasulkusuojauksessa huomioitavia asioita sekä käydään läpi maasulkusuojauksen laskentaperiaatteita. Suunniteltaessa maasulkureleistystä, on verkon ja kytkinlaitoksen osalta otettava huomioon muun muassa: - maasulkuvirta ja se, miten se kehittyy - verkon maadoitusjärjestelmä - onko suojauksien toimintatapa ilman hälytystä laukaiseva vai hälyttävä ja laukaiseva - rengassyötön vaikutus maasulkuvirtaan ja sen jakautumiseen verkossa - mittamuuntajien muuntosuhteet - peräkkäisten suojaportaiden lukumäärä Maasulun hälytys- tai erotuslaitteen on toimittava äärijohtimesta suojamaadoitettuun osaan tapahtuvassa maasulussa, sekä lisäksi yli 1 V järjestelmän muussa äärijohtimen maasulussa, jossa vikaresistanssi on enintään 5 Ω, jos maasulku voi tapahtua myös muuhun kuin suojamaadoitettuun kohteeseen kuten ilmajohdossa (ABB 2, 11) (www.abb.com). On kuitenkin suositeltavaa, että maasulun hälytys- tai erotuslaite toimii vielä mainitun rajan yli niin suureen vikaresistanssiin saakka kuin se teknisesti on mahdollista. Herkkyysvaatimuksena maasulkusuojauksen tulisi havaita vikatilanteet esimerkiksi 3 Ω vikaresistanssiin saakka, joista suojauksen tulisi antaa selektiivinen hälytys. Yksivaiheisen maasulun suojamaadoitettuun osaan aiheuttama maadoitusjännite ei saa yli 1 V kytkinlaitoksessa eikä paikassa, missä ihmisiä usein oleskelee tai liikkuu, aiheuttaa vaarallista kosketusjännitettä. (ABB 2, 11) (www.abb.com)

9 KUVO 5. Lähdön maasulkusuojauksen yleiskaavio (kompensoitu tai maasta erotettu verkko). (ABB 2, 17) (www.abb.com) Maasta erotetussa, kompensoidussa tai suuren resistanssin kautta maadoitetussa verkossa oikosulkusuojaus ei kykene toimimaan yksivaiheisen maasulun tapahtuessa. Tästä syystä verkko tulee varustaa erillisillä maasulkureleillä tai vikavirtasuojakytkimillä. Kaksoismaasulun tapahtuessa kytkinlaitoksen suojaus tulee toimia itsenäisesti ja nopeasti. 2.4.1 Yleishälytys Syntyipä maasulku missä osassa verkkoa tahansa, ilmenee se aina nollajännitteenä. Yleishälytys voidaan siis toteuttaa nollajännitettä valvovan ylijännitereleen avulla. Nollajännitteen avulla voidaan todeta suhteellisen suuriresistanssiset viat laajoissakin verkoissa. (ABB 2, 13) (www.abb.com)

1 Kaapeliverkossa kaapelien suuren maakapasitanssin vuoksi nollajännite pienenee nopeasti verkon laajentuessa, mutta toisaalta kaapeliverkot ovat hyvin symmetrisiä: terveessä tilassa nollajännite saattaa olla vain prosentin osia. (ABB 2, 13) (www.abb.com) 2.4.2 Maasta erotetun verkon maasulkusuojaus Maasulun havainnointiin voidaan käyttää vaihekulmasuuntarelettä, joka mittaa nollajännitettä U ja viallisen lähdön kennon kautta kulkevaa virtaa sekä näiden välistä vaihe-eroa. Puhdas kapasitanssi aiheuttaa virran osoittimeen + 9 vaihesiirron maasta erotetussa järjestelmässä. Ottamalla huomioon vuotovirrat ja johtimien resistanssit, jotka aiheuttavat toleranssin r ± Δ ϕ, saadaan releen kolmanneksi toimintaehdoksi 9 Δ ϕ < ϕ 9 + Δ ϕ. Vaihekulman vaihteluväli on tyypillisesti luokkaa ± 75. (Simonen 26, 23) r Kun nollajännite U, virta ja niiden välinen vaihekulma ϕ tiedetään, voidaan piirtää r osoitindiagrammi vaihekulmasuuntareleelle. Osoitindiagrammista voidaan nähdä releen toiminta-alue ja asetteluarvot. (Simonen 26, 23) KUVO 6. Virtakulmadiagrammi vaihekulmasuuntareleelle maasta erotetussa verkossa. Peruskulmaksi ϕ valitaan 9. h = releen havahtumisvirta. (Simonen 26, 23)

11 Maasta erotetussa verkossa releen peruskulmaksi (karakteristinen kulma) valitaan 9. Numeeriset releet vaihtavat peruskulman automaattisesti kytkennän muuttuessa, mutta peruskulma voidaan kuitenkin asetella tarvittaessa myös paikallisesti tai kaukoasettelun kautta. Säteittäisen maasta erotetun verkon suunnattua suojausta voidaan täydentää nollavirran suuruuteen perustuvalla suuntaamattomalla suojauksella. Kaksoismaasulkutilanteissa suuntaamattomalla suojalla nopeutetaan ja varmistetaan suojauksen toiminta varsinkin silloin, kun vikavirran suuruus jää vikaresistanssin vaikutuksesta pienemmäksi kuin ylivirtasuojien virtaasettelut (ABB 2, 14) (www.abb.com). Lisäksi sopivalla asettelulla suuntaamaton suoja saadaan toimimaan ainoastaan kaksoismaasulkutilanteissa, jolloin saadaan selvä indikaatio vikatyypistä (ABB 2, 14) (www.abb.com). Maasta erotetussa silmukkaverkossa selektiivistä suojausta ei voida saada aikaan pelkkien suuntareleiden avulla. Suuntareleillä voidaan kuitenkin ilmaista, mihin suuntaan maasulkuvirta kulkee, mutta viallista johto-osuutta ne eivät pysty tunnistamaan. Eräs keino, jolla saadaan aikaan selektiivinen suojaus, on jakaa verkko sopivasti säteittäisiin osiin. Toinen tapa on käyttää suuntavertosuojia, jotka vertailevat viestiyhteyden avulla johdon päiden välillä. Jos kummankin johdon pään suuntavertosuoja osoittaa vian olevan johdolla, seuraa laukaisu. Jos verkon maadoitusjärjestelmä on osittain kompensoitu tai resistanssin kautta maadoitettu, voidaan selektiivinen suojaus toteuttaa myös nollavirtaan perustuvalla erovirtasuojauksella. 2.4.3 Kompensoidun verkon maasulkusuojaus Kompensoidussa verkossa suojaus toteutetaan suunnatuilla suojilla, joiden toiminta perustuu maasulkuvirran pätökomponentin suuruuteen ja suuntaan tai vaihtoehtoisesti kulmamittausperiaatteeseen, joka on aivan vastaavanlainen kuin maasta erotetussa verkossa. Jos kompensoitu verkko on suppea, saattaa maasulkuvirran pätökomponentti jäädä niin pieneksi, ettei maasulkuvirran suuntaa voida luotettavasti määrittää. Varsinkin jos nollavirran mittauksessa käytetään summakytkentää tai laskennallista summamittausta, täytyy pätökom-

12 ponenttia kasvattaa kytkemällä kompensointikuristimen rinnalle aiemmin mainittu, maasulkuvirran pätökomponenttia kasvattava lisävastus. Kompensoidun verkon viat ovat usein luonteeltaan toistuvia (uudelleensyttyminen), mikä on huomioitava suojalaitteiden suunnittelussa. Kompensoidussa verkossa releen peruskulmaksi ϕ valitaan. Mikäli kompensoidun verkon kuristimen induktiivinen reaktanssi on yhtä suuri kuin maakapasitanssien muodostama kapasitiivinen reaktanssi, kulkee yksivaiheisessa maasulussa vikapaikan kautta vain jäännösvirta. Vikavirran kulkusuunnat on esitetty kuviossa 3. Tämä jäännösvirta muodostuu kuristimen ja verkon häviöistä sekä mahdollisen kuristimen toisiovastuksen aiheuttamasta pätövirrasta sekä yliaalloista. Käytännössä tämä virta on yleensä niin pieni, että valokaarimaasulut sammuvat itsestään. KUVO 7. Sammutetun verkon virtakulmadiagrammi vaihekulmasuuntareleelle. Suojareleen peruskulmaksiϕ valitaan. (Simonen 26, 24) Kompensoiduissa verkoissa esiintyy terveessäkin tilassa vaiheiden maakapasitanssien epäsymmetriasta johtuva nollajännite. Koska kompensointikuristimen ja maakapasitanssien resonanssitaajuus on 5 Hz, saattaa nollajännite muodostua huomattavaksikin. Vuorottelemattomissa 1 ja 2 kv verkoissa saattaa terveen tilan suhteellinen nollajännite olla jopa kymmeniä

13 prosentteja. Nollajännitettä voidaan pienentää haluttaessa tähtipistevastuksella, mutta parempi keino on symmetrisoida eri vaiheiden maakapasitanssit. (Mörsky 1993, 319) 2.4.4 Maasta erotetun verkon maasulkuvirran ja nollajännitteen laskeminen Maasta erotetun verkon maasulkulaskenta aloitetaan selvittämällä sähköaseman lähtöjen pituudet, sisältäen myös mahdolliset ilmajohto-osuudet sekä syöttöjohtojen tyypit. Kaapelin johtimien ja maan välinen maakapasitanssi riippuu kaapelityypistä, eristysaineesta, johtimien poikkipinnasta sekä lämpötilasta (Mörsky 1993, 34). Näitä kaapeleille ominaisia maakapasitanssiarvoja on saatavissa valmistajilta tai kirjallisuudesta, mukaan lukien nternet. Johtimien pienten etäisyyksien valmistusprosessien ja raaka-aineiden jatkuvan kehittymisen vuoksi samankin valmistajan kaapelien maakapasitanssit vaihtelevat varsin laajoissa rajoissa (Mörsky 1993, 34). Kun lähtöjen maakapasitanssiarvot ovat tiedossa, voidaan todeta yhteen laskettu maakapasitanssi, joka on maasulkuvirran suuruuden kannalta määräävä tekijä. Toinen määräävä tekijä on mahdollisen vikaresistanssin suuruus. Vikapaikassa viallisesta vaiheesta maahan kulkeutuvan maasulkuvirran itseisarvo vikaresistanssittomassa maasulussa voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 1) (www.abb.com) e = 3ωC U, missä (1) C = verkon yhden vaiheen maakapasitanssi U = verkon pääjännite ω = 2 πf

14 Avojohtoverkoille riittävän tarkka maasulkuvirta voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 1) (www.abb.com) U l e [A], missä (2) 3 U = verkon pääjännite [kv] l = galvaanisesti yhteen kytketyn verkon pituus [km] Vikaresistanssin vaikutuksesta pienentynyt maasulkuvirta voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 2) (www.abb.com) ef 3ωC = U, missä (3) 2 1+ (3ωC R ) f C = verkon yhden vaiheen maakapasitanssi R f = vikaresistanssi U = verkon pääjännite Lauseke 3 voidaan ilmoittaa myös muodossa: (ABB 2, 2) (www.abb.com) e ef = (4) 2 3 1+ e R f U Erilaisille kaapeleille on olemassa lisäksi valmiiksi laadittuja maasulkuvirtataulukoitakin, joita käyttämällä maasulkuvirtojen määrittäminen on huomattavasti nopeampaa. Valmiita taulukoita löytyy yleisesti muun muassa kaapelivalmistajien nternet sivuilta.

15 TAULUKKO 1. Esimerkki nternetistä saatavasta kaapelikohtaisesta maasulkuvirtataulukosta. ABB (2, 3) taulukkoa mukaillen. (www.abb.com) Edellisillä lausekkeilla voidaan laskea siis vikapaikassa kulkeva maasulkuvirta. Maasulussa olevan johdon syöttöpään vaihevirtojen summa eli taustaverkon syöttämä maasulkuvirta ei sisällä johdon omien maakapasitanssien kautta kulkevaa osaa maasulkuvirrasta. Taustaverkon syöttämä maasulkuvirta voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 4) (www.abb.com) V C C j = ef C, missä (5) C j = suojattavan johdon yhden vaiheen maakapasitanssi C = verkon yhden vaiheen maakapasitanssi Sama taustaverkon syöttämä maasulkuvirta voidaan laskea myös seuraavalla lausekkeella, jos tiedossa on kunkin johdon itsensä syöttämä maasulkuvirta suorassa, vikaresistanssittomassa maasulussa: (ABB 2, 4) (www.abb.com)

16 e ej V = ef, missä (6) e e = verkon kokonaismaasulkuvirta suorassa maasulussa ej = johdon syöttämä maasulkuvirta suorassa maasulussa ef = vikaresistanssin vaikutuksesta pienentynyt maasulkuvirta Mikäli maasulkusuojalta halutaan suurta herkkyyttä, on virta-asettelut määritettävä suppeimman verkkotilanteen mukaan. Tällöin maasulkuvirta on pienin mahdollinen ja näin ollen virtaasettelujen kannalta on pahin tilanne. Maasulkutilanteessa maasulkuvirran aiheuttaman jännite-epäsymmetrian vaikutuksesta verkon tähtipisteen potentiaali poikkeaa maan potentiaalista ja näin ollen syntyy nollajännite. Nollajännite voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 5) (www.abb.com) U 1 = ef (7) 3ωC Nollajännitteen lauseke voidaan kirjoittaa myös muotoon: (ABB 2, 5) (www.abb.com) U U V = 1+ 1 3 U e R f 2, missä (8) e = tarkasteluhetkellä koko galvaanisesti yhteen kytketyn verkon maasulkuvirta suorassa maasulussa R = vikaresistanssi f U = verkon pääjännite U = verkon vaihejännite V Suunnatun suojan nollajännite-ehdon kannalta on pahin tilanne, kun verkko on laajin mahdollinen ja vikaresistanssi herkkyysvaatimuksen mukainen 3 Ω. Tällöin nollajännite on pienin. (ABB 2, 22) (www.abb.com)

17 Lisäksi täytyy selvittää, onko lähtöjen jakelumuuntamoiden suojamaadoitus yhdistetty alajännitepuolen käyttömaadoituksen kanssa, ja mikäli on, täytyy maadoitusresistanssi olla tiedossa tehtäessä maasulkulaskentoja. Turvallisuusmääräysten mukaisesti jakelumuuntamolla, jossa maadoitukset on yhdistetty alajännitepuolen kanssa, on maadoitusjännitteen suurin sallittu jatkuvan tilan arvo 1 V. Mikäli tämä jännitearvo ylittyy, on maasulku kytkettävä pois vähintään ajassa: (ABB 2, 21) (www.abb.com) 2 5 t = [s], missä (9) R m e R m = maadoitusresistanssi [Ω] = maasulkuvirta [A] e 2.4.5 Kompensoidun verkon maasulkuvirran ja nollajännitteen laskeminen Verkon kompensointi voidaan toteuttaa joko keskitetysti tai hajautetusti. Hajautetussa kompensoinnissa johdon varrelle sijoitettu kuristin mitoitetaan sen mukaan, mikä on kyseisen johdon tuottama kapasitiivinen maasulkuvirta. Yleisesti hajautetun kompensoinnin yhteydessä vain osa verkon maasulkuvirrasta kompensoidaan siten, että yksittäiset johdot eivät missään verkkotilanteessa tule ylikompensoiduiksi. Kompensoinnin määrää kuvataan kompensointiasteella. Jos lausekkeen 1 arvo on yksi tai lähellä sitä, on verkko täysin kompensoitu eli sammutettu. Verkko on ylikompensoitu arvon ollessa suurempi kuin yksi, ja vastaavasti alikompensoitu arvon ollessa pienempi kuin yksi. (ABB 2, 7) (www.abb.com) L K =, missä (1) C C = verkon kapasitiivinen maasulkuvirta suorassa maasulussa

18 L = kuristimen virta suorassa maasulussa Kompensoidussa verkossa yksivaiheisen maasulun aikana suurin osa vikavirrasta kulkee siis kuristimen kautta ja maasulkupaikan läpi kulkee vain kuristimen epävireydestä johtuva jäännösvirta. Koska kuristimen induktiivinen virta kompensoi maakapasitanssin läpi kulkevaa kapasitiivista virtaa, jää maasulkuvirraksi vain pieni osa vastaavan maasta erotetun verkon maasulkuvirrasta. Vikapaikan maasulkuvirran itseisarvo voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 8) (www.abb.com) ( ) 3 1 3 1 3 1 2 2 2 2 2 2 U L C R R R R L C R f f ef + + + = ω ω ω ω, missä (11) L = kuristimen induktanssi R = kompensointikuristimen ja verkon häviöitä vastaavan resistanssin sekä mahdollisen kuristimen toisioresistanssin tähtipisteeseen redusoitu kokonaisresistanssi f R = vikaresistanssi Nollajännitteen itseisarvo voidaan puolestaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 8) (www.abb.com) ef o L C R U 2 2 1 3 1 1 + = ω ω (12) Mikäli verkko on täysin kompensoitu, maasulkuvirran lauseke sievenee huomattavasti yksinkertaisemmaksi: (ABB 2, 8) (www.abb.com) 3 1 U R R f ef + = (13)

19 Nollajännitteen lauseke sievenee täysin kompensoidun verkon tapauksessa muotoon: (ABB 2, 9) (www.abb.com) U U = R R + V R f (14) Lähtöjen suojausta tarkasteltaessa on usein hyvä määrittää vaihevirtojen summan sisältämä pätökomponentti. Vikapaikan virran pätökomponentin suuruus voidaan laskea likimääräisesti käyttämällä seuraavaa lauseketta: (ABB 2, 9) (www.abb.com) efp = ( R + R ) f 2 1 2 2 + R f R 3ωC 1 ωl 2 U 3 (15) Edellä olevien lausekkeiden avulla laskettu virta on vikapaikassa viallisesta vaiheesta maahan kulkeva virta. Maasulussa olevan johdon syöttöpään vaihevirtojen summavirran suuruuteen ja vaihekulmaan vaikuttaa lisäksi johdon omien maakapasitanssien ja vuotohäviöresistanssien kautta kulkeva osa maasulkuvirrasta. (ABB 2, 9) (www.abb.com) Vaihevirtojen summan suuruus voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 9) (www.abb.com) V = 2 ( 1 K ) ) + ( ) e ej (( 1 K ) ) e 2 r + 2 r rj 2 ef, missä (16) e = verkon kapasitiivinen kokonaismaasulkuvirta suorassa maasulussa ej = johdon syöttämä kapasitiivinen maasulkuvirta suorassa maasulussa K = kompensointiaste r = kompensointikuristimen ja verkon häviöiden sekä mahdollisen kuristimen toisioresistanssin aiheuttama pätövirta suorassa maasulussa rj = lähdön häviöiden aiheuttama pätövirta suorassa maasulussa ef = vikaresistanssin aiheuttama pienentynyt maasulkuvirta

2 Vaihekulma negatiivisena otettuun nollajännitteeseen ( U ) nähden voidaan laskea lausekkeella: (ABB 2, 9) (www.abb.com) ( 1 K ) e ej ϕ = arctan (17) r rj 2.5 Suunnatut maasulkureleet Suunnattua maasulkusuojausta käytetään yleisesti verkoissa, joissa tarvitaan herkkää maasulkusuojaa ja joissa rakenne ja johtolähtöjen pituudet vaihtelevat. Yleisesti releet sijoitetaan suojaamaan päämuuntajaa, kiskostoa ja johtolähtöjä. Vaihekulmasuuntareleet mittaavat nollapistejännitettä ja viallisen lähdön kautta kulkevan virran itseisarvoa. Vaihekulmasuuntareleet mittaavat lisäksi nollapistejännitteen ja vaihevirtojen välistä vaihe-eroa, jonka perusteella saadaan selville viallinen johtolähtö. Seuraavissa kappaleissa keskitytään johtolähtöjen suojaukseen tarkoitettuihin maasulkurelemalleihin. Nykyisin, kun vanhoja sähköasemia uudistetaan tai kun tehdään uusia, suojareleinä käytetään usein moderneja kennoterminaaleja, jotka sisältävät monenlaisia suojaus-, mittaus-, valvontaja ohjaustoimintoja. Kuviossa 8 esitetään eräs nykyaikaisista suojareleistä. KUVO 8. ABB:n valmistama kennoterminaali REF 543. (ABB 25) (www.abb.com)

21 Suuntareleiden suurena etuna nollavirtareleisiin verrattuna on niiden asettelujen riippumattomuus johtojen pituuksista varsin laajalle alueelle. Tästä syystä suuntareleet säilyttävät selektiivisyytensä ilman asettelujen muutoksia myös esimerkiksi käytettäessä varasyöttöä. Suuntareleen oikean toiminnan ehtona on, että virtamuuntajista katsottuna verkon puolella on riittävästi maakapasitanssia releen havahtumiskynnyksen ylittävän nollavirran aikaansaamiseksi. (Mörsky 1993, 33-331) Numeeriset releet sisältävät usein myös itsevalvontajärjestelmän, joka tarkkailee jatkuvasti elektroniikan ja mikroprosessorin toimintaa ja todettuaan pysyvän vian releessä, antaa ohjauksen hälytykselle. tsevalvontajärjestelmän ansiosta aiheettomien toimintojen todennäköisyys pienenee. Liitteessä 2 esitetään tietoja tällä hetkellä markkinoilla olevista suunnatuista maasulkusuojista. Näiden suojareleiden avulla on mahdollista toteuttaa moderni, selektiivinen ja toimiva keskijännitejohtojen suojaus KemFine Oy:lle. 2.5.1 Maasulkusuojauksen asettelut johtolähdön suojauksessa Suunnatun maasulkusuojauksen asettelut ja toimintaehdot tehdään aina sen mukaan, minkälainen kohde on suojattavana. Johtolähdön suojaus voidaan toteuttaa kaksiportaisena siten, että suojareleen alemman toimintaportaan ϕ > havahtuminen toimii ainoastaan hälyttävänä ja ylemmän toimintaportaan ϕ >> havahtuminen laukaisevana toimintona. Laukaisun virtaasettelu tehdään sen mukaan, mikä on virta-asettelun kannalta pahin verkkotilanne. Sama asetteluperiaate pätee myös nollajännite-ehtoon.

22 KUVO 9. Suunnatun maasulkureleen asettelut. SH = syötön laukaisu, L = lähdön laukaisu ABB (2, 24) kuviota mukaillen. (www.abb.com) Asetteluihin vaikuttaa oleellisesti myös herkkyysvaatimus, mikä muodostuu sen mukaan, minkä suuruiset vikaresistanssit halutaan havaita. Suunnatun maasulkureleen toimintakarakteristika valitaan maadoitusjärjestelmän mukaan. Virta-asettelujen kannalta pahin tilanne syntyy, kun verkkotilanne on suppein mahdollinen ja herkkyysvaatimus on suuri. Tällaisessa tilanteessa maasulkuvirta on pienen mahdollinen. Nollajännite-ehdon kannalta pahin mahdollinen tilanne syntyy silloin kun verkkotilanne on laajin mahdollinen ja herkkyysvaatimus suuri. Tällöin nollajännite on pienen mahdollinen. Hälytyksen ja laukaisun toimintaviiveet valitaan sen mukaan, kuinka nopeasti suojan tulee toimia erilaisissa verkkotilanteissa. Toimintaviiveitä aseteltaessa tulee ottaa huomioon katkasijasta aiheutuva toimintaviive. Liitteissä 3, 4 ja 5 esitetään teknisiä tietoja ABB REF 543 kennoterminaalin alemmasta ja ylemmästä toimintaportaasta.

23 2.5.2 Suojareleiden paikalliskäyttö ja kaukokayttö Sähköasemilta kerätään paljon erilaista tietoa sähkönjakeluverkosta ja sähköasemasta paikallis- ja kaukokäyttöjärjestelmille. Suojareleiden, ohjausyksiköiden ja hälytyskeskuksien kautta saadaan käyttöjärjestelmille muun muassa seuraavia tietoja: - aikaleimatut tapahtumatiedot - sähköisten suureiden mittaustiedot - asennonosoitustiedot kytkinlaitteilta - hälytystiedot - digitaalisisääntulojen arvot - häiriötilanteissa rekisteröidyt tiedot - laitteiden asettelu- ja parametritiedot Paikallis- ja kaukokäyttöjärjestelmällä voidaan puolestaan lähettää yksiköille muun muassa seuraavia tietoja: - ohjauskomentoja - laitteiden asettelu- ja parametritietoja - aikasynkronointisanomia Kaukokäyttöjärjestelmät muodostavat mahdollisimman reaaliaikaisen liitynnän jakeluprosessin tärkeimpiin osiin. Kaukokäyttöjärjestelmille ominaisimpia kehityspiirteitä ovat integraatio ja laajeneminen. Kaukokäyttö liittyy yhä kiinteämmin muihin järjestelmiin, kuten relesuojauksen paikalliseen ohjauskeskukseen sekä verkostoerottimien ja kuormituksen ohjausjärjestelmään. Laajeneminen tarkoittaa sitä, että kaukokäytön piiriin tulee yhä uusia tietoja, esim. paikallisia sääasemia. (ABB 2, 5) (www.abb.com) Kaukokäytön suurin etu on juuri se, ettei releen toimintoja tarvitse käydä muuttamassa sähköasemalla, vaan muutoksia voidaan tehdä valvomosta saakka. Tällä tavoin säästetään monesti paljon aikaa, joka on tärkeää varsinkin vikatilanteiden sattuessa. Kaikkia muutoksia ei voida

24 kuitenkaan aina tehdä kaukokäytön kautta, tällöin kyseeseen tulee paikalliskäyttö. Suojareleiden toimintoja voidaan paikalliskäytössä muuttaa joko releen omilla painikkeilla tai tietokoneen avulla, joka liitetään suojareleessä sijaitsevaan sarjaliikenneporttiin. Suojareleet ovat hyvin yhteensopivia monenlaisten tiedonsiirtoprotokollien kanssa. Tämä helpottaa suojareleiden ja valvontalaitteiden sovittamisen toimivaksi kokonaisuudeksi. Tiedonsiirtoprotokollat mahdollistavat erilaisten tietojen siirtämisen. Yleisesti käytössä olevat tiedonsiirtoprotokollat ovat esimerkiksi EC 687-5-13, SPABus, ModBus, ProfiBus tai ModBus TCP. Näistä ProfiBus ja ModBus TCP ovat usein käytössä teollisuussovelluksissa. Kuviossa 1 esitetään releiden ja valvontalaitteiden välinen tiedonsiirto. KUVO 1. Suojareleiden ja valvontalaitteiden välinen tiedonsiirto. (VAMP-Esite) (www.vamp.fi)

25 3 VALOKAARSUOJAUS 3.1 Yleistä Valokaarivaurio kojeiston sisällä on pahin onnettomuus, joka voi sähkönjakelua tai sähkökäyttöjä kohdata. Valokaaret aiheuttavat aina vakavia aineellisia vahinkoja. Pahimmassa tilanteessa valokaaret aiheuttavat hengen vaaraa tai jopa kuolemia käyttö- ja huoltohenkilöstölle. 3.2 Valokaaren aiheuttajat ja niiden ehkäisy Valokaari voi syntyä esimerkiksi eristysvian, laitteen virheellisen toiminnan, väärien väylä tai kaapeliliitosten, ylijännitteen, syöpymisen, likaantumisen, kosteuden, ferroresonanssin (mittamuuntajat) ja jopa sähköisen kuormituksen aiheuttaman vanhenemisen seurauksena. Useimmat näistä tekijöistä voidaan ehkäistä asianmukaisella huollolla. Varotoimenpiteistä huolimatta inhimilliset erehdykset voivat johtaa valokaarivikoihin. Näitä vikoja varten valokaaren vaikutuksia pyritään minimoimaan valokaarisuojauksilla, joilla se havaitaan ja eliminoidaan turvallisen ajan kuluessa. (ABB 24, 3) (www.abb.com) KUVO 11. Valokaaren aiheuttamia onnettomuuksia. (VAMP-Esite) (www.vamp.fi)

26 3.2.1 Valokaaren syntyminen Valokaari on fysikaalinen ilmiö, joka syntyy, kun kahden elektrodin välinen jännite on riittävän suuri, että sähkövirta purkautuu elektrodien välisen normaalisti sähköä johtamattoman materiaalin kuten ilman halki. lma kuumenee ja ionisoituu, mikä nähdään valokaarena. Valokaari voi sytyttää palamaan kaasuja ja hiukkasia. (Wikipedia) (fi.wikipedia.org) 3.3 Valokaarireleet Kiskostoissa ja kojeistoissa esiintyvät oikosulut ovat useimmiten valokaarivikoja. Tämän vuoksi valokaarireleet soveltuvat hyvin kiskostojen ja kojeistojen oikosulkusuojaksi. Valokaarireleet ovat erittäin nopeita, valokaari indikoidaan jo muutamassa millisekunnissa. Tarpeettomien toimintojen estämiseksi valokaarireleen yhteydessä käytetään virtaehtoa, joka hiukan hidastaa toimintaa, kuitenkin suojauksen toiminta-aika jää reilusti alle 1 ms. Toiminta-ajan pituuteen vaikuttaa lähinnä katkaisijan hitaus. (Hakola 199, 5) Valokaarireleiden haittana on lähinnä anturien sijoittaminen. Jos kojeisto on rakenteellisesti jaettu useaan erilliseen kennoon, joudutaan vaikeimmassa tilanteessa jokaiseen kennoon asentamaan oma anturi, jolloin suojauksen hinta luonnollisesti nousee verrattuna siihen, jos yhdellä anturilla voitaisiin suojata suurempi tila. Toisaalta kojeiston kennorakenne itsessään estää valokaaren leviämisen. Yleisimmillään tällainen tilanne, jossa jokaiseen kennoon joudutaan sijoittamaan oma, linssityyppinen anturi, tulee kysymykseen silloin, kun vanhaa kojeistoa uudistetaan. Uutta kojeistoa tehtäessä, voidaan käyttää paljasrakenteista kuitukaapelisensoria, joka havaitsee valoa koko kuidun matkalla. Tällainen kuitukaapelisensori mahdollistaa suuremman tilan silmukkamaisen suojauksen yhdellä sensorilla. Kuitukaapelisensori on ABB:n patentoima. Valokaarirelettä tulisi käyttää aina sellaisten kojeistojen yhteydessä, joissa valokaari pääsee vapaasti leviämään (Hakola 199, 5).

27 Valokaarireleet sisältävät usein itsevalvontajärjestelmän samoin toimintaperiaattein kuin maasulkureleetkin, eli kun valvontajärjestelmä havaitsee pysyvän vian releessä, se antaa hälytyksen. Valokaaren kirkkaus on kymmeniä tuhansia lukseja verrattuna normaaliin omakotitalo- tai konttorivalaistukseen, joka on 2-5 luksia. Sensoreiden havainnointikyky on riippuvainen monista tekijöistä, kuten valolähteen energiasta, kuidun pituudesta, heijastuskyvystä ja taustavalon kompensointiasettelusta, minkä takia määrittely on usein vaikeaa. Releiden valmistajat käyttävät valokaarisuojauksen kehittelyssä usein apuna normaaleita kamerasalamoita. Esimerkiksi ABB tutkii ja testaa keskijännitekojeistojen valokaarisuojausta kamerasalamoiden avulla. Kuitukaapelisensoreita käyttäessä valon tulokulmalla ei ole merkitystä toisin kuin jos käytetään linssisensoria. Linssityyppisissä sensoreissa on tietty toimintasektori, joka eroaa valmistajien kesken. Tällainen toimintasektorin rajallisuus asettaa siis tiettyjä vaatimuksia sensorin asentamiselle. Esimerkiksi ABB:n linssisensorin toimintasektori on normaalisti +13. Käytännön sovelluksissa valoa heijastuu kuitenkin myös kennon seinistä, joten havainnointikulma ei tästä syystä ole silti kovin kriittinen. Valmistajat ilmoittavat yleisesti toimintasektorin mukaan kiskojärjestelmäsuojauksessa sensoreille tiettyä asennusetäisyyttä toisistaan. KUVO 12. ABB:n valmistama valokaarirele REA 11 sekä laajennusyksiköt REA 13, 15 sekä 17. (ABB 24) (www.abb.com)

28 4 ESMERKKKOHTEEN SUUNNTTELU 4.1 Maasulkusuojauksen toteutus Seuraavissa kohdissa esitetään maasta erotetun verkon maasulkusuojauksen asetteluarvolaskelmia. Esimerkkilaskun varsinaiset laskutoimitukset on tehty liitteeseen 1. Esimerkkilaskelmiin on osittain käytetty KemFine Oy:ltä saatuja tietoja, mutta osa tiedoista on kuitenkin jouduttu päättämään itse. Laskut on suoritettu käyttäen samoja periaatteita, joita aiemmin työssä käytiin läpi. Maasulkusuojauksen asettelut on pyritty saamaan mahdollisimman todellisiksi ja näin ollen sellaisiksi, että ne havainnollistaisi mahdollisimman hyvin maasta erotetun verkon releasetteluiden periaatteet. Maasta erotetun 2 kv aseman maasulkusuojaus on suunniteltu toteutettavaksi kuudelle johtolähdölle. Määritetään virtojen pienimmät arvot, joilla suojauksen tulee toimia. Kunkin lähdön kaapelilaji on AHXCMKM 3 12 mm 2. Kyseisen kaapelin maasulkuvirta on 2,3 A/km. Lähtöjen pituudet ovat 216 m, 13 m, 19 m, 15 m, 11 m, 13 m. Suojauksen tulee toimia selektiivisesti, vaikka pisin lähtö on poissa käytöstä. Lisäksi suojauksen tulee toimia 3 Ω vikaresistanssiin asti. Taulukkoon 2 on laskettu kunkin kaapelin maakapasitanssin kautta kulkevan maasulkuvirran suuruus suorassa maasulussa. Kaapelin syöttämä maasulkuvirta on laskettu kertomalla kaapelin maasulkuvirta kaapelin pituudella. Pienimmäksi vikaresistanssiksi valitaan 5 Ω, jolla suojauksen tulee vielä toimia. Lausekkeella (6) saadaan laskettua lähtöjen syöttöpäässä mitattavissa olevat pienimmät virran arvot, joilla releiden tulee toimia vikatilanteen sattuessa.

29 TAULUKKO 2. Lähtöjen aiheuttamat maasulkuvirrat sekä pienimmät virrat, joilla suojareleiden tulee toimia Lähtö n:o ej [A] V min Pituus [m] 1 216,5 1,25 2 13,3,95 3 19,25 1, 4 15,24 1, 5 11,23 1,2 6 13,24 1, 764 1,76 [A] Lähtöjen synnyttämät maasulkuvirtojen summa on 1,26 A, kun pisin lähtö ei ole kytkettynä. Valitaan pienimmäksi vikaresistanssin arvoksi edellä mainittu 5 Ω. Lausekkeesta (4) voidaan laskea, että 5 Ω vikaresistanssin vaikutuksesta virta pienenee vähän arvoon 1,25 A. Virran arvo olisi ollut sitä pienempi, mitä pitempi kyseessä oleva pisin lähtö olisi ollut. Lausekkeen ( 6 ) avulla lasketaan pienimmät lähtöjen syöttöpäässä mitattavissa olevat virrat V min, joilla suojauksen tulee toimia. Maasulkuvirtojen summa on 1,76 A, kun pisinkin lähtö on kytkettynä. 5 Ω vikaresistanssin vaikutuksesta virta pienenee arvoon 1,75 A ja releen minimitoimintavirraksi saadaan 1,25 A. Virta-arvoja laskettaessa verkon jännitearvona on käytetty 2 kv. Normaalisti verkon jännite voi vaihdella ± 5 %, joten tästä syystä ja lisäksi laskenta- ja mittaustarkkuus huomioon ottaen, releen toimintaan vaadittava minimivirta tulisi olla noin 2 % suurempi kuin johtolähdön itsensä syöttämä maasulkuvirta, jotta virtaselektiivisyys täyttyisi (ABB 2, 21) ( www.abb.com). Tässä esimerkissä jokainen lähtö täyttää tämän 2 % kriteerin. Tässä esimerkissä hälytykseen käytetään nollajännitettä mittaavaa jänniterelettä. Lausekkeesta (8) saadaan 3 Ω ja 1,76 A vastaavaksi nollajänniteasetteluksi 52 %.

3 4.2 Valokaarisuojauksen toteutus Seuraavissa kohdissa esitetään esimerkkejä valokaarisuojauksen sovelluksista. Sovellusten lähtökohtana on antaa kuva siitä, millä tavoin KemFine Oy:n valokaarisuojaus voitaisiin toteuttaa. Sovellusten releet ovat samoja, joiden tyyppi- ja hintatiedot ovat kerätty liitteeseen 2. Kuviossa 13 esitetään kaksi erillistä sovellusta, jotka molemmat sopisivat vanhan kojeiston uudistamisratkaisuksi. Vasemman puolen sovelluksessa laajennusyksikön linssisensorit suojaavat johtolähtöjen katkaisijakennot, kaapelipäät ja kiskostokennot. Pääyksikön linssisensori suojaa syöttöjohdon katkaisijan. Laukaisun jälkeen joko pääyksikköreleen tai laajennusyksikköreleen toimintamerkistä nähdään, missä vika oli havaittu. Oikean puolen sovellus on toteutettu hieman suurempaan katkaisijakennostoon. Suojaus on muutoin samankaltainen kuin vasemman puoleinen, mutta osa kennoston suojauksista on toteutettu silmukkamaisilla valokuitusensoreilla. KUVO 13. Sovelluksia valokaarisuojauksesta. (ABB 24, 3 ja 33) (www.abb.com)

31 5 YHTEENVETO Opinnäytetyön tavoitteena oli antaa selkeä kuva siitä, miten suunnattu maasulkusuojaus toimii ja mitä asioita täytyy ottaa huomioon maasulkusuojauksen suunnittelussa. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, minkälaisia suunnattuja maasulkureleitä ja valokaarireleitä tämän hetken markkinoilta löytyy, ja minkälaiset releet soveltuisivat KemFine Oy:n tapaukseen. Niin ikään pyrkimys oli käydä mahdollisimman selkeästi läpi maasulkuvirtojen ja nollajännitteiden laskentaperiaatteet erilaisten keskijänniteverkkojen maadoitusjärjestelmien kohdalla, ja antaa mahdollisimman hyvä kuva siitä, kuinka johtolähdön releasettelut tehdään laskelmien pohjalta. Toisen kappaleen maasulkusuojauksen teoria oli lopulta suhteellisen helppo toteuttaa, koska jos mietitään koko maasulkusuojausta keksintönä, niin se ei ole kovinkaan tuore keksintö. Monet maasulkusuojaukseen liittyvät asiat on kehitetty ja keksitty osaksi jo vuosikymmeniä sitten, joten siinä mielessä osasi jo etukäteen ennen opinnäytetyön aloittamista arvioida, että aineistoa tulisi ainakin löytymään työtä varten. Lisäksi nykyisin, kun uusi tekniikka kehittyy jatkuvasti, ja koska tieto leviää sähköisessä muodossa internetin kautta valtavan nopeasti, oli uuttakin tietoa helppo saada. Kolmannen kappaleen valokaarisuojauksen teoriaa varten tarvittava aineisto löytyi myös melko vaivattomasti. Valokaarisuojaus on kuitenkin aiheena sen verran suppeampi ja yksiselitteisempi, ettei sen selvittämiseen tarvita niin paljon tekstiä kuin maasulkusuojauksen. KemFine Oy:n tulevaisuuden suojarelehankintoja ajatellen suosittelisin VAMP:in kennoterminaaleja. Tähän tulokseen päädyin siitä syystä, koska kyseessä on vanhan kojeiston modernisointi, on valokaarisuojauksessa järkevämpi käyttää linssisensoria. Näin ollen tällainen sensoriratkaisu löytyy VAMP:ilta huomattavasti edullisemmin kuin esimerkiksi ABB:lta, kun tarkastellaan suojareleiden yksikköhintoja. Lisäksi VAMP:in kennoterminalit sisältävät kaikenlaiset toiminnot, mitä keskijännitekojeiston suojaukseen tarvitaan.

32 LÄHTEET Julkaistut lähteet Hakola Tapio, Maasulkusuojaus. 1985. Hakola Tapio, Oikosulkusuojaus. 199. Mörsky Jorma, Relesuojaustekniikka. 1993. SBN 951-672-175-3 Sähköiset julkaisut ABB, Maasulkusuojaus, TTT-käsikirja, Luku 8. 2. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www2.abb.com/global/fiabb/fiabb255.nsf/viewunid/c46d559d325d21ac225695b 2FB7B/$file/8_7.pdf Luettu 1.1.27 ABB, Sähkönjakeluverkon automaatio, TTT-käsikirja, Luku 15. 2. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www2.abb.com/global/fiabb/fiabb255.nsf/viewunid/c46d559d325d21ac225695b 2FB7B/$file/15_7.pdf Luettu 1.1.27 ABB, Kennoterminaali REF 541, 543, 545, Ostajan opas. 25. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://library.abb.com/global/scot/scot229.nsf/veritydisplay/6d3ce59146a41e2ac 2256FBD45888F/$File/ref54_tobFa.pdf Luettu 19.1.27 ABB, Valokaarisuojaus, Ostajan opas, REA 1. 24. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://library.abb.com/global/scot/scot229.nsf/veritydisplay/aeb64545b3f35cbc 2256F544CE34/$File/rea11_tobFa.pdf Luettu 15.1.27 ABB, Valokaarisuojaus, REA 11, Asennus- ja käyttöohje. 24. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://library.abb.com/global/scot/scot229.nsf/veritydisplay/9f6a5596322cc22 56EF233DFF7/$File/REA11Fd.pdf Luettu 15.1.27 ABB, Tuotteet ja järjestelmät sähkönjakeluverkon suojaukseen ja automaatioon, Myynti-esite. 24. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www2.abb.com/global/fiabb/fiabb254.nsf//e5277752a8fedc12571624bc65f/$fil e/pres_jarmo_poho_suojareleet.pdf Luettu 1.4.27 Kaarlela Markus, Kaapeloinnin kannattavuus Fortum sähkönjakelun keskijänniteverkossa. 22. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.ee.lut.fi/fi/tutkimus/dtyo_kaarlela.pdf Luettu 15.1.27

33 Lågland Henry, Keskijänniteverkkojen analyysi mallintamista varten. 24. WWWdokumentti. Saatavissa: http://lipas.uwasa.fi/~i82/hlthesis.pdf Luettu 1.1.27 Nurma Tomi, Maasulun paikannusmenetelmät keskijänniteverkossa. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.ee.lut.fi/fi/opi/kurssit/sa2718/maasulun_paik_metodit-nurma.pdf Luettu 9.1.27 Simonen Martti, Sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet. 26. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.ee.lut.fi/fi/tutkimus/diplomityo_simonen_martti.pdf Luettu 1.1.27 Luettu 1.1.27 VAMP, Johtolähtö- ja moottorisuojat, Käyttö- ja konfigurointiohje. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.vamp.fi/english/support/documentation/vm255f.pdf Luettu 15.1.27 VAMP, Feeder/Motor Manager Series VAMP 23, 245, 255, 257, Brochure/Esite. 24. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://www.vamp.fi/english/support/documentation/vb255en.pdf Luettu 1.4.27 Wikipedia, nternet tietosanakirja. WWW-dokumentti. Saatavissa: http://fi.wikipedia.org/wiki/valokaari Luettu 23.3.27

Esimerkin lähtöjen releasetteluiden laskenta LTE 1 Vikaresistanssin vaikutuksesta pienentynyt virta on: 1,26A ef = = 1, 25A 2 3 1,26A 1+ 5 Ω 2kV Lähdön 2 pienin virta, jolla releen tulee toimia: 1,26A,3A V min = 1,25A =, 95A 1,26A Vastaavalla tavalla voidaan laskea muidenkin johtolähtöjen pienimmät virrat. Pisin lähtö kytkettynä, releen pienimmäksi toimintavirraksi saadaan: 1,76A,5A V min = 1,75A = 1, 25A 1,76A Nollajännite, kun herkkyysvaatimus on 3 Ω ja kaikki lähdöt kytkettynä: U U V = 1+ 1 3 1,76A 3Ω 2kV 2 =,91 Prosentteina pääjännitteestä: U U 2kV,91 3 = 2kV 1% = 52%

Suojareleiden mallit ja yksikköhinnat LTE 2 TAULUKKO 1. Maasulkureleet Valmistaja Malli Hinta/kpl nto. alv. % VAMP 23 3C7AAA 2 36 VAMP 245 3C7AAA 1 571 VAMP 255 3C7AAA 2 311 ABB REF 541KB115AAAA 2 295 ABB REF 543KB127AAAA 2 575 ABB REF 545KB133AAAA 2 97 ABB REJ 527B411BAA 73 * Hinnat tuotteiden valmistajilta TAULUKKO 2. Valokaarireleet Valmistaja Malli Hinta/kpl nto. alv. % Huom. VAMP Arc protect 143 suojareleeseen liitettavä lisälaite ABB REA 11-AAA 1 4 ABB REA 13 35 Laajennusyksikkö ABB REA 15 335 Laajennusyksikkö ABB REA 17 67 Laajennusyksikkö * Hinnat tuotteiden valmistajilta