TEOLLISUUSVERKKOJEN OIKOSULKUVIRTOJEN LASKEMINEN

Opetusmoniste 3 TEOLLISUUSVERKKOJEN OIKOSULKUVIRTOJEN LASKEMINEN Kari Huotari, Jarmo Partanen 1998 ISBN 9517642822 ISSN 14558513

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkötekniikan osasto UDK 621.316.1:621.316.925 TEOLLISUUSVERKKOJIEN OIKOSULKUVIRTOJEN LASKEMINEN Kari Huotari Jarmo Partanen Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu 1998 ISBN 9517642822 ISSN 14558513 Opetusmoniste 3

1 TIWISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu Sähkötekniikan osasto, Sahkötekniikan laitos Kari Huotari, Jarmo Partanen Teollisuusverkkojen oikosulkuvirtojen laskeminen LTKK, Sähkötekniikan osasto, joulukuu 1998 Opetusmoniste 3 ISBN 9517642822 ISSN 14558513 UDK 621.316.1:621.316.925 Hakusanat: Teollisuusverkko, oikosulkuvirta Tässä opetusmonisteessa käsitellään oikosulkuvirran sekä oikosulkusuojauksessa ja laitteiden mitoituksessa tarvittavien oikosulkusuureiden laskemista käytännön tarpeiden vaatimassa laajuudessa. Erityistä huomiota on kiinnitetty teollisuusverkon oikosulkukysymyksiin. Opetusmonisteessa on esitetty erään teollisuusverkon oikosulkusuoj ien asetteluperiaatteita sekä laskentaesimerkki oikosulkuvirtoj en laskemisesta. Lappeenrannassa 14.12.1998 Kari Huotari, Jarmo Partanen

11 KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET F G vikapaikka generaattori ylivirtareleenpikalaukaisun virtaasettelu 1> ylivirtareleen aikalaukaisun virtaasettelu pienjännitepääkeskuksen pääkatkaisijan pikalaukaisun virtaasettelu pienjännitepääkeskuksen pääkatkaisijari aikalaukaisun virtaasettelu K kytkin M muuntaja T muuntaja ylivirtareleen pikalaukaisun aikaasettelu t> ylivirtareleen aikalaukaisun aikaasettelu c sähkömotorististen voimien ja verkon nimellisjännitteen eron huomioiva kerroin eosq sinimuotoisen sähkön tehokerroin alkutilan sähkömotorinen voima muutostilan sähkömotorinen voima E pysyvän tilan sähkömotorinen voima 1 virta katkaisuvirta 1 dc oikosulkuvirrantasavirtakomponentti k 1 k pysyväntilan oikosulkuvirta, oikosulkuvirta yleensä alkuoikosulkuvirta r~m~ muutosoikosulkuvirta pienjännitepuolen pienin hetkellinen oikosulkuvirta pienjännitepuolen suurin hetkellinen oikosulkuvirta rksjm~ suurjännitepuolen pienin hetkellinen oikosulkuvirta I~ nimellisvirta sysäysoikosulkuvirta ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta L induktanssi 1 kaapelin pituus m moottorin nimellispätöteho napaparia kohti, tasavirtatekijä n vaihtovirtatekijä p napapariluku, suuntaajan pulssiluku muuntaj an kuormitushäviöteho nimellisvirralla nimellinen pätöteho q epätahtimoottorin katkaisukerroin R resistanssi r kaapelin resistanssi pituusyksikköä kohti S syöttävä verkko alkuoikosulkuteho

111 S~ nimellinen näennäisteho t aika tk oikosulun kestoaika tmin katkaisuviive u jännite Uk suhteellinen oikosulkujännite nimellisjännite lj~ nimellinen vaihejännite Ur suhteellinen oikosulkuresistanssi X reaktanssi x kaapelin reaktanssi pituusyksikköä kohti, suhteellinenreaktanssi X d pitkittäinen alkureaktanssi pitkittäinen muutosreaktanssi Z impedanssi Z~ Theveninin impedanssi Z 0 nollaimpedanssi Z 1 myötäimpedanssi Z 2 vastaimpedanssi jännitteen huippuarvo cx jännitteen vaihekulma kulmataajuus (0 vaihekulma aikavakio K sysäyskerroin alkuaikavakio muutosaikavakio ~~do ~ do tyhjäkäyntitilan alkuaikavakio tyhj äkäyntitilan muutosaikavakio tahtikoneenkatkaisukerroin, virtamuuntaj an muuntosuhde kerroin, joka määrittelee tahtikoneen maksimimagnetoinnin 2 min kerroin, jokamäärittelee tahtikoneen minimimagnetoinnin

iv SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET SISÄLLYSLUETTELO iv 1 JOHDANTO 1 2 OIKOSULKUVIRRAN TEOREETTINEN TARKASTELU 2 2.1 Oikosulkuvirran luonne /1/, /3!, /9/ 2 2.2 Oikosulkuvirran vaimeneminen /1/, /4/, /8/, /9/ 4 2.2.1 Tasavirtakomponentin vaimeneminen 4 2.2.2 Vaihtovirtakomponentin vaimeneminen 5 3 OIKOSULK~JVIRRANLASKEMINEN /1/, /9/ 8 3.1 Theveninin menetelma 8 3.2 Vikatapaukset /3/, /9/ 9 3.3 Eri vikatapausten oikosulkuvirtojen vertailu /9/ 10 4 OIKOSULKUPIIRIN KOMPONENTTIEN IMPEDANSSIT /1/, /3/, /6/, /9/. 15 4.1 Syöttävä verkko 15 4.2 Tahtikoneet 17 4.3 Kaksikäämimuuntajatja kuristimet 18 4.4 Epätahtimoottorit 19 4.5 Kaapelit, johdotja kiskot 20 4.6 Verkon muu kuormitus 21 4.7 Vikaimpedanssit 22 5 SÄRKÖVERKON OIKOSULKUSUOJAUKSESSA JA MITOITUKSESSA KÄYTETTÄVÄT OIKOSULKUSUUREET /1/, /2!, /9! 23 5.1 Alkuoikosulkuvirta 1 k 23 5.2 Sysäysoikosulkuvirta i.23 5.3 Pysyvän tilan oikosulkuvirta 4 25 5.4 Katkaisuvirta Ia 26 5.5 Ekvivalenttinen terminen oikosulkuvirta th 29 6 OIKOSULKUSUOJAUS 31 6.1 Releasettelut 31 6.1.1 Aikalaukaisu 31 6.1.2 Pikalaukaisu 32 6.1.3 Oikosulkumoottorin käynnistysvirtasysäys 32 6.1.4 Muuntajankytkentävirtasysäys 33 6.2 Esimerkkejä oikosulkusuojien releasetteluista 34 6.2.1 Jakelumuuntajatja pienjännitepääkeskukset 34 6.2.2 Alakytkinlaitoksetja niiden syöttöjohdot 38 6.2.3 Ulkoverkon liityntäpiste ja generaattori 41 LÄHDELUETTELO 45 LIITE 1, Esimerkkilaskelma

1 1 JOHDANTO Oikosulkuvirtojen hallinnalla on keskeinen merkitys erityisesti teollisuuden sähkönjakeluverkoissa, joissa etäisyydet ovat lyhyitä ja oikosulkuvirrat kaikkialla suuria. Teollisuuslaitosten jakeluverkkoihin on yleensä liitetty suuria muuntajia, omia generaattoreita ja paljon muita pyöriviä sähkömoottoreita, minkä takia oikosulkuvirrat pyrkivät kasvamaan suuriksi. Toisaalta oikosulkuvirtojen olisi oltava mahdollisimman pieniä turvallisen toiminnan takaamiseksi ja vaurioiden välttämiseksi. Sähkönjakeluverkon kaikkien osien on kestettävä oikosulkuvirtojen termiset ja sähködynaamiset (mekaaniset) vaikutukset. Niiden määrittämistä ja oikosulkusuojauksen suunnittelua varten on tunnettava oikosulkuvirtojen suuruus verkon eri osissa. Suojauksen kannalta on tärkeää tuntea oikosulkuvirtojen suuruus nykyhetkellä erilaisissa syöttötilanteissa.. Mitoituksen kannalta on oikosulkuvirtojen määrittämisessä otettava huomioon tulevaisuudessa tapahtuva kehitys /1/. Oikosulkujen aiheuttajana saattaa olla eristyksen vanheneminen ja mekaaninen haurastuminen, korjaus ja huoltotoimenpiteiden yhteydessä asetettujen maadoitusten unohtuminen paikalleen, ylijännitteen aiheuttama valokaari eristysvälin ylitse, mekaaninen vaurio, virheelliset käyttötoimenpiteet (virheellinen tahdistus tai kuormitusvirran katkaiseminen erottimella)ja ilkivalta /2/. Seuraavassa esitetään oikosulun ja oikosulkulaskennan perusteoriaa sekä esimerkkejä säteettäisen teollisuusverkon oikosulkuvirtoj en laskemisesta ja oikosulkusuojien asetteluarvoj en määrittämisestä.

2 2 OIKOSULKUYIRRAN TEOREETTINEN TARKASTELU 2.1 Oikosulkuvirran luonne /1/, /3/, /9/ Tarkastellaan oikosulkuvirran syntymistä kuvan 2.1 mukaisen yksivaiheisen sijaiskytkennän avulla. Kytkimen K sulkeutuminen vastaa oikosulkiua kyseisessä kohdassa. Rk Xk K ~t) Kuva 2.1 Oikosulkupiirin yksivaiheinen sijaiskytkentä, jossa ei ole kuormitusta. Syöttöjännite olkoon u(t) i2sin(a~+ ~). Tällöin kuvan 2.1 piirille voidaan kirjoittaa differentiaaliyhtälö /1! Rkik +Lk~~sin(cot+a) (2.1) Yhtälöstä 2.1 saadaan oikosulkuvirraksi ratkaistua /1/ ik(t) ~~sin(wt +a (0k) e~sin(a(0k)] (2.2) jossa z2 on sinimuotoisen jännitteen huippuarvo Zk on oikosulkupiirin vaiheimpedanssi w on kulmataajuus t on aika oikosulun alkuhetkestä cx on j ännitteen vaihekulma nollakohdasta laskettuna oikosulun alkuhetkellä on oikosulkupiirin impedanssin vaihekulma i on oikosulkupiirin aikavakio

Oikosulkupiirin vaiheimpedanssi Zk, vaihekulma ~ja aikavakio ~ määritellään oikosulkupiirin resistanssin Rk ja reaktanssinxk avulla seuraavasti /3! 3 Zk~R~+X~ (2.3) x (Ok arctan~_k~ Rk (2.4) Xk wrk Lk Rk (2.5) Yhtälön (2.2) ensimmäinen termi on oikosulkuvirran vaihtovirtakomponentti. Jälkimmäinen termi on oikosulkuvirran tasavirtakomponentti, joka vaimenee aikavakiolla ~ Tasavirtakomponentti pakottaa oikosulkuvirran hetkellisarvon alkutilanteessa vikaa edeltäneen virran suuruiseksi. Koska kuvassa 2.1 ei ole kuormitusta, vikaa edeltänyt virta on nolla. Näin ollen tasa ja vaihtovirtakomponentit ovat alussa yhtäsuuria, mutta vastakkaismerkkisiä. Oikosulun syntyhetkellä on suuri vaikutus tasavirtakomponentin suuruuteen. Kun oikosulku tapahtuu hetkellä, jolloin cx 0 tai 180,ei tasavirtakomponenttia esiinny ollenkaan. Tällöin oikosulkuvirta on täysin symmetrinen, kuva 2.2a. Kolmivaihejärjestelmässä on muistettava, että oikosulkuvirta voi olla symmetrinen ainoastaan yhdessä vaiheessakerrallaan. Kytkettäessä muulla hetkellä on oikosulkuvirta tasavirtakomponentin takia epäsymmetrinen. Kun kytkentä tapahtuu hetkellä, jolloin cx ±90,on tasavirtakomponentilla suurin mahdollinen alkuarvo ja oikosulkuvirta on tällöin mahdollisimman epäsymmetrinen, kuva 2.2b. Oikosulkuvirta saavuttaa suurimman huippuarvonsa noin 10 ms kuluttua oikosulun syntyhetkestä. Tätä suurinta huippuarvoa sanotaan sysäysoikosulkuvirraksi i~.kuten kuvasta 2.2 havaitaan, on oikosulun syntyhetkellä suuri vaikutus sysäysoikosulkuvirran suuruuteen.

4 (a) Kuva 2.2 Tahtigeneraattorin syöttämit oikosulkuvirta eri oilcosulun syntyhetkillä: (a) symmetrinen oikosulkuvirta; (b) epäsymmetrinen oikosulkuvirta. Kuvassa 2.2 k on alkuoikosulkuvirta, 4 on muutosoikosulkuvirta, 4 on jatkuvan tilan oikosulkuvirta ja i 8 on oikosulkuvirran huippuarvo eli sysäysoikosulkuvirta. (b) Kolmivaiheisten oikosulkuvirtoj en muodostumista ei tässä tarkastella. Todettakoon vain, että symmetrinen kolmivaihejärjestelmä voidaan jakaa kolmeen kuvitteelliseen yksivaiheiseen piiriin. Tällöin eri vaiheiden oikosulkuvirrat voidaan esittää yhtälöillä /3/ i~(t)~~sin(wt+ cx (Ok) e~sin(a(ok)1 (2.6) ~r. 1 lsk(t) 1 sin(wt + cx + 2400 (0k) e ~sin(cx + 240 ( k) (2.7) ZkL J i~(t) ~~sin(wt+ a+ 120 (0k) e~sin(cx+120 _(0k)1 (2.8) joissa merkinnät samat kuin yhtälössä (2.2). 2.2 Oikosulkuvirran vaimeneminen /1/, /4/, /8/, /9/ 2.2.1 Tasavirtakomponentin vaimeneminen Oikosulkuvirran tasavirtakomponentti vaimenee verkon rakenteesta riippuvan tasavirtaaikavakion ~ mukaan. Oletetaan kuvan 2.1 tapauksessa impedanssin Zk muodostuvan tahtikoneen ja verkon muiden komponenttien summasta. Tällöin tasavirtaaikavakio voidaan esittää muodossa /9/

+ x ~~o(rd+rfl) (2.9) 5 jossa Xd on generaattorin alkureaktanssi on generaattorin ja vikapaikan välinen reaktanssi Rd on generaattorin resistanssi R~on generaattorin ja vikapaikan välinen resistanssi cx on kulmataajuus 2.2.2 Vaihtovirtakomponentin vaimeneminen Oikosulkuvirran vaihtovirtakomponentti vaimenee myös, mikäli tahti tai epätahtikoneiden syöttämä oikosulkuvirta muodostaa merkittävän osan kokonaisoikosulkuvirrasta. Vaimeneminen johtuu koneiden sisäisen impedanssin kasvamisesta oikosulun kestoaikana. Oletetaan edelleen kuvan 2.1 sijaiskytkennän impedanssin Zk muodostuvan tahtikoneen ja verkon muiden komponenttien summasta. Tällöin oikosulkuvirta voidaan esittää muodossa /9/ 1(t) ~~(I~ I~)e~sin(wt + cx ~)+ (I~ 4)e~ sin(wt + cx ~)+ Iksin(wt+ cx ~)+I~e~sin(a(0)] (2.10) jossa 4 on alkuoikosulkuvirta Ik ofl muutosoikosulkuvirta I~on jatkuvan tilan oikosulkuvirta on oikosulkuvirran alkuaikavakio on oikosulkuvirran muutosaikavakio

6 Yhtälön (2.10) oikosulkuvirroilla 4 Ik ja 4 tarkoitetaan, kuvan 2.2 mukaisesti, niiden oikosulun alkuhetkeen ekstrapoloituja tehollisarvoja. Niiden arvot voidaan laskea yhtälöillä /9/ ~j(rd ~]~)2 +(Xd +X 11 ) 2 (2.11) 4 V(Rd+Rn)2 +(Xd+Xfl) 2 E V(Rd ~~)2 +(Xd +X~) 2 (2.12) (2.13) joissa on generaattorin alkutilan sähkömotorinen voima on generaattorin muutostilan sähkömotorinen voima E on generaattorin pysyvän tilan sähkömotorinen voima Xd on generaattorin alkureaktanssi Xd on generaattorin muutosreaktanssi ~ on generaattorin pysyvän tilan reaktanssi Rd on generaattorin resistanssi R 11 on generaattorinja vikapaikan välinen resistanssi X~on generaattorin ja vikapaikan välinen reaktanssi Generaattorin sähkömotoristen voimien E, E ja E suuruudet riippuvat generaattorin kuormitusvirran suuruudesta juuri ennen oikosulun syntyä seuraavien yhtälöiden mukaisesti /3/ ~ Uflgt/Xdj (2.14) ~ng +JX~J (2.15) ~~Lng+JXdi. (2.16) joissa ~ng on tahtikoneen nimellinen vaihejännite 1 on tahtikoneen kuormitusvirta ennen oikosulkua

7 Tyhjäkäynnissä olevalle generaattorille pätee /9/ U E E E~ (2.17) Oikosulkuvirran vaihtokomponentin aikavakiot määritellään seuraavasti /3/ x, +x 11 ~do (2.18) x,+x d (2.19) ~ d+ ~ joissa on tyhjäkäyntitilan alkuaikavakio on tyhjäkäyntitilan muutosaikavakio Kun generaattorin ja vikapaikan välinen impedanssi tulee suureksi generaattorin impedanssiin verrattuna, ei generaattorin impedanssin muuttumisella oikosulun aikana ole sanottavaa merkitystä virtapiirin kokonaisimpedanssin kannalta. Tällöin yhtälöiden (2.1 1)(2.13) perusteella tulevat oikosulkuvirrat k 1 k ja k yhtäsuuriksi eli oikosulkuvirran vaihtokomponentti ei vaimene. Oikosulun sattuessa lähellä generaattoria, vaimenee oikosulkuvirran vaihtokomponentti eksponentiaalisesti aikavakioilla ~ ja i~kohti pysyvän tilan arvoja. Kuvassa 2.3 on esitetty vikapaikan vaikutus epäsymmetriseen oikosulkuvirtaan. j~ 2~I~ ~ 2~ ~k 2~Ik (a) Kuva 2.3 Epäsymmetrinen oikosulkuvirta: (a) oikosulku lähellä generaattoria; (b) oikosulku kaukana generaattorista. (b)

8 3 OIKOSULKUVIRRAN LASKEMINEN /1/, /9/ Laskettaessa likimääräistä kolmivaiheverkon kolmivaiheista oikosulkuvirtaa on ominaisoikosulkutehoon perustuva menetelmä helppokäyttöisin. Tämä menetelmä sopii hyvin säteittäisten verkkojen oikosulkutehojen käsinlaskentaan ja oikosulkuvirtojen suuruusluokkaarviointiin. Mikäli halutaan laskea oikosulkuvirrat tarkemminja saada selville myös vaihekulmat, on käytettävä Theveninin menetelmää. Seuraavassa esitellään Theveninin menetelmän periaate. Ominaisoikosulkutehoon perustuvaa menetelmää ei tässä käsitellä, vaan sen osalta viitataan vain lähteeseen /5/, jossa sitä on esitelty. 3.1 Theveninin menetelmä Theveninin menetelmä soveltuu hyvin teollisuusverkkojen oikosulkuvirtojen määrittämiseen, koska teollisuussähköverkkoj en oikosulkutapauksissa muodostuu vikapaikassa kulkeva virta useiden eri oikosulkulähteiden syöttämien oikosulkuvirtojen summana. Tällöin Theveninin teoreeman nojalla voidaan kaikkien oikosulkulähteiden sähkömotoriset voimat korvata yhdellä ainoalla sähkömotorisella voimalla, joka sijoitetaan vikapaikkaan. Tarkastellaan tilannetta kuvan 3.1 mukaisen yksinkertaisen verkon avulla. R~ ~T (R~+j(X~)~).~ (a) (b) S N F cuflv~ Kuva 3.1 Theveninin menetelmän periaate oikosulkulaskennassa: (a) tarkasteltava piiri. Kolmivaiheinen vastukseton oikosulku pisteessä F; (b) tilannetta vastaava yksivaiheinen sijaiskytkentä. S 011 syöttävä verkko, R, syöttävän verkon oikosulkuresistanssi, X~syöttävän verkon oikosullcureaktanssi, M muuntaja, Rm muuntajan oikosullcuresistanssi ja Xm muuntajan oikosulkureaktanssi. ZT on edellisistä muodostettu Theveninin impedanssi.

9 Kuvassa 3.1 a esitetyssä verkossa tapahtuu vastukseton kolmivaiheinen oikosulku pisteessä F. Tilannetta vastaavan sijaiskytkennän (kuva 3.lb) perusteella voidaan oikosulkuvirta määritellä seuraavasti /9/ Lk 7 c~nv (3.1) jossa on verkon nimellisvaihejännite on Theveninin jännitelähteen navoista mitattu impedanssi vikapaikan jännitetasoon redusoituna c onjännitekerroin,jolla otetaan huomioon sähkömotoristen voimien ja verkon nimellisjäimitteen ero (taulukko 3.1) Theveninin impedanssia ZT laskettaessa kaikki vikavirtaa syöttävät lähteet sekä verkon muut komponentitkorvataan oikosulkuimpedansseillaan. Vikapaikkaan sijoitettavanjännitteen ~ kerroin c saadaan taulukosta 3.1 /6/. Taulukko 3.1 Jännitekerroin c standardin YDE 0102 mukaan. Suurinta oikosulkuvirtaa laskettaessa Cma~ Pienintä oikosulkuvirtaa laskettaessa Cmjn Nimellisjännite U~, Pienjännite 100 V 1000 V a)230/400v 1,00 0,95 b) muutjännitteet 1,05 1,00 KeskijännitelkV35kV 1,10 1,00 Suurjännite35kV230kV 1,10 1,00 3.2 Vikatapaukset /31,19/ Kolmivaiheinen eli syminetrinen oikosulku on oikosulkulaskujen perustapaus, koska tällöin esiintyy vain myötäimpedansseja eli kolmivaiheverkon komponenttien tavallisia oikosulkuimpedansseja. Sen sijaan epäsymmetrisiä oikosulkutapauksia laskettaessajoudutaan verkon eri osille muodostamaan myös niiden vasta ja nollaimpedanssit.

10 Seuraavissa kohdissa ei käsitellä epäsymmetristen vikatapausten teoreettista laskentaa, vaan tyydytään antamaan eri vikatapausten valmiit laskentayhtälöt. Asiaa on perusteellisesti käsitelty esimerkiksi lähteessä /3!. Kolmi, kaksi ja yksivaiheiset oikosulkuvirrat voidaan laskea yhtälöillä /3/ I~(~ ~ (3.2) cu k2 (3.3) ~hcun ki ~1 ~2 ~ (3.4) joissa c on taulukon 3.1 mukainen jännitekerroin on vikapaikan nimellispääjännite Z 1 on oikosulkupiirin myötäimpedanssi on oikosulkupiirin vastaimpedanssi on oikosulkupiirin nollaimpedanssi 3.3 Eri vikatapausten oikosulkuvirtojen vertailu /9/ Yleensä ei ole tarpeen laskea kaikkien vikatapausten oikosulkuvirtoja. Verkon ja kytkinlaitteiden mitoituksen tarkistamiseksi riittää, kun tunnetaan suurimmat verkossa esiintyvät oikosulkuvirrat. Toisaalta oikosulkusuojauksen toiminnan varmistamiseksi on tunnettava pienimmät verkon oikosulkuvirrat. Teollisuussähköverkot ovat yleensä mm. käyttövarmuussyistä maasta erotettuja, jolloin verkon oikosulkutapaukset rajoittuvat kaksi ja kolmivaiheisiin oikosulkuihin. Kaksivaiheinen oikosulkuvirta 42 voidaan esittää kolmivaiheisen oikosulkuvirran I~ avulla seuraavasti /9/

11 k2 z (35) 1+~ jossa on oikosulkupiirin vastaimpedanssi on oikosulkupiirin myötäimpedanssi Jotta kaksivaiheinen oikosulkuvirta olisi suurempi kuin kolmivaiheinen, täytyy seuraavan ehdon olla voimassa: Z 2 <0,73~Z 1.Tämä edellyttää, etteivät impedanssien vaihekulmat poikkea enempää kuin 15 toisistaan. Vastaimpedanssit ja myötäimpedanssit ovat yhtäsuuret muuntajilla, johdoilla ja ei pyörivillä kojeilla. Myös epätahtimoottoreilla ne ovat samansuuruiset. Sen sijaan tahtikoneilla vastaimpedanssit eroavat myötäimpedansseista. Tahtikoneen vastaimpedanssi on oikosulun alkuhetkillä tahtikoneen myötäimpedanssin suuruinen, jolloin koko oikosulkupiirin myötä ja vastaimpedanssit ovat yhtäsuuret. Tahtikoneen myötäreaktanssi kasvaa kuitenkin oikosulun kestoaikana saavuttaen lopulta tahtireaktanssin arvon. Tällöin tahtikoneen vastaimpedanssin suhde myötäimpedanssiin on suuruusluokkaa 0,1...0,15. Näin ollen kaksivaiheinen pysyvän tilan oikosulkuvirta voi lähellä tahtikonetta tapahtuvassa oikosulussa olla jopa 1,4 kertainen kolmivaiheiseen oikosulkuvirtaan verrattuna /1/. Käytännössä kaksivaiheinen oikosulkuvirta on aina kolmivaiheista oikosulkuvirtaa pienempi. Tämä johtuu siitä, että tavallisesti oikosulku ei kestä niin kauan, jotta pysyväntilan arvo saavutettaisiin. Sähköverkoissa, joissa tähtipisteet on maadoitettu, voi esiintyä myös yksivaiheisia oikosulkuja. Tähän ryhmään kuuluvat ainakin 380 V valaistusverkot ja osa suurjännitteisistä moottorikeskuksista. Yksivaiheinen oikosulkuvirta ki voidaan esittää kolmivaiheisen oikosulkuvirran I~avulla seuraavasti /9/

12 kl z z (3.6) 1+~+~ jossa Z~on oikosulkupiirin myötäimpedanssi on oikosulkupiirin vastaimpedanssi on oikosulkupiirin nollaimpedanssi Kun kyseessä on kaukana generaattorista tapahtuva oikosulku, kuten kaikki pienjänniteverkkojen oikosulut, on oikosulkupiirin vastaimpedanssi Z~myötäimpedanssin ~ suuruinen. Tällöin yhtälö (3.6) sievenee muotoon /9/ 3 z ~ (3.7) 2+~ Pienjännitepääkeskuksen oikosulkuvirtaa laskettaessa muodostaa muuntajan oikosulkuimpedanssi selvästi suurimman osan koko oikosulkupiirin impedanssista. Kun Dynkytkentäisillä muuntajilla on nollaimpedanssi suurinpiirtein myötäimpedanssin suuruinen, muodostuvat yksivaiheiset oikosulkuvirrat yhtäsuuriksi kuin kolmivaiheiset. Kuvassa 3.2 on esitetty standardin VDE 0102 mukainen diagrammi. Diagrammin avulla voidaan määrittää vikatapaukset,joissa esiintyvät suurimmat oikosulkuvirrat. Maasta erotetuille keski ja pienjänniteverkoille sekä käyttömaadoitetuille pienjänniteverkoille voidaan käyttää taulukon 3.2 mukaisia arvioita eri impedanssien suhteista /9/.

13 :1,0 * z 0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Kuva 3.2 Vikatapaukset, joissa esiintyy suurin oikosulkuvirta oikosulkupiirin impedanssisuhteiden funktiona. Z 0, Z 1 ja Z 2 ovat oikosulkupiirin nolla, myötä ja vastaimpedanssit. Käyrästön edellytyksenä on, ettei impedanssien vaihekulmien ero ole yli 150. 1 yksivaiheinen oikosulku, 2 kaksivaiheinen oikosulku, 2M kaksivaiheinen oikosulku maakosketuksellaja 3 kolmivaiheinen oikosulku. xl Taulukko 3.2 Oikosulkupiirin impedanssisuhteet keski ja pienjänniteverkoissa. Z 0, Z 1 ja Z 2 ovat oikosulkupiirin nolla, myötä ja vastaimpedanssit. 4 on alkuoikosulkuvirta ja 4 pysyvän tilan oikosulkuvirta. Maasta erotettu verkko Keskijännite 120 kv Pienjännitteinen tai suuriresistanssisesti maadoitettu Käyttömaadoitettu verkko Pienjännitteinen Muuntajan kytkentäryhmä Dyn Z 2 /ZØ <0,01 <0,01 0,25... 1 Z 2 /Z 1 : 4 k 1 0,1...1 1 1 1 1 Kuten kuvasta 3.2 voidaan havaita, saadaan taulukon 3.2 impedanssisuhteilla suurimmat oikosulkuvirrat kolmivaiheisissa oikosuluissa lukuunottamatta lähellä generaattoria sattuvia oikosulkuja, joissa kaksivaiheinen pysyvän tilan oikosulkuvirta voi olla vieläkin suurempi. Pienimmät oikosulkuvirrat saadaan maasta erotetuissa verkoissa kaksivaiheisissa oikosuluissa. Käyttömaadoitetuissa pienjänniteverkoissa pienimmät oikosulkuvirrat saadaan joko kaksi tai yksivaiheisissa oikosuluissa riippuen vikapaikan sijainnista syöttöpisteeseen nähden. Lähellä muuntajaa sattuvissa oikosuluissa saadaan pienimmät vikavirrat kaksivaiheisissa oikosuluissa, kun taas kauempana itse verkossa ovat yksivaiheiset oikosulkuvirrat pienimmät.

14 Epäsymmetristen vikojen ja Dynkytkentäisen muuntajan yhteydessä on muistettava vikavirtojen muuttuminen muuntajan ensiössä. Kolmivaiheinen vikavirta muuntuu suoraan muuntajan muuntosuhteen mukaisesti kaikissa vaiheissa. Kaksi ja yksivaiheisissa vioissa myös ensiön vikavirrat ovat epäsymmetrisiä, mutta eri lailla kuin toisiossa. Tätä havainnollistaa kuva 3.3 /2/. 1 f P 0 Kuva 3.3 Dynkytkentäisen muuntajan oikosulkuvirrat toision kolmi ja kaksivaiheisessa oikosulussa sekäyksivaiheisessa maasulussa. I~on vikavirta, p011 muuntajan muuntosuhde.

15 4 OIKOSULKUPIIRIN KOMPONENTTIEN IMPEDANSSIT /1/,/3/,/6/, /9/ Laskettaessa sähköverkon oikosulkuvirtoja Theveninin menetelmällä täytyy oikosulkupiirin eri komponentit kuvata riittävän tarkoilla matemaattisilla malleilla. Oikosulkuvirtaa syöttäviä komponentteja ovat syöttävä verkko, tahtikoneet ja epätahtimoottorit. Suurin osa oikosulkuvirrasta tulee verkon ja generaattoreiden syöttämänä, mutta myös tahti ja epätahtimoottoreiden syöttämä oikosulkuvirta tulee ottaa huomioon erityisesti sysäysoikosulkuvirtaa määritettäessä. Oikosulkuvirtaa rajoittavat piirin komponenttien impedanssit, joita ovat muuntajat, kuristimet,johdot, kaapelitja kiskot. Näistä muuntajat ja kuristimet ovat tärkeimpiä. Seuraavassa käsitellään verkon eri komponenttien kuvaamista matemaattisesti. Kuvaamista käsittelevä luku perustuu VDE standardiin 0102. Liitteen 1 kohdassa 1 on esitetty tähän kappaleeseen perustuva laskelma tehdasverkon komponenttien oikosulkuimpedanssien määrittämisestä. Koska epäsymmetrisiä oikosulkutapauksia ei käsitellä tässä yhteydessä, tarkoittaa jäljempänä mainittu impedanssi aina myötäimpedanssia ja oikosulkuvirta symmetristä kolmivaiheista oikosulkuvirtaa. 4.1 Syöttävä verkko Syöttävästä verkosta tunnetaan yleensä joko alkuoikosulkuvirta 4~ tai näennäinen alkuoikosulkuteho S~.Tällöin syöttävän verkon impedanssi Z~saadaan seuraavasti /6/ u 2 u Z~,,~ v~i (4.1) jossa U 11 on syöttävän verkon nimellispääjäimite S~ on syöttävän verkon näennäinen alkuoikosulkuteho 4,,, on syöttävän verkon alkuoikosulkuvirta c on taulukon 3.1 mukainen jännitekerroin

16 Syöttävän verkon ollessa nimellispääjännitteeltään yli 35 kv avojohtoverkko voidaan verkkosyötön impedanssin ajatella koostuvan pelkästä reaktanssiosasta eli ~jx~. Jos resistanssia ei tunneta voidaan impedanssi jakaa resistassi ja reaktanssiosaan seuraavasti /6/ R~0,1X~ja X~0,995Z~ (4.2) jossa R~,,on syöttävän verkon resistanssi on syöttävän verkon reaktanssi Pienjänniteverkkojen oikosulkuvirtoja laskettaessa syöttävän verkon pienjännitepuolelle redusoitu reaktanssi voidaan laskea yhtälöllä /1/ (4.3) ja resistanssi R~ 0,1X~ (4.4) joissa R~,,on syöttävän verkon resistanssi on syöttävän verkon reaktanssi U~,on pienjännitepuolen nimellispääjännite S~ on syöttävän verkon näennäisalkuoikosulkuteho Mikäli oikosulku tapahtuu lähellä muuntajaa, syöttävä verkko voidaan jättää huomiotta pienjänniteverkon oikosulkuvirtaa laskettaessa, jos syöttävän verkon näennäisen alkuoikosulkutehon S ~ja muuntajan nimellistehon S 11 välillä toteutuu epäyhtälö S ~>4OOS~/1/.

17 4.2 Tahtikoneet Tahtikoneiden reaktanssit voidaan määrittää yhtälöllä /3/ ~ xu~ 100 S 11 (4.5) jossa x on alku, muutos tai tahtireaktanssi prosentteina (f~on tahtikoneen nimellispääjännite S~on tahtikoneen nimellisnäennäisteho Tahtikoneen reaktanssit, resistanssit ja aikavakiot saadaan yleensä valmistaj alta. Mikäli valmistajan arvot puuttuvat, voidaan arvoina käyttää esimerkiksi lähteestä /5! saatavia arvoja. Sysäysoikosulkuvirtaa laskettaessa käytetään taulukon 4.1 mukaisia fiktiivisiä generaattorin resistanssiarvoja Rd, jotka ottavat huomioon oikosulkuvirran vaimenemisen ensimmäisen puolijakson aikana. Taulukko 4.1 Tahtikoneiden fiktiiviset resistanssiarvot /6/. Nimellisjännite/kV NimellistehofMVA Rd/Xd >1 >1 1 100 <100 kaikki 0,05 0,07 0,15 Kun alku ja sysäysoikosulkuvirta lasketaan käyttäen ekvivalenttista jännitelähdettä cu,~,.,,yhtälön (3.1) mukaisesti, on tahtikoneen resistanssi ja reaktanssi kerrottava kertoimella KG, joka määritellään seuraavasti /6/ U Cm~s n TT 1 + x sin(0iigm U ngm (4.5a) jossa Cm,~son taulukon 3.1 mukainen jännitekerroin

18 (4 on verkon nimellispääjännite on generaattorin tai moottorin nimellispääjännite Xd on tahtigeneraattorin tai moottorin suhteellinen alkureaktanssi (0nGM on generaattorin tai moottorin nimellisvirranja jännitteen välinen kulma 4.3 Kaksikäämimuuntajat ja kuristimet Kaksikäämimuuntajien oikosulkusuureet voidaan määrittää seuraavasti /6/ u u 2 kilpiarvojen perusteella Zk~~~ (4.6) R uru~ ~kn 4 k100s 3I~ (.7) (4.8) joissa Zk on muuntajan oikosulkuimpedanssi Rk on muuntajan oikosulkuresistanssi Xk on muuntajan oikosulkureaktanssi (4on muuntajan nimellispääjännite 4 on muuntajan nimellisvirta on muuntajan nimellisnäennäisteho P~,on muuntajan kokonaispätötehohäviöt nimellisvirralla Uk on muuntajan oikosulkujännite prosentteina Ur on muuntajan resistanssin aiheuttama oikosulkujännite prosentteina Suurilla muuntajilla oikosulkuimpedanssi voidaan korvata oikosulkureaktanssilla, koska resistanssin osuus impedanssissa on niin pieni. Resistanssi on kuitenkin otettava huomioon sysäysoikosulkuvirtaa i~tai oikosulkuvirran tasavirtakomponenttia 1 dc laskettaessa. Kuristinta käsitellään laskelmissa kuten muuntajaa, jonka muuntosuhde on yksi.

Kolmikäämimuuntajien impedanssien laskentaa ei tässä käsitellä. Laskentayhtälöt on esitetty esim. lähteessä /6/. 19 4.4 Epätahtimoottorit Epätahtimoottorit ovat selvästi yleisimpiä teollisuuslaitoksissa käytössä olevista sähkökoneista. Käytettävien moottoreiden yksikkökoot eivät ole kovin suuria, mutta suuren lukumääränsä takia ne on otettava huomioon laskelmissa. Epätahtimoottorit vaikuttavat suurentavasti oikosulkuvirtaan symmetrisissä vioissa alkuoikosulku, sysäysoikosulku ja katkaisuvirtaan sekä epäsymmetrisissä vioissa myös pysyvän tilan oikosulkuvirtaan. Epätahtimoottorin oikosulkuimpedanssi Zm voidaan laskea seuraavasti /6/ Zm ~ ~ (4.9) jossa (4on moottorin nimellispääjännite 4 on moottorin nimellisvirta 1~on moottorin käynnistysvirta S~,on moottorin nimellisnäennäisteho Oikosulkuimpedanssi Zm voidaan jakaa resistanssiksi ja reaktanssiksi taulukon 4.2 avulla. Taulukko 4.2 Epätahtimoottoreiden Rm/Xm ja Xm/Zm suhteita. U~on moottorin nimellispääjännite, P~ on moottorinnimellispätöteho jap on moottorin napapariluku. U~IkV P 11 /p/mw Rm/Xm Xm/Zm 1 1 0,10 0,995 1 <1 0,15 0,989 <1 kaikki 0,42 0,922 Suurjännitemoottorit otetaan yleensä laskelmissa aina huomioon. Jos verkkoon on liitetty vain muutamia suurjännitemoottoreita, mallinnetaan ne kukin erikseen. Pienjännitemoottoreita ei niiden suuren lukumäärän takia kannata mallintaa jokaista erik

20 seen, vaan niistä on kätevä muodostaa muuntajakohtaiset ekvivalenttimoottorit. Ekvivalenttimoottoreiden oikosulkuimpedanssit lasketaan yhtälöllä (4.9). Jos moottorit on kytketty vialliseen verkkoon muuntajan välityksellä, ei moottoreita tai moottoriryhmiä tarvitse ottaa laskelmissa huomioon, mikäli seuraava epäyhtälö on voimassa /6/ 0,8 41 ~snt ~ 03 (. 0) s; jossa c on taulukon 3.1 mukainen j ännitekerroin on moottoreiden yhteenlaskettu nimellinen pätöteho on moottoreita syöttävien muuntajien yhteenlaskettu nimellinen näennäisteho Sk on alkuoikosulkuteho pisteessä, jossa tapahtuvaa oikosulkua tutkitaan (ilman kyseistä moottoriryhmää) 4.5 Kaapelit, johdot ja kiskot Teollisuuden keskijänniteverkoissa kaapelipituudet ovat niin lyhyitä, että niiden vaikutus oikosulkupiirin impedanssiin on vähäinen. Tarvittaessa kaapeleiden resistanssija reaktanssiarvot saadaan valmistajien luetteloista. Arvot on yleensä ilmoitettu pituusyksikköä kohti, jolloin kaapelin impedanssi ~ saadaan yhtälöllä /6/ Z~(r+jx)l (4.11) jossa r on kaapelin tasavirtaresistanssi (+20 C)pituusyksikköä kohti x on kaapelin reaktanssi pituusyksikköä kohti 1 on kaapeliyhteyden pituus

21 Lämpötilan ja virran ahdon vaikutus resistanssiin voidaan tarvittaessa ottaa huomioon yhtälöllä /7/ R~1+a20(v_20 C)](R20+AR) (4.12) jossa cx~on resistanssin lämpötilakerroin v on lämpötila, jossa resistanssi halutaan laskea R20 on tasavirtaresistanssi +20 C:ssa AR on lisäresistanssi, joka ottaa huomioon virran ahdon aiheuttamat lisähäviöt Avojohtojen impedanssin reaktanssi riippuu johdon rakenteesta ja ne on laskettava tapauskohtaisesti. Muutoin impedanssi lasketaan kuten kaapeleille. Kiskostot vaihtelevat huomattavasti sekä rakenteeltaan että johdinmateriaaliltaan. Yleisesti ne ovat pituudeltaan kuitenkin suhteellisen lyhyitä ja näin myös niiden impedanssit ovat pieniä suhteessa muihin oikosulkupiirin impedansseihin. Tämän takia kiskojen impedanssiarvoja ei tarvitse ottaa huomioon laskelmissa. 4.6 Verkon muu kuormitus Teollisuussähköverkkojen kuonnitus koostuu pyörivien koneiden lisäksi myös vähäisestä määrästä valaistus ja lämmityskuormia. Näiden kuormitusten vaikutus oikosulkuvirtaan on yleensä pieni, eikä niitä sen vuoksi oteta huomioon oikosulkuvirtoja laskettaessa. Loistehon kompensointiin käytettyjen rinnakkaiskondensaattoriparistoj en purkausvirtaa ei yleensä tarvitse ottaa huomioon oikosulkulaskelmissa. Rmnnakkaiskondensaattoreiden vaikutus oikosulkuvirtaan tulee tarkistaa ainoastaan keskijänniteverkoissakäytettäessä keskitettyä loistehon kompensointia.