JyriAinasojaSamuelOjalehto TEOLLISUUSSÄHKÖVERKONOIKOSULKUVIRTOJEN LASKENTA Opinnäytetyö CENTRIADAMMATTIKORKEAKOULU Sähkötekniikankoulutusohjelma Huhtikuu2017
TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ CentriaD Aika ammattikorkeakoulu Toukokuu2017 Koulutusohjelma Sähkötekniikka Työnnimi Teollisuussähköverkonoikosulkuvirtojenlaskenta Työnohjaaja JariHalme Tekijät JyriAinasoja,SamuelOjalehto Sivumäärä 35+20 Työelämäohjaaja VilleHaapala OpinnäytetyössäselvitettiinABBDOCGtietokoneohjelmanavullatehtaanpienjännitekeskusG tenoikosulkuvirtoja.laskelmiavartenkerättiintietojajatehtaansähköverkkomallinnettiintieg tokoneohjelmaan.tietojenperusteellapystyttiinlaskemaankeskustenoikosulkuvirrat. Työvaatitutustumistaoikosulkuvirtalaskennanjateollisuussähköverkonteoriaan.Tärkeäosa työtäolitietokoneohjelmankäytönoppiminen,jottasitäpystyikäyttämääntehokkaastijatäsg mällisesti. TyöntuloksenasaatiintyöntilaajalleoikosulkuvirraterimuuntopiirienkaikillepienjännitekesG kuksille. Asiasanat ABBDOC,oikosulkuvirta,teollisuussähkö
ABSTRACT CentriaUniversity ofappliedsciences Date May2017 Authors JyriAinasoja,SamuelOjalehto Degreeprogramme ElectricalEngineering Nameofthesis ShortGCircuitCalculationsInIndustrialNetwork Supervisor JariHalme Pages 35+20 Instructor VilleHaapala InthisthesistheshortGcircuitcurrentsoflowGvoltagebusbarsinthedistributionboardsofan industrialfactorywerecalculatedbyusingabbdoccomputerprogram.forthecalculations, datawasgatheredandtheelectricalnetworkofthefactorywasmodelledintothecomputer program.datagatheredwasusedincalculationsoftheshortgcircuitcurrentsindistributions boards. The theoretical knowledge of shortgcircuit current calculations and industrial electricity netg works was required. An important part of the thesis was learning the use of the computer program,inordertouseitcorrectlyandefficiently. Asaresult,theshortGcircuitcalculationsofallthelowGvoltagedistributionboardsindifferent transformationcircuitswerecalculated. Keywords ABBDOC,Industrialelectricitynetwork,ShortGcircuitcurrent.
KÄSITTEIDENMÄÄRITTELY Sähköteknisetmerkinnät: A Ampeeri c Jännitekerroin cosφ Tehokerroin Hz Hertsi I Virta I k Muutosoikosulkuvirta I k Alkuoikosulkuvirta I kv Syöttävänverkonalkuoikosulkuvirta ip Sysäysoikosulkuvirta Ik Oikosulkuvirta I n I s Nimellisvirta Käynnistysvirta κ" Sysäyskerroin! Kaapelinpituus" m Tasavirtatekijä n Vaihtovirtatekijä P Pätöteho P n Nimellispätöteho R Resistanssi R k Oikosulkuresistanssi R kv Syöttävänverkonresistanssi S kv Syöttävänverkonnäennäinenalkuoikosulkuteho S n Nimellisnäennäisteho t k U Jännite U N Oikosulunkestoaika Nimellisjännite V Voltti X Reaktanssi x AlkuG,muutosGtaitahtireaktanssiprosentteina x d Suhteellinenalkureaktanssi X k Oikosulkureaktanssi
X kv Syöttävänverkonreaktanssi Z Impedanssi Z 0 Nollaimpedanssi Z 1 Myötäimpedanssi Z 2 Vastaimpedanssi Zf Vikaimpedanssi Z i Thevenininimpedanssi Z k Oikosulkuimpedanssi Z k Muutosoikosulkuimpedanssi Z m Epätahtimoottorinoikosulkuimpedanssi Z j Kaapelinimpedanssi φ ngm Tahtikoneennimellispisteenkulma Lyhenteet: AHXAMKGW Alumiinijohtiminenmuovieristettykeskijännitekaapeli IEC Kansainvälinensähköalanstandardisoimisjärjestö J07,J08 Haapavedensähköasemanlähtö KJ Keskijännite(1G36kV) LLL Kolmivaiheinenoikosulku LL Kaksivaiheinenoikosulku LPE Yksivaiheinenoikosulku M1,M2,.. Valiontehtaanmuuntopiiri PEX Ristisilloitettupolyeteeni PJ Pienjännite(<1000V) PM1,PM2 Haapavedensähköasemanpäämuuntaja PVC Polyvinyylikloridi
TIIVISTELMÄ ABSTRACT KÄSITTEIDENMÄÄRITTELY SISÄLLYS 1!JOHDANTO... 1! 2!VALIOOY... 3! 3!SÄHKÖVERKONOIKOSULKUJENMALLINTAMINENJALASKENTA... 5! 3.1!Thevenininmenetelmä... 5! 3.2!Oikosulkujenvikatyypit... 7! 3.2.1!Kolmivaiheinenoikosulku... 7! 3.2.2!Kaksivaiheinenoikosulku... 8! 3.2.3!Yksivaiheinenoikosulku... 8! 3.3!OminaisoikosulkutehoDmenetelmä... 9! 3.4!Oikosulkusuureet... 9! 3.5!Oikosulkuimpedanssienmallintaminen... 13! 3.5.1!Syöttäväverkko... 13! 3.5.2!Tahtikoneet... 14! 3.5.3!Muuntajat... 15! 3.5.4!Epätahtimoottorit... 15! 3.5.5!Kaapelit,johdotjakiskot... 16! 3.6!Oikosulkulujuusjaoikosulkuvoimat... 17! 4!TEOLLISUUSSÄHKÖVERKKO... 18! 4.1!Teollisuuskeskukset... 18! 4.2!Jakelumuuntajat... 19! 4.3!Kaapelit... 20! 5!SÄHKÖVERKONLASKENTAOHJELMAABBDOC... 21! 6!VALIONHAAPAVEDENTEHTAANKESKUSTENOIKOSULKUVIRTOJENLASKENTA24! 6.1!Laskentaantarvittavientietojenkerääminen... 25! 6.2!OikosulkuvirtojenlaskentakäyttäenABBDOCDlaskentaohjelmaa... 26! 7!LASKENNANTULOKSET... 29! 8!YHTEENVETO... 33! LÄHTEET...35 LIITTEET KUVAT KUVA1.IlmakuvaValionHaapavedentehtaasta...3 KUVA2.SysäyskertoimenκriippuvuusresistanssinRjareaktanssinXsuhteesta...10 KUVA3.Tasavirtatekijänmriippuvuussysäyskertoimestaκjaoikosulunkestoajastat k...12 KUVA4.VaihtovirtatekijännriippuvuusI k/iksuhteestajaoikosulunkestoajastat k...12 KUVA5.Kolmivaiheistenmuuntajienkytkennät...20 KUVA6.Laitoksenyleistenominaisuuksienmäärittely...22
KUVA7.Kaapelienmäärittely...23 KUVA8.ABB:nvalmistama2000kVA:nkolmivaihdemuuntajaM2...25 KUVA9.MuuntopiiriM1mallinnettunaABBDOC ohjelmalla...28 KUVIOT KUVIO1.ViallinenverkkojasenThevenininsijaiskytkentä...6 TAULUKOT TAULUKKO1.Jännitekertoimetoikosulkuvirranlaskentaan...7 TAULUKKO2.Sysäyskertoimenκarvosuhteessaoikosulkuvirrantehollisarvoon...11 TAULUKKO3.EpätahtimoottoreidenR m /X m jax m /Z m suhteet...16 TAULUKKO4.MuuntopiirinM1tuloksia...29 TAULUKKO5.MuuntopiirinM2tuloksia...30 TAULUKKO6.MuuntopiirinM3tuloksia...31 TAULUKKO7.MuuntopiirinM4tuloksia...32 TAULUKKO8.MuuntopiirinM5tuloksia...32
1 1JOHDANTO Toimivan teollisuuslaitoksen perusedellytys on luotettava ja vaatimusten mukainen sähkög verkko.hyvinsuunniteltua,dokumentoituajarakennettuasähköverkkoaonhelppohuoltaaja laajentaa. Erityyppiset oikosulut aiheuttavat kolmivaiheisissa sähköverkoissa haasteita sekä oikosulkukestävyydelleettäoikosulkusuojaukselle.oikosulkuvirtaatäytyypyrkiärajoittamaan, jottaseeiaiheutatermisiäjamekaanisiavaurioitataivaaratilanteita.toisaaltaoikosulkuvirran täytyyollariittävä,jottaverkonosansuojaustoimiioikein.teollisuussähköverkoissaoikosulg kutarkasteluontärkeää,jottavoidaanvalitaoikeanlaisetkomponentitjasuojalaitteet.näinvarg mistutaan,ettäsähköverkonkaikkiosatkestäväterityyppisiävikatilanteitajasuojaustoimiiseg lektiivisesti.teollisuussähköverkoissakuormatovatsuuriajaverkossaonisojasähkömoottog reitajamuuntajia,jotkapyrkivätnostamaanoikosulkuvirtaa.myösteollisuuslaitostenkojeistog jensuhteellisenlyhyetetäisyydetkasvattavatoikosulkuvirtaa. TämäopinnäytetyötehtiinValioOy:ntoimeksiannosta.TässäopinnäytetyössätutkitaanValio Oy:n Haapaveden tehtaan sähkönjakeluverkon laskennallisia oikosulkuvirtoja. Työn tavoitg teenaonlaskemallamäärittäätehtaanerimuuntopiiriensähkökeskustenoikosulkuvirtoja.täg mäntyönulkopuolellerajattiintarkemmatkuormitettavuustarkastelutjaselektiivisyystarkasteg lut.tarkastelukattaasekä20kvkeskijänniteverkon,ettätehtaan0,4kvpienjänniteverkon. LaskennassakäytettiinapunaABB:nDOC2Gsähköverkonmitoitusohjelmaa.NykyisetmitoitusG ohjelmatovatperinteisiälaskentamenetelmiänopeampiajaniillävoidaanlaskeamonimutkaisg tenkinverkkojenarvoja.abbdoc2glaskentaohjelmavaatisuhteellisenpaljonopetteluaeng nenkuinsitäpystyihyödyntämääntehokkaasti. JohdannonjälkeenseuraatoimeksiantajanesittelyjossakerrotaanValiostayrityksenäjaVaG lionhaapavedentehtaantoiminnasta.vaikkaoikosulkuvirtojenlaskentatehtiintyössämitoig tusohjelmanavulla,ontärkeääymmärtäämatemaattisetmenetelmät,joillavoidaanlaskeaoig kosulkuvirta.teoriaosuudessakäsitelläänmatematiikanlisäksityönkannaltaoleellisestiliittyg vääteoriaa.käytännönosuudessakerrotaantarkemminvalionhaapavedentehtaansähkög verkosta ja työssä käytettävästä ABB DOC2 Gsähköverkonmitoitusohjelmasta. Käytännön osuudessakäydäänläpimyöstyönsuorittamisenerivaiheitajasiinäkohdattujaongelmatilang teita.lopuksiesitetääntyössäsaavutetuttuloksetjajohtopäätökset.
2 Tämäopinnäytetyötehtiinpoikkeuksellisestiparityönä.KoskaopinnäytetyöhönliittyväteoriaG alueonlaajajatyöhönliittyipaljonerityövaiheita,parityömahdollistiaiheenlaajemmantarg kastelun.vaikkatyöolisuhteellisenlaaja,parityöskentelymahdollistityökuormanpysymisen opinnäytetyössä kohtuullisena. Työtehtävät pyrittiin jakamaan mahdollisimman tasaisesti ja monipuolisesti,jottamolemmattyöntekijöistäsaisivataiheestakattavanjatarkankokonaiskug van. Haluamme kiittää Valio Oy:tä toimeksiannosta ja mielenkiintoisesta tutkimusaiheesta. ErityiG sestihaluammekiittäävalionhaapavedentehtaansähkötöidenjohtajaavillehaapalaa,joka toimiopinnäytetyöntyöelämäohjaajana.kiitämmemyöstyönohjaajaajakoulutusohjelmanylig opettajaajarihalmetta,sekämuutacentriaammattikorkeakoulunhenkilökuntaaohjauksesta opinnäytetyöntekemisessä. OikosulkulaskennastaonolemassapaljonmateriaaliajapyrimmeyhdistelemäänmonipuoliG sestijaoikeinkäytettävissäolluttakirjallisuutta.tärkeimpänälähteenätyönteoriaosuuteenoli LappeenrannanteknillisenkorkeakoulunvalmistamaopetusmonisteteollisuusverkonoikosulG kuvirtojenlaskentaan.käytännönosuudessalähteenäolipaljonlaskentaohjelmanvalmistajan käyttöopasjatyöntoimeksiantajantoimittamattiedot.
3 2VALIOOY Valio Oy on suomalainen elintarvikeyritys. Sen päätuoteryhmiä ovat juustot, rasvat, mehut, maitojauheetjaherajauheet.valioonperustettuvuonna1905.senomistavat17osuuskuntaa, joidenjäsenetovatmaitotilayrittäjiä.valionpääkonttorisijaitseehelsingissäjatuotantolaitoksia onsuomessayhteensäviisitoista.lisäksivirossasijaitseekaksituotantolaitosta.konsernilla olihenkilöstöävuonna2015noin4000henkilöä.valiogkonsernillaonulkomaillayhteensäykg sitoistatytäryhtiötä.tytäryhtiötsijaitsevatkahdeksassaerimaassaoruotsissa,tanskassa,vig rossa,latviassa,liettuassa,venäjällä,yhdysvalloissa,sekäkiinassa.tutkimusgjatuotekehig tysonolluttärkeässäosassaläpiyrityksenhistorian.valiotuomarkkinoillevuosittainuseita uutuustuotteita.(valio2016a,valio2016b.) KUVA1.IlmakuvaValionHaapavedentehtaasta(Valio2016) ValionHaapavedentehdasotettiinkäyttöönjovuonna1965.Tuotantokeskittyialkuvaiheessa maitojauhetuotteisiin,jotavietiinsuomenlisäksimyösneuvostoliittoonjaenglantiin.haapag vedentehtaalleotettiinkäyttöönjuustolavuonna1974.sillointehtaassavalmistettiinmaitojaug heenlisäksijuustoajavoita.tehtaassaolimyöserikoistuotelinja,jollavalmistettiinjogurtteja,
4 vanukkaita,sekäensimmäisenäsuomessaranskankermaa.vuonna1993haapavedentehg taallaruvettiinvalmistamaanoltermannigjuustoa,jokaonnykyääntehtaanpäätuote.tehdas tunnetaan nykyään myös korkealaatuisen herajauheen sekä vasikanrehujen valmistajana. ViimevuosinatehtaaseenontehtysuuriainvestointejavastaamaankasvanuttamaidontuotanG toa. Maidonvastaanottoon rakennettiin uusi linjasto, juustolan viereen juuston kypsytyssuog laamo ja uusimpina uudistuksina maitosäiliöautojen pesuhalli sekä uusi tuottajanmyymälä. Haapavedentehdasottaavastaanvuodessanoin249miljoonaalitraamaitoa.Tehdasonyksi suurimmistatyöllistäjistähaapavedellä,tällähetkellätehtaassatyöskenteleenoin150työnteg kijää.(valio2016a.)
5 3SÄHKÖVERKONOIKOSULKUJENMALLINTAMINENJALASKENTA OikosulkuvirtojajaniidenlaskemistakäsitelläänIEC60909Gstandardissa.Tässätyönteoria osiossakäsitelläänoikosulkuvirtalaskelmiinliittyvätperussuureetjayksinkertaisetlaskentameg netelmät.lisäksikäsitelläänoikosulkuvirtoihinliittyviätekijöitäjayleisiäteollisuudensähköng jakelujärjestelmiä. Oikosulkuvirtaonlähespuhdastainduktiivistaloisvirtaa,koskaoikosulkuimpedanssionpääG osin induktiivinen. Oikosulkuvirta sisältää vaihtovirtakomponentin lisäksi myös tasavirtakomg ponentinit. Tasavirtakomponentin vaimeneminen riippuu tarkasteltavan verkon ominaisuukg sista. Kolmivaihejärjestelmässä ainakin kahdessa vaiheessa on aina myös tasavirtakompog nentti.standardiiec60909suosittelee,ettälaskennoissajännitteenarvonakäytettäisiin1,1 kertaistajännitettä,koskaimpedanssejaonhyvinvaikeaarvioidatäsmällisesti.verkontähtig pisteidenmaadoitusmuunmuassamuuntajillavaikuttaamaasulussasyntyvienylijännitteiden suuruuteen.(elovaara&haarla2011,171g175.) 3.1Thevenininmenetelmä ThevenininmenetelmässätarkasteltavavikaantunutverkkokorvataanyksivaiheisellasijaiskytG kennällä.theveningmenetelmässämääritetäänvikakohdanjännitekuormitustilanteessa,eng nen vikaa. Sitten selvitetään vikakohdasta syöttävään verkkoon katsottaessa näkyvä impeg danssi.thevenininsijaiskytkennässävikapaikkaanasetetaanjännitelähdejamuutjännitteet oletetaannolliksi.vastaavatoikosulkuimpedanssitsijoitetaanverkonmuidenlähteidenjakomg ponenttientilalle.vikapaikassaolevanekvivalenttisenjännitelähteenjaverkonkomponenttien impedanssinavullavoidaanmuodostaasijaiskytkentäeriverkoillejaerivikatilanteille.(hietag lahti2013,267.)
6 KUVIO1.ViallinenverkkojasenTheveninsijaiskytkentä.KohdassaFtapahtuuoikosulku. Qonsyöttäväjäykkäverkko,TonmuuntajajaLonverkonkuorma.Näillekomponenteille voidaan määrittää näiden oikosulkuimpedanssit Z Q, Z t ja Z L. Kuviossa on esitetty myös Thevenininsijaiskytkentä,käyttäenjännitelähdettäjaoikosulkuimpedansseja. VikavirrantehollisarvolasketaanohminlainmukaisestijakamallapiirinjännitesenimpedansG silla. Vaihtovirtatarkastelussa käytetään oikosulkuimpedanssia Z k, joka koostuu oikosulkug resistanssistar k jaoikosulkureakatanssistax k.oikosulkuimpedanssiz k onpiirinimpedanssi jännitelähteen navoista mitattuna. Tästä verkon impedanssista käytetään myös nimitystä ThevenininimpedanssiZi.Oikosulkuvirranyksikköonampeeri(A),muttayleensäkäytetään paremmin soveltuvaa yksikkö kiloampeeri (ka). Taulukossa 1 esitettyjen jännitekertoimien avullavoidaanlaskeavikatapauksellemaksimigjaminimioikosulkuvirta.(hietalahti2013,267g 268.)
7 Thevenininmenetelmälläoikosulkuvirrantehollisarvosaadaanyhtälöstä: I" k = # $ & ' ( ) * +,- * + = # $ & ' (. * (1) missär k onoikosulkuresistanssi,x k onoikosulkureaktanssi,conjännitekerroinjau n onvig kapaikanpääjännite.(abb2000,1.) TAULUKKO1.Jännitekertoimetoikosulkuvirranlaskentaan JänniteU n MaksimioikosulkuvirtaC max MinimioikosulkuvirtaC min 0.4kV 1.0 0.95 1 35kV 1.10 1.00 35 230kV 1.10 1.00 3.2Oikosulkujenvikatyypit Sähköverkossailmenevätoikosulutjaviatovatjokosymmetrisiätaiepäsymmetrisiä.SymmetG risellävialla(symmetrical"faults)onsamanlainenvaikutuskaikkiinvaiheisiin.symmetrisessä viassaesiintyyvainverkonmyötäimpedanssi.tämänvuoksisymmetristenvikojenanalysointi ja laskeminen on helpompaa yksivaiheisella sijaiskytkennällä. Epäsymmetriset viat(unsym0 metrical"faults)vaikuttavateritavallaerivaiheissa.epäsymmetristenvikojenlaskennassatäyg tyyottaahuomioonmyösverkonvastagjanollaimpedanssit.(elovaara&haarla2011,167.) 3.2.1Kolmivaiheinenoikosulku Kolmivaiheisessaoikosulussakaikkikolmevaihettakytkeytyvätyhteen.KolmivaiheinenoikoG sulkuaiheuttaaläheskaikissatilanteissasuurimanoikosulkuvirran.kolmivaiheinenoikosulku onsymmetrinenvika.koskasymmetrisenviantarkasteluonhelpompaajakolmivaiheinenoig kosulku aiheuttaa todennäköisimmin suuriman oikosulkuvirran, se on oikosulkutarkastelujen perustapaus.kolmivaiheinenoikosulkuvirtavoidaanlaskea,kuntiedetäänsähköverkonkomg ponenttienoikosulkuimpedanssit.(elovaara&haarla2011,170.)
8 KolmivaiheinenoikosulkuvirtaI k3 voidaanlaskeathevenininyhtälöstä: I 0( = # $ & ' (. 1 (2) missäconjännitekerroin,u n onpääjännitejaz 1 onverkonmyötäimpedanssi.(abb200,2.) 3.2.2Kaksivaiheinenoikosulku Kaksivaiheisessaoikosulussakolmivaihejärjestelmänkaksivaihettakytkeytyyyhteen.KaksiG vaiheinenoikosulkuonepäsymmetrinenvika.kaksivaiheinenoikosulkuvirtai k2 voidaanlaskea Thevenininyhtälöstä: I 02 = # $ & '. 1,. + (3) missäconjännitekerroin,u n onpääjännite,z 1 onverkonmyötäimpedanssijaz 2 onverkon vastaimpedanssi.(abb2000,2.) 3.2.3Yksivaiheinenoikosulku YksivaiheinenoikosulkuelimaasulkuonvikatilannevirtajohtimenjamaantaimaahanjohtaG vassayhteydessäolevanosaneristysvika.yksivaiheinenoikosulkuvoidaanlaskeayhtälöstä: I k1 = 3#cU n 8 9,8 1,8 + # (4) missäz 0 onverkonnollaimpedanssi.(abb2000,3.) PienjänniteverkonyksivaiheinenoikosulkuvoidaanlaskeakolmivaiheisenoikosulunarvonI k3 avulla,käyttämälläyhtälöä: I 0: = ( 2, ; 9 ;1 #I 0( (5)
9 3.3OminaisoikosulkutehoDmenetelmä Useissa tapauksissa oikosulkuvirtoja voidaan laskea myös käyttämällä ominaisoikosulkuteg hoja.ominaisoikosulkutehossakokooikosulkuvirtajanimellisjännitevaikuttavatyhtäaikaisesti. Ominaisoikosulkutehoonoikosulkutehoa,jokaesiintyisitarkasteltavankomponentinjälkeen, jolleivatmuutvirtapiirinkomponentitrajoittaisisitä.ominaisoikosulkutehomenetelmäonusein nopeatapamäärittääoikosulkuvirtamuttasiihensisältyyepätarkkuuttaeikäsesovellumonig mutkaistenverkkojentarkasteluun.tämämenetelmäsopiikuitenkinhyvinsäteittäistenverkg kojenoikosulkutehojenkäsinlaskentaanjaoikosulkuvirtojensuuruudenarviointiin.oikosulkug virtavoidaanlaskeaominaisoikosulkutehostayhtälöllä: I k = c*s k 3#U N (6) missäconjännitekerroin,u n onpääjännitejas k onominaisoikosulkuteho.(hietalahti2013, 270,Huotari&Partanen1998,8.) 3.4Oikosulkusuureet Oikosulkuvirran arvo ja käyttäytyminen, on seurausta vikatyypin lisäksi suuresti myös oikog sulunsyntyhetkestä. AlkuoikosulkuvirtaI konvianalkuhetkelläesiintyväsymmetrisenoikosulkuvirrantehollisarvo (Hietalahti 2013,267). Alkuoikosulkuvirtaa ei voida erityisemmin käyttää oikosulku mitoitukg seen,muttasenavullavoidaanlaskeamuitaoikosulkusuureita(huotari&partanen1998,23). AlkuoikosulkuvirtavoidaanlaskeaThevenininkaavanavulla,käyttäenpiirinalkuimpedanssiarG voja(huotari& Partanen 1998, 23). Alkuoikosulkuvirran vaimenemisaika on noin 0,1s(EloG vaara&haarla2011,175). Sysäysoikosulkuvirtaipesiintyynoin10mskuluttuavianalkamisesta,jolloinsaavutetaansuuG rinoikosulkuvirranhetkellisarvo(hietalahti2013,267).tämänjohdostasysäysoikosulkuvirtaa käytetäänverkonkomponenttienmekaaniseenmitoitukseen.(elovaara&haarla2011,174). Sysäysoikosulkuvirtavoidaanlaskeayhtälöllä: ip=κ 2#I"k (7)
10 missäκ"onsysäyskerroinjai konalkuoikosulkuvirta. SysäyskertoimenκarvoonvaikuttaaresistanssinjareaktanssinvälinenR/XGsuhde.SysäysG kertoimenarvovoidaanmäärittääkaavasta:(huotari&partanen1998,24). κ=1,02+0,98e K3R X (8) missäronverkonresitanssijaxonverkonreaktanssi. Kuvasta2voidaanmyösmäärittääsysäyskertoimenκ"arvo"R/X suhteenfunktiona. KUVA2.SysäyskertoimenκriippuvuusresistanssinRjareaktanssinXsuhteesta(ABB200, 8.) MikälitarkkaaarvoaeitunnetapienjännitteelläsysäyskertoimenarvovoidaansaadamyöstauG lukosta2(huotari&partanen1998,24).pienjännitteelläsysäyskertoimenκmaksimiarvoon 1,8(Hietalahti2013,269).
11 TAULUKKO2.Sysäyskertoimenκarvosuhteessaoikosulkuvirrantehollisarvoon(<1000V) I k/ka κ cosφ 10 1,2 0,5 20 1,4 0,3 50 1,5 0,25 >50 1,6 0,2 MuutosoikosulkuvirtaI kontehollisarvooikosulunsyntyhetkenjälkeenilmenevällevaihtovirtag komponentille.muutosoikosulkuvirrankäyttäytyminenriippuuvikatyypistä.epäsymmetrisessä viassavaimeneminenonvoimakasta,kunnespysyväntilanoikosulkusaavutetaan.(salminen 2008,22.) Muutosoikosulkuvirtavoidaanlaskeayhtälösta: Uv I ' k= Z ' k+zf (9) missäuvonvaihdejännite,z k onmuutosoikosulkuimpedanssijaz f onvikaimpedanssi. PysyväntilanoikosulkuvirrassaIkalkuGjamuutosoikosulkuvirratjatasavirtakomponenttiovat tapahtuneet tai vaimentuneet pois. Pysyvän tilan arvoa saavutetaan hyvin harvoin, sillä yleensäverkonsuojaustoimiimuutostilanaikana.pysyväntilanoikosulkuvirrastamääräytyy johtimienjaverkonmuidenkomponenttienlämpeneminen.(elovaara&haarla2011,175,176.) TermisenoikosulkuvirranI th avullavoidaanmäärittääverkonkomponenttienterminenoikosulg kukestoisuus. Terminen oikosulkuvirta I th lasketaan alkutilanvirran tehollisarvon avulla yhtäg löstä:(huotari&partanen1998,29.) I th =I"k (m+n)t k (10) missämontasavirtatekijä,nonvaihtovirtatekijäjat k onviankestoaikasekunteina.(abb 200,8.)
12 Tasavirtatekijänmavullayhtälössäotetaanhuomioonoikosulkuvirrantasavirtakomponentin vaimeneminen.senarvomääräytyysysäyskertoimestaκjaviankestoajastat k.(huotari& Partanen1998,29.) KUVA3.Tasavirtatekijänmriippuvuussysäyskertoimestaκjaoikosulunkestoajastat k (ABB 2000,8.) VaihtovirtatekijällänavullayhtälössäotetaanhuomioonoikosulkuvirranvaihtovirtakomponenG tinvaimeneminen.senarvomääräytyyalkuoikosulkuvirranjapysyväntilanoikosulkuviransuhg teestai k/ikjaoikosulunkestoajastat k.(huotari&partanen1998,30.) KUVA 4. Vaihtovirtatekijän n riippuvuus I k/ik suhteesta ja oikosulun kestoajasta t k (ABB 2000,9)
13 3.5Oikosulkuimpedanssienmallintaminen KunkäytetäänThevenininmenetelmääoikosulkuvirtojenmäärittämiseen,oikosulkuverkon komponenttienimpedanssittäytyymallintaamahdollisimmantarkasti.oikosulkuvirtaakasvatg taviakomponenttejaovatsyöttäväverkkojapyörivätsähkökoneet.verkkojageneraattorit syöttävätsuurimmanosaoikosulkuvirrasta,muttavarsinkinlaskettaessasysäysoikosulkuvirg taamyöstahtigjaepätahtikoneettuleeottaahuomioon.oikosulkuvirtaarajoittavatmuuntag jien,kuristimien,johtojen,kaapelienjakiskojenimpedanssit.tämänotsikonallatarkastellaan näidenkomponenttienimpedanssienmatemaattistamallintamista.(huotari&partanen1998, 15.) 3.5.1Syöttäväverkko SyöttävästäverkostaonyleensätiedossaalkuoikosulkuvirtaI kv tainäennäinenalkuoikosulg kutehos kv.syöttävänverkonimpedanssiz kv voidaanlaskeanäidenavullaseuraavastiyhtäg löstä: Z kv =# cu n 2 S" kv =# cu n 3I" kv (11) missäu n onsyöttävänverkonpääjännite,s kv onnäennäinenalkuoikosulkuteho,i kv onsyötg tävänverkonalkuoikosulkuvirtajacontaulukon1mukainenjännitekerroin. Yli35kVsuurjänniteavojohtoverkkosyötönimpedanssikoostuupelkästäänreaktanssistajolG loinz kv =jx kv.pienjänniteverkonoikosulkuvirtojalaskettaessasyöttävänverkonpienjänniteg puolelleredusoitureaktanssivoidaanlaskeayhtälöllä: X kv =# 1,1U n 2 (12) S" kv missäu n onsyöttävänverkonpääjännite,s kv onnäennäinenalkuoikosulkuteho
14 Verkonpienjännitepuolelleredusoituresistanssivoidaanlaskeayhtälöllä: R kv =0,1X kv (13) missäu n onsyöttävänverkonpääjännite,x kv onsyöttävänverkonreaktanssi. Pienjänniteverkonoikosulkuvirtaalaskettaessasyöttäväverkkovoidaanjättäähuomiotta,miG kälioikosulkutapahtuulähellämuuntajaajaepäyhtälös kv >400S n toteutuusyöttävänverkon näennäinenalkuoikosulkutehons kv jamuuntajannimellistehons n välillä.(huotari&partag nen1998,15g16.) 3.5.2Tahtikoneet Valmistajayleensäilmoittaatahtikoneentärkeimmätarvotkutenresistanssin,reaktanssinja aikavakiot.tahtikoneenreaktanssixvoidaanmyöslaskeakäyttämälläyhtälöä: X= x U2 n (14) 100 S n jossaxonalkug,muutosgtaitahtireaktanssiprosentteina,u n ontahtikoneenpääjännitejas n ontahtikoneennimellisnäennäisteho. KunkäytetäänekvivalenttistajännitelähdettälaskettaessaalkuGtaisysäysoikosulkuvirtaa Thevenininkaavojenavulla,tahtikoneenresistanssijareaktanssitäytyykertoakertoimella K G,jokavoidaanmäärittääkäyttäenkaavalla:.(Huotari&Partanen1998,17.) K G = U n U ngm c max 1+x d " sin φ ngm (15) jossac max ontaulukon1mukainenjännitekerroin,u n verkonpääjännite,u ngm tahtikoneen pääjännite,x d ontahtikoneensuhteellinenalkureaktanssijaφ ngm ontahtikoneennimellispisg teenkulma.(abb2000,8.)
15 3.5.3Muuntajat KaksikäämimuuntajienoikosulkuimpedanssiZ k voidaanlaskeavalmistajanilmoittamistakilg piarvoistaseuraavastiyhtälöllä: X Y = Z [ :\\ ]^+ _^ (16) missäu k onmuuntajanoikosulkujänniteprosentteina,u n onmuuntajannimellispääjännite,s n onmuuntajannimellisnäennäisteho. KaksikäämimuuntajienoikosulkuresistanssiR k voidaanlaskeavalmistajanilmoittamistakilg piarvoistayhtälöllä: R k =# u r U2 n = P kn 100 S n 3I2 (17) n missäu r onmuuntajanresistanssinaiheuttamaoikosulkujänniteprosentteina,p kn onmuuntag jankokonaispätötehohäviötnimellisvirrallajai n onmuuntajannimellisvirta. KaksikäämimuuntajienoikosulkureaktanssiX k voidaanlaskeayhtälöllä: X k = Z k 2 KR k 2 (18) missäz k onoikosulkuimpedanssijar k onoikosulkuresistanssi.(huotari&partanen1998, 18.) 3.5.4Epätahtimoottorit EpätahtimoottoritsuurentavatsymmetrisissävioissaalkuGjasysäysoikosulkuvirtaajaepäsymG metrisissämyöspysyväntilanoikosulkuvirranarvoa.epätahtimoottorittoimivatoikosulunalg kuhetkinägeneraattoreinajaosallistuvaterityisestisysäysoikosulkuvirrantuottamiseen.taag juusmuuttajaohjatutmoottoriteivätlisääoikosulkuvirtaa.suurjännitemoottoritvoidaanmalling taa erikseen mutta pienjännitemoottorit kannattaa esittää muuntopiirikohtaisilla ekvivalenttig
16 moottoreilla.mikälikäynnissäolevienmoottorientehoonalle25syöttävienmuuntajienteg hosta,moottorienvaikutustaeitarvitseottaahuomioon.epätahtimoottoreidenoikosulkuimpeg danssiz m voidaanlaskeayhtälöllä: Z m = 2 1 U n I s /I n S n (19) missäi s onmoottorinkäynnistysvirta,i n onmoottorinnimellisvirta,u n onmoottorinnimellisg jännitejas n onmoottorinnimellisnäennäisteho. Impedanssivoidaanjakaaresistanssiksijareaktanssiksikäyttämällätaulukkoa3.(Huotari& Partanen1998,19oHietalahti2013,269.) TAULUKKO3.EpätahtimoottoreidenR m /X m jax m /Z m suhteet.p n onmoottorinnimellispätög tehojaponmoottorinnapapariluku. U n /kv P n /p/mw R m /X m Xm/Z m 1 1 0,10 0,995 1 <1 0,15 0,989 <1 kaikki 0,42 0,922 3.5.5Kaapelit,johdotjakiskot Kaapelin impedanssi arvo voidaan laskea valmistajan ilmoittamista resistanssig ja reaktansg siarvoista.kaapelinimpedanssiz j voidaanlaskeayhtälöllä: Z j = r+jx! (20)# jossaronkaapelinresistanssipituusyksikköäkohti,xonkaapelinreaktanssipituusyksikköä kohtija!onkaapelinpituus. Avojohtojenimpedanssivoidaanlaskeatapauskohtaisestikaapeleidentavoin.Kiskostotovat suhteellisen lyhyitä ja niiden impedanssia ei tarvitse ottaa huomioon. (Huotari & Partanen 1998,20G21.)
17 3.6Oikosulkulujuusjaoikosulkuvoimat VärähtelevätoikosulkuvoimatovatoikosulkuvirtojenaiheuttamiamekaanisiavoimiajanesaatG tavataiheuttaarasitustakiskostoihinjaniidentukirakenteisiin.seurauksenaoikosulkuvoimista voiollamyöskiskostonmetallinväsymisilmiö.mikälikiskostonominaistaajuusonlähellä100 Hzarvoa,kiskostossavoisyntyäikäviäääniGilmiöitä.Oikosulkulujuudenjaoikosulkuvoimien laskentakaavojatarkastellaantarkemminlähteessä.(elovaara&laiho1988,239g245.)
18 4TEOLLISUUSSÄHKÖVERKKO Teollisuuslaitostensähköverkkoonliityntätyyppiriippuuhyvinpitkältilaitoksenkoosta.Suuret laitoksetliittyvätsuoraan110kvsiirtoverkkoonjapienemmätlaitokset20kvjakeluverkkoon. Laitoksenkokovaikuttaamyöstehtaanpienjännitejakeluun.Suuremmissatehtaissajoissaon paljonsuuriasähkömoottoreita,moottorilähdötontoteutettu690vjännitteellä.teollisuuslaig toksissakeskijännitteelläkäytetäänyleensäsäteittäistäsähkönjakeluverkkoa,jollavoidaanrag joittaaoikosulkuvirtojasekäsuojauksenjärjestäminenonhelpompaa.säteittäisenverkostorag kenteeneduiksikatsotaanmyösverkonselkeärakennesekäsenyksinkertainenkäytettävyys. (Hietalahti2013,125.) Teollisuusverkon pienjännitejakelu voidaan jakaa kolmen erin päätyypin mukaan. Niitä ovat keskitettyjakelu,porrastettujakelujahajautettujakelu.keskitetyssäjakelussaoikosulkukesg tävyystuleeollahyvä,koskasenkaikkimoottorilähdötonkeskitettypääkeskuksiin.keskiteg tyssäjakelussakojeistotvoivatsijaitayhdessäsähkötilassasekäsenrakenneonhelppotehdä. PääsääntöisetongelmatkeskitetyssäjakelussaovatsuuretoikosulkuvirratjahäiriöidenulottuG minen keskusten syöttämälle prosessin osalle. Porrastetussa järjestelmässä porrastus voig daan toteuttaa pääkeskusgalakeskus jakelujärjestelmällä. Järjestelmän avulla voidaantehdä komponenttienmitoituspienempienvirtojenmukaan,koskasemahdollistaaoikosulkuvirtojen rajoittamisenalakeskuksissa.hajautetussajakelussasähkönjakelutoteutetaantehdasmuung tamoilla.sähkökäyttöjenohjauslaitteetsijoitetaanmoottorienläheisyyteenjaohjaukseenkäyg tetäänkenttäväyläohjausta.(hietalahti2013,125g126.) 4.1Teollisuuskeskukset SähkökeskuksetovatyleensälämpimäänjalukittavaansisätilaanasennettaviasähkönjakeluG taihaaroituspisteitä.teollisuudessakeskuksiakäytetäänmoottorienohjausgjakäynnistyslaitg teidensijoittamisessasähkötiloihinsekäautomaatiojärjestelmienohjauskaappeina.sähkökesg kuksetsijoitetaanyleensälukittaviintiloihin,mikätakaasen,ettäkeskuksiapääsevätkäsitteg lemäänvainsähköalanammattihenkilöt.sähkötilatovatpaloturvallisia,jotentulipalonleviämisg
19 riskiäeiole.tilatonmyössuojattupölyltäsekäosittainkosteudelta.keskuksettuottavatlämg pöä, joten sähkötiloihin suositellaan koneellista ilmastointia ja jäähdytyslaitteita.(mäkinen& Kallio2004,108.) Keskuksienrakenteiltaedellytetäänainatiettyäsuojausluokkaa,jokasuojaasähköiskulta.TarG kanvalmistusmateriaalinsekäkotelointigjasuojausluokanmäärittävättilanominaisuudet.oig keankoteloinninavullasuojataankeskuksensisältökosketukselta,vierailtaesineiltä,pölyltä sekä vedeltä. Keskuksien valmistusmateriaaleina käytetään metalleja ja muoveja. HenkilösG tösuojauksessaontärkeää,ettäkeskuskestäävikatilanteessasyntyvänvalokaarenaiheuttag matlämpögjapainevaikutukset.(mäkinen&kallio2004,108.) 4.2Jakelumuuntajat Tähäntyöhönliittyvätjakelumuuntajatvoidaanjakaakolmeenryhmään,hermeettisiin,paisunG tasäiliöisiinjakuivamuuntajiin.hermeettisetjakelumuuntajatovatitsejäähdytteisiäjaöljyerisg teisiä.muuntajatsoveltuvatsisägjaulkotilagasennukseen.hermeettinenjakelumuuntajassaei olepaisuntasäiliötä.öljynlämpölaajeneminentapahtuumuuntajasäiliönjoustavissajäähdytyg saalloissa. Hermeettiset muuntajat ovat yleensä hieman matalampia, kuin paisuntasäiliöiset muuntajat.yleensäperinteinenöljyeristeinenmuuntajaonvarustettupaisuntasäiliöllä,koska muuntajaöljyntilavuusvaihteleelämpötilanmuutoksienseurauksena.kuivamuuntajassajäähg dytystapahtuuhyödyntämälläluonnollistailmavirtaustajasiinäeiolelainkaanöljyä.(aura& Tonteri2005,284G285.) Kolmivaihemuuntajanvaihekäämitvoidaankytkeäjokotähteen,kolmioontaihakatähteen.YläG jännitepuolella kytkentä merkitään isolla kirjaimella ja alajännitepuolella pienellä kirjaimella. Kolmiokytkentä merkitään yläjännitepuolella kirjaimella D ja alajännitepuolella kirjaimella d. TähteenkytkennässäyläjännitepuolellakäytetäänkirjaintaYjaalajännitepuolellay.TunnusluG vunavullailmaistaanensiögjatoisiojännitteidenvaihekulmaerot.kytkennäntunnuslukukertoo mitä numeroa kellotaulussa toisiojänniteosoitin osoittaa, kun vastaava ensiöjänniteosoitin osoittaanumeroa12eli0.kytkentädy11tarkoittaa,ettäyläjännitepuolionkytkettykolmioon ja alajännitepuoli tähteen. Lisäksi toisionjännite on 30 astetta ensiöpuolta jäljessä. (Aura & Tonteri2005,282.)
20 KUVA5.Kolmivaiheistenmuuntajienkytkennät(Aura&Tonteri2005,281.) 4.3Kaapelit Teollisuudessakäytetäänhyvinerilaisiakaapeleitariippuenkaapelinkäyttötarkoituksesta.TeG ollisuusverkon eri keskusten välissä olevat pienjännitteiset voimagasennuskaapelit ovat yleensäpituudeltaansuhteellisenlyhyitämuttakuljettavatpaljontehoa.tämänvuoksiniiden poikkipintagalatäytyymitoittaariittävänsuureksi.käytettävätjohdinmateriaalitovatkuparija alumiini.vaikkapienemmätkaapelitovatyleensäkuparia,sähkönjakelussaonsiirryttykäyttäg mään enemmän alumiinijohtimia. Syynä alumiinijohtimien käytölle isommilla poikkipintagalag oilla on edullisemmat kustannukset, suurempi kuormitettavuus ja kevyempi kaapelinpaino. YleensänousujohtokaapelitovatPENGtyyppisiä,jolloinnollajamaaonyhdistettysamaanjohG timeen.pengjohdinvoikulkeaomanaeristettynäjohtimenaanvaiheidenkanssataikaapelivoi olla konsentrinen, jolloin eristetyt vaihejohtimet kulkevat kuparin sisällä. Eristemateriaalina pienjännite voimakaapeleissa käytetään joko PVC tai PEX muovia. Pitkät kaapelietäisyydet aiheuttavatjännitteenalenemaakaapelintoisessapäässä.(mäkinen&kallio2004,52g60.)
21 5SÄHKÖVERKONLASKENTAOHJELMAABBDOC ABBDOC on ABB konsernin valmistama ilmainen sähköverkon laskentaohjelma. Ohjelma mahdollistaapiengjakeskijänniteverkkojenyksiviivaisenmallintamisenjaverkoneriarvojen laskemisen.ohjelmamahdollistaaoikosulkuvirtojenlaskennanlisäksimyösselektiivisyysgja kuormitettavuuslaskelmat.koskaohjelmakäyttäävainabb:nvalmistamiakomponentteja,seg lektiivisyysg ja kuormitettavuuslaskelmat jätettiin pois tarkastelulta. Työssä keskityttiin laskeg maan pienjännitekeskusten oikosulkuvirtoja. ABB DOC mahdollistaa eri standardien käytön laskelmissa.tässätyössäkäytimmeoikosulkuvirtojenlaskemiseensuomessakäytössäoleg vaakansainvälistästandardiaiec60909g1.kaapeleidenmitoittamiseenkäytimmekansainväg listästandardiaiec60364.(abbdoc,6.) Vaikkaohjelmastaolisiuudempiakinversioita,työssäkäytettiinABBDOCGohjelmanversiota 2.0,koskasenkäyttäminenolihelpompaajasaimmeyhdenmukaisettulokset.Ohjelmaonalun perin italiankielinen, mutta on nykyään käännetty useille kielille. Käytimme lähtökohtaisesti englanninkielistä versiota, mutta välillä mukaan tuli myös suomeng ja italiankielisiä sivuja ja termejä. Ohjelmankäyttöeiollutalkuunmitenkäänhelppoa,vaanvaatipaljonperehtymistäjaharjoitG telua. Monet asiat ja komennot toimivat hyvin eri tavalla kuin muissa suunnitteluohjelmissa. Ensimmäinenhaasteolisaadaalkuarvotkohdalleen.Myösoikeidentaimahdollisimmanhyvin korvaavienobjektienvalintaolivälillähaastavaa.kunkaikkiolipiirrettyvalmiiksi,tulikinhaasg tettalaskennankanssa.ohjelmanavuksionlaadittu181sivuinenohjekirja,jostalöytyiuseaan ongelmaantarvittavavastaus. Kunoikosulkuvirtojaaletaanlaskemaan,täytyyaluksimäärittääkyseisenverkonlähtötiedot. Tässä vaiheessa voidaan määrittää, halutaanko laskea pelkästään pienjänniteverkkoa vai myös keskijänniteverkkoa. Myös saarekekäytön laskenta on mahdollista. Työssä käytimme keskijännitejakelu vaihtoehtoa, joka mahdollisti sähköverkon tarkemman tarkastelun. Tällöin lähtötiedoiksi merkittiin keskijännitteen nimellisjännite ja oikosulkuvirta. Koska meilläolitieg dossakeskijännitepuolenjännitejaoikosulkuvirta,laskeminenolihelpompaa,kunmukaankug vattiinmyösmuuntajanyläjännitepuoli.lähtötiedoissavalitaanmyöslaskennassakäytettävät standarditjaalajännitepuolenjännitejajakelutyyppi.(abbdoc,12g22.)
22 KUVA6.Laitoksenyleistenominaisuuksienmäärittely Kunlähtötiedotonmääritetty,mallinnetaanlaskettavasähköverkkoohjelmaankaikkinekomG ponentteineen.tässätyössäyleisimmätkomponentitolivatmuuntajat,varokkeet,kytkimetja kaapelit.jokaisellenäillepyrittiinlöytämäänoikeanlaisetarvot.kunkomponentitonmääritetty nekannattaalukita,jolloinohjelmaeioptimoiniitä.jottalaskentaonnistuu,laskettavalleverg kolletäytyymyösmäärittääkuormitusta.kuormavoidaanmäärittääjokonimellisvirrantaipätög tehonavulla.kondensaattoriparistonavullaverkkoonvoidaanmallintaamyösloistehoa.sen jälkeenvoidaanverkollesuorittaaoikosulkuvirtojenlaskenta.(abbdoc,12g22.) Komponenttienarvotvoitiinmääritellä,valitsemallakyseinenkomponenttijaantamallakysytyt arvot.muuntajalleannetaanmuuntajankilpitietojenmukaisetarvottehostajakytkennöistä.vag rokkeille ja kytkimille annetaan tieto niiden sulakekoosta. Kaapeleista määritellään kaapelin
23 pituus,johtimienlukumäärä.lisäksivoidaanvalitakaapelineristystyyppipvc:njaxlpe:nväg lillä.kaapelinjohdinmateriaalissavaihtoehtoinaovatkuparigtaialumiinijohdin.(abbdoc,12g 22.) KUVA7.Kaapelienmäärittely
24 6VALIONHAAPAVEDENTEHTAANKESKUSTENOIKOSULKUVIRTOJENLASKENTA ValioOy:nHaapavedentehdassijaitseeHaapavedenkeskustanläheisyydessä,KynttilänkanG kaanteollisuusalueella.tehtaansähkönsyöttötapahtuunoinpuolenkilometrinpäässäsijaitg sevalta110/20kveleniaoy:nhaapavedensähköasemalta.sähköasemallaonkaksi110/20 kvpäämuuntajaa,joistapm1tehoon25mvajapm2tehoon16mva.pääsyöttövaliolleon sähköasemanlähtöj08pohjolanmaito.valionvarasyöttöontarvittaessakytkettävissäj07 Teollisuusaluelähtöön.MolemmatsyötötonkaapeloituAHXAMKGW3x185+35GkeskijänniteG kaapelilla.(haapala2016.) Tehtaansähkönjakeluonjaettukahteen20kVkeskijännitekojeistoon.PääsyöttöJ08Pohjolan MaitotuleeKylmäkeskuksenkeskijännitekojeistolle.VarasyöttöJ07TeollisuusaluetuleeLämG pökeskuksen keskijännitekojeistolle. Keskijännitekojeistot on yhdistetty yhdellä AHXAMKGW 3x185+35 Gkeskijännitekaapelilla. Sähkönjakelu on jaettu viiteen eri muuntopiitiin. Muuntajat M1jaM2sijaitsevatlämpökeskuksenmuuntamotilassa.EnsimmäinenmuuntajaM1onABB:n valmistama1600kva:nöljyjäähdytteinen20/0.4kvmuuntaja.muuntajam1syöttääpääkesg kustapk1.muuntajanm1vieressäsijaitseemuuntajam2.myösmuuntajam2onabb:nvalg mistama2000kva:n20/0.4kvmuuntaja.muuntajam2onhermeettisestisuljettumuuntaja. KylmäkeskuksenmuuntamotilassasijaitsevatmuuntajatM4jaM5.NämämuuntajatonyhdisG tettykiskosillallapääkeskuksiinpk4japk5.muuntamom3sijaitseejauheosastonmuuntamog tilassa. Muuntajaa M3 syötetään kylmäkeskuksen keskijännitekojeistosta AHXAMKGW 3x70+35 Gkeskijännitekaapelilla. Muuntaja M3 on ABB:n valmistama 2000 kva:n 20/0.4 kv muuntaja.muuntajatm4jam5ovatitalialaisentmctransformersinvalmistamia1600kva:n kuivamuuntajia. Tehtaassaonmyösomiadieselmoottorigeneraattoreitavaravoimakoneina,jollavoidaantuotG taasähköä.muuntajanm1pääkeskukseltapk1onvarayhteysmuuntajanm2pääkeskukseen PK II. Sekä muuntaja M4 että M5 voivat syöttää kylmälaitteiden pääkeskusta 4RK1. Tässä työssälaskettiinvainnormaalinkäyttötilanteenoikosulkuvirrat.
25 KUVA8.ABB:nvalmistama2000kVA:nkolmivaihemuuntajaM2 6.1Laskentaantarvittavientietojenkerääminen Laskelmiavartentehtaaltatäytyikerätäerilähtötietoja.LaskentaantarvittaviatietojaolivatkesG kustenvälistenetäisyyksienmittaaminen,ympäristönlämpötilajakaapeleidenasennustapa. Nämätiedottäytyiselvittäätehtaallapaikanpäällä.KeskustenvälistenetäisyyksienmittaamiG senensimmäinenvaiheolitaulukoidamitattavatkohteet.valiontoimittamastanousujohtokaag viosta katsottiin, mitkä keskusten väliset nousujohtokaapelit täytyy mitata. Tämän jälkeen kaikki mitattavat kohteet taulukoitiin ExcelGtaulukkolaskentaohjelmaan. Mittaukset aloitettiin johdonmukaisestiensimmäisestämuuntopiiristä.mittausvälineinäkäytettiinperinteisenrullag mitanlisäksilasermittalaitetta,jollaonerittäinnopeaselvittääpidemmätkinetäisyydettarkasti. Työntilaajailmoittilaskennassakäytettävänympäristönlämpötilansekätyöntilaajankanssa sovittiin laskennassa käytettävän kaapeleiden asennustavan. Keskijännitekaapelin etäisyys sähköasemalta Valion tehtaan keskijännitekojeistoon arvioitiin Elenian Trimble NIS GohjelG masta.saimmesyöttökaapelinarvioiduksimitaksi635m.
26 Tehtaan nousujohtokaaviosta saatiin paljon tarvittavaa tietoa laskentaa varten. NousujohtoG kaaviostaselviäämallinnettavanmuuntopiirinverkonrakenne,jokavoidaanmallintaalaskeng taohjelmaanlähessellaisenaan.siitäilmeneemyössuojaavienkytkinlähtöjenjasulakkeiden tyyppijakoko.lisäksisiitäselviääkaapelienkokojamateriaali.tarvittavatmuuntajientiedot saatiinmuuntajakilvistäjanousujohtokuvista. 6.2OikosulkuvirtojenlaskentakäyttäenABBDOCDlaskentaohjelmaa OikosulkuvirtojenlaskentatehtiinmuuntopiirikohtaisestiABBDOCGlaskentaohjelmalla.LasG kennassajätettiinhuomiottanormaalikäytönulkopuolellaolevatvaravoimakeskuksetjamuun muassamittauskeskukset.myöskäänulkonaoleviakatujakokaappejaeilaskettumukaantarg kasteluun.myöstoimistotilojenjaruokalansähkökeskuksetjätettiinpoistarkastelustajakeskig tyttiinvaintuotannonkeskustenoikosulkuvirtoihin.työssäeimyöskäänlaskettuerivikatilang teidentaimuutennormaalistakäyttötilanteestapoikkeaviaoikosulkuvirtoja.laskelmissajätetg tiinhuomiottamyöskuormitettavuusgjaselektiivisyyslaskelmat.ryhmätjoitasuojaavansulakg keenkokoolipienempikuin80ajätettiintarkastelunulkopuolelle. SaimmetehtävänannonValionHaapavedentehtaansähkötöidenjohtajaVilleHaapalaltavuoG den2015syksyllä.varsinainentyöaloitettiinsyksynaikanaedelläkerrotullatietojenkeräämig sellä.pääosintähänsisältyikeskustenvälistenkaapelienmitoitustehtaalla.samaanaikaan aloitettiinmyösmuuntopiirienmallintaminenohjelmaan.enitentekemistäolimuuntopiireissä M1jaM2,jotkaolivatselvästilaajimmatjamonimutkaisimmat.Aloitimmeniidenmallintamisella ja kaikki muuntopiirit saatiin mallinnettua vuoden 2016 tammikuussa. Laskelmia pääsimme aloittamaan,kunkaikkikaapelimitatsaatiinkoottuakevään2016aikana.välipalautustyöntoig meksiantajalletehtiinkesällä2016.elokuussa2016saimmepalautteenjakorjaustavaativat työnosagalueet.työpalautettiintilaajallemarraskuussa2016. Aluksi yritimme rajata laskelmat pelkästään verkon pienjännitepuolelle. Tämä ei kuitenkaan onnistunut,koskameilläeiolluttarkkojatietojapienjännitepuolenlähtötiedoista.työntilaaja toimittikuviajakaavioita,joistakäviselvilleverkkoyhtiönilmoittamakeskijännitepuolenoikog sulkuvirta.tästäoikosulkuvirrastaolisivoinutredusoidapienjännitepuolenoikosulkuvirranarg von. Päätimme kuitenkin työelämäohjaajan suosituksesta, ottaa tarkasteluun mukaan myös keskijännitepuolen.
27 Keskijännitepuolelle mallinnettiin keskijännitekaapelit, erotin ja maadoituserotin. Tämän jälg keenohjelmaanmallinnettiinkyseisenmuuntopiirinmuuntaja.muuntajienylägjaalapuolenjäng nitteetolivatkaikissamuuntajissasamat,kutenmyöspienjännitepuolenjakelutapa.muuttuva määriteltävä arvo oli muuntajan nimellisteho. Muuntajan nimellisteho vaikuttaa laskennassa käytettäviinarvoihin.laskentaohjelmassaonmyösverkonoptimointitoiminto,jokapyrkiisääg tämäänverkonkomponentitoikeankokoseksi.tämäaiheuttialussaongelmia,koskaohjelma muuttioikeinmääriteltyjäkomponenttejauseinpienemmäksi.josesimerkiksimuuntajaaeiolg lut lukittu, laskennan yhteydessä ohjelma optimoi sen jopa puolet pienemmäksi. Optimointi pystyttiinestämäänlukitsemallaobjektit. Muuntajan jälkeen mallinnettiin pääkeskuksen syöttökaapeli tai kiskosilta ja pääkeskuksen pääkytkin nousujohtokaaviossa esitettyjen arvojen mukaisesti. Lähdöt pääkeskuksilta olivat joko kytkinvarokelähtöjä tai varokelähtöjä. Vaikkei työssä tarkasteltu suojausta ja suojaksen selektiivisyyttä,näitätarkastelujaeivoiottaapoispäältäohjelmassa.nämäaiheuttivatpaljon virheilmoituksia ja vaikeuttivat sulakkeiden oikeaa määrittelyä. Muuntopiirissä M3 oli lisäksi katkaisija,jokamääritettiinmukaanlaskelmiin. Kaapeleidenmäärittelyssävaikeuttaaiheuttipoikkipinnaltaansuuretkaapelit,jakaapelit,joilla olitoteutetturinnakkaissyöttöjä.pienjännitekaapeleideneristyksenäkäytettiinpvcvaihtoehg toa.nousujohtokaaviostasaatiinkaapelinmateriaali,tyyppijapoikkipintagala,jotkavoitiinmääg rittäälaskentaohjelmaan.lisäksikaapeleillemääritettiinasennustapa,vierekkäistenkaapelien lukumääräjaympäristönlämpötila. Lisäksityöntilaajankanssasovittiin,ettäkuormitusmallinnetaannimellisvirranavulla.NimelG lisvirranarvoksiasetetaan90kuormitettavaakeskustaedeltävänsuojaavansulakkeenarg vosta.moottorienvaikutushuomioitiinasettamallacosφarvoksi0.8.moottoreistasuoraanmalg linnettiinainoastaanneljäsuurtamoottoria,joitasyötetäänmuuntajillam4jam5.
28 KUVA9.MuuntopiiriM1mallinnettunaABBDOC ohjelmalla
29 7LASKENNANTULOKSET Oikosulkuvirrat laskettiin ABB DOC Glaskentaohjelmalla. Alla on taulukoituna laskentaohjelg masta saadut kaikkien muuntopiirien keskusten laskennalliset kolmivaiheiset(lll) pysyvän tilangjasysäysoikosulkuvirtasekäyksivaiheinen(lpe)pysyväntilanoikosulkuvirta.tarkemg mattyöstätuloksenasaadutlasketutoikosulkuvirratovattämäntyönlopussaliitteinä.laskeng nantulostentarkempitarkastelujaanalysointieikuulunuttämäntyönpiiriin. TAULUKKO4.MuuntopiirinM1tuloksia Keskuksentunnus IkLLL(kA) IpLLL(kA) IkLPE(kA) KJ 2.78 6.9 0.40 PK1 32.03 72.0 34.77 AD 3.24 4.7 1.04 AK0 10.72 17.4 4.67 AK0.1 7.60 11.4 3.41 AK 8.78 13.3 3.45 AK2 6.04 8.8 2.56 BB 29.28 55.2 25.21 BB4 20.63 31.6 10.51 BG 31.59 69.3 33.34 KC1G2 7.40 10.7 1.51 NK4 15.55 24.5 7.88 NK5 19.22 32.7 10.30 RK01 13.46 20.5 6.25 RK02 11.13 16.4 4.53 RK04 13.29 20.2 6.13 RK06 10.45 15.7 4.69 RK07 16.12 25.9 7.03 RK10 8.35 12.1 3.23 RK51 1.66 2.4 0.65 RK416 13.11 19.8 5.93 VK3 13.46 20.4 2.43
30 TuloksetmuuntopiirissäM1näyttävätpääosinolevanoikein.KeskustenPK1jaBGtuloksia täytyisitarkastellatarkemmin,koskaonhyvinepätodennäköistä,ettäyksivaiheinenoikosulkug virtaolisisuurempikuinovatkolmivaiheinenoikosulkuvirta. TAULUKKO5.MuuntopiirinM2tuloksia Keskuksentunnus IkLLL(kA) IpLLL(kA) IkLPE(kA) KJ 2.78 6.9 0.48 PKII.1 36.17 82.8 33.45 PKII.2 35.06 77.7 28.80 AA1 9.09 13.2 3.40 AB 9.84 14.3 3.73 AL 20.33 32.1 11.47 AM 8.48 12.3 3.13 AN 21.43 34.8 12.83 BA 31.24 58.4 22.17 BD 25.87 43.3 15.18 K1B 3.9 5.6 1.97 K3 13.01 19.5 5.90 K4 11.07 16.4 4.5 K6 9.50 13.9 4.34 K7 8.64 12.6 3.35 K9 11.81 17.5 4.35 K11 13.59 20.8 5.94 K14 11.99 18.1 4.83 K14.1 11.54 17.3 4.58 K15 6.45 9.3 3.05 K20 6.85 9.9 1.99 KC1G1 9.15 13.3 2.74 MCC 8.61 12.6 3.11 NA 22.23 36.5 13.70 NK1 14.84 23.0 6.67
31 TAULUKKO5JATKUU NK2 14.55 22.5 6.50 RK4.2 6.49 9.4 2.37 RK11 3.00 4.3 1.08 2RK5.1 18.84 30.2 7.21 VK2 22.93 38.2 14.31 VK5 13.93 20.9 5.13 MuuntopiirissäM2tuloksetnäyttävätjohdonmukaisiltajaoikeilta.VaikkakahdessaensimmäiG sessämuuntopiirissäonpaljonkeskuksiajakuormitusta,neonjaettutasaisestimuuntopiirien jakeskustenvälille.todennäköisestimyöstämänjohdostamyössysäysoikosulkuvirranarvot pysyvätsuhteellisenpieninä. TAULUKKO6.MuuntopiirinM3tuloksia Keskuksentunnus IkLLL(kA) IpLLL(kA) IkLPE(kA) KJ 2.78 6.9 0.48 PKIII 33.85 69.1 26.06 PK3.1 38.09 86.3 41.92 PK3/1 7.15 10.3 3.63 DC1 11.89 17.3 7.12 EDMCC 18.97 31.6 11.12 GG1 18.07 27.0 7.30 GG47 7.47 10.8 3.30 GJ 24.54 44.7 12.85 GL 28.48 52.8 15.94 3JK2 32.10 62.2 23.19 NG 29.79 57.1 18.15 NG3 22.37 39.8 16.05 NK6 35.19 74.0 34.27 RK3.1 20.28 33.9 12.01 RK3.2 20.03 34.1 12.20 RK611 30.14 55.0 19.13
32 MuuntopiirissäM3pääkeskuksessaPK3.1näyttääolevansamaongelmakuinM1muuntopiirin pääkeskuksessa.yksivaiheinenpysyväntilanoikosulkuvirtaonsuurempikuinkolmivaiheinen pysyväntilanoikosulkuvirta.myöstätäolisisyytätarkastellauudelleen.muutenlaskennantug loksetnäyttävätjärkeviltä TAULUKKO7.MuuntopiirinM4tuloksia Keskuksentunnus IkLLL(kA) IpLLL(kA) IkLPE(kA) KJ 2.78 6.9 0.37 PK4 41.48 92.7 41.66 4RK1 38.62 92.7 35.61 4RK2 21.42 39.7 7.59 TAULUKKO8.MuuntopiirinM5tuloksia Keskuksentunnus IkLLL(kA) IpLLL(kA) IkLPE(kA) KJ 2.78 6.9 0.38 PK5 40.53 92.1 41.01 4RK1 38.07 92.1 35.69 5RK1 30.76 60.0 16.00 Muuntopiireissä M4 ja M5 on suurimmat sysäysoikosulkuvirrat. Molempien pääkeskuksissa yksivaiheinenpysyväntilanoikosulkuvirtavaikuttaaliiansuurelta.mielenkiintoistaolisitutkia oikosulkuvirtojasilloinkuinmolempiapiirejäsyötetäänkiskosillankauttavainyhdellämuuntag jalla.
33 8YHTEENVETO TyöolihyvinlaajaGalainenjasopivanhaastava.Työssäpääsimmeperehtymäänsyvällisesti Valiontehtaansähköverkkoon.Tämäauttoimeitäymmärtämäänpienenkinteollisuuslaitoksen sähkönjakelunkokonaiskuvaaentistätarkemmin.lisäksioikosulkulaskelmienlaatiminenvaati syvällisempääperehtymistäoikosulkulaskujenteoriaan,mitäkoulussaoliaiemminesitetty.oig kosulkutilanteitatäytyyhuomioidakaikissasähköverkonosissa,olipakysesittensiirtoverkosta, jakeluverkosta,teollisuuslaitoksestataiasuinkiinteistöstä.varmastiperehtymisestäoikosulkug virtojenlaskentaanjaenteoriaan,tuleeolemaanhyötyämyöstyöelämässä,riippumattatyög tehtävästäsähköalalla. Tekemistäopinnäytetyössäolimolemmilleriittävästi.YhteistyötoimihyvinniinmeidäntyönteG kijöidenvälillä,kuinmyösmeidänjatyönohjaajienvälillä.vaikkatämäopinnäytetyöoliajallig sestipitkäprojekti,seeikoskaantuntunutylivoimaiselta.suuriaputässäoliseettäteimme työnparityönä.kunjokutyövaiheeitahtonutonnistua,istuttiinalasjatutkittiinasiaayhdessä. Jakuntarvitsimmeapuatyönohjaajilta,saimmesitä. Voimmetodeta,ettätyöntavoitesaavutettiin,koskatehtaanerimuuntopiirienkeskuksillesaaG tiinlaskettuaoikosulkuvirrat.parannettavaajäikuitenkinrunsaasti.tietotaitojatarkempiymg märrysoikosulkuvirtalaskujenteoriastakarttuityönaikana.eiolisiollutpahitteeksihetityön alussatutustuaperusteellisemminoikosulkuvirtojenlaskennanteoriaan.siitäolisiollutpaljon apuatyönedetessä,jamonethidasteetjaesteetolisivoituvälttää.laskentaohjelmaeiollut kaikkein paras eikä helppokäyttöisin varsinkaan alussa. Yksi puute laskelmissa on se, että emmesaaneetlaskettuaohjelmallaalkuoikosulkuvirtojenarvojaemmekätermistenoikosulkug virtojenarvoja.lisäksiolisivoinutollaparempimallintaatarkemminkuormatkaikkiinkeskuksiin jamallintaamoottoreitaekvivalenttisillamoottoreilla,pikemminkinkuintehokertoimenavulla. TämänkaltainenlaajempijatarkempitarkasteluvoisiantaavieläkinparemmatlaskentatulokG set. Työstäsaaduilletuloksillevoisiedelleentehdäjatkotutkimuksia.MallinnuksenvoisitehdäjolG lakin toisella laskentaohjelmalla ja tutkia tulosten eroavaisuuksia. Kuten tuloksissa todettiin,
34 muutamissakeskuksissalaskelmissailmenioutojaarvojayksivaiheisellepysyväntilanoikog sulkuvirralle.tätävoitaisiintutkiamittaamallanäidenkeskustenyksivaiheisetoikosulkuvirrat jasittenvertaamallalaskettujajamitattujaarvojatoisiinsa. Tämäopinnäytetyöprojektiolikaikenkaikkiaanhyvinopettavajamielenkiintoinen.Toivomme ettätyöntilaajapystyyhyödyntämääntässätyössäsaatujatuloksia,edelleenkehittäessään teollisuuslaitoksensähkönjakelua.
35 LÄHTEET ABB.2000.Teknisiätietojajataulukoita.Luku7Oikosulkusuojaus.Vaasa.SuomalaisetABB yhtiöt. ABBDOC.ABB.DOCUserManual.PdfGdokumentti.Saatavissa:https://libG rary.e.abb.com/public/.../doc_usermanual_en_sld.pdf.luettu5.4.2017 Aura,L.&Tonteri,A.2005.Teoreettinensähkötekniikkajasähkökoneidenperusteet.HelG sinki.wsoy.isbn951g0g21385g3. Elovaara,J.&Haarla,L.2011.SähköverkotIJärjestelmätekniikkajasähköverkonlaskenta. HelsinkiUniversityPress.Otatieto.ISBN978G951G672G360G3. Elovaara,J.&Laiho,Y.1988.Sähkölaitostekniikanperusteet. Haapala,V.2016.Valionsähköverkko.Sähköposti.31.1.2016. Hietalahti,L.2013.Sähkövoimatekniikanperusteet.Tampere.Tammertekniikka.ISBN978G 952G5491G77G7. Huotari,K.&Partanen,K.1998.Teollisuusverkkojenoikosulkuvirtojenlaskeminen.LappeenG ranta.lappeenrannanteknillinenkorkeakoulu.isbn951g764g282g2. Korpinen,L.1998.Sähkövoimatekniikkaopus.WwwGdokumenttiSaatavissa: http://www.leenakorpinen.fi/archive/sahkoverkko/vikatilanteet.pdf.luettu21.3.2017. Mäkinen,M.&Kallio,R.2004.Teollisuudensähköasennukset.Helsinki:Otavan kirjapainooy.isbn951g1g18089g4 Salminen,P.2008.Teollisuussähköverkonmallintaminenjavikavirtatarkastelut.Tampereen teknillinenyliopisto,sähkötekniikankoulutusohjelma.diplomityö. ValioOy.2016a.ValioOyyritystieto.WwwGdokumentti.Saatavissa: https://www.valio.fi/yrig tys/yritystieto/.luettu7.3.2017. ValioOy.2016b.Hallituksentoimintakertomusjatilinpäätös2015.PdfGdokumentti.SaataG vissa:https://www.valio.fi/mediafiles/19b6ab4eg3899g4555g99c5gf9b367ec6387.luettu 21.3.2017.
Liiteluettelo LIITE1 20kVkaavio LIITE2 MuuntopiirinM1laskelmat LIITE3 MuuntopiirinM2laskelmat LIITE4 MuuntopiirinM3laskelmat LIITE5 MuuntopiirinM4laskelmat LIITE6 MuuntopiirinM5laskemat LIITE7 Keskustenvälisetetäisyydet
LIITE1
LIITE2/1
LIITE2/2
LIITE2/3
LIITE3/1
LIITE3/2
LIITE3/3
LIITE4/1
LIITE4/2
LIITE4/3
LIITE5/1
LIITE5/2
LIITE5/3
LIITE6/1
LIITE6/2
LIITE6/3
LIITE7/1
LIITE7/2
LIITE7/3