Keskijännitekaapeleiden kunnon arviointi Pertti Pakonen Tampereen teknillinen yliopisto pertti.pakonen@tut.fi Energiateollisuuden tutkimusseminaari 30.1.2018 Marina Congress Center, Helsinki
Tutkimuksen tavoitteet Kerätä mittaustietoa Suomessa käytössä olevien 20 kv ja 10 kv keskijännitemaakaapelijärjestelmien häviökertoimista ja osittaispurkauksista Muodostaa kerätyn häviökerroinmittaustiedon pohjalta kaapelijärjestelmille kuntoluokitus verkkoyhtiöissä tehtävien kunnonvalvontamittausten tueksi Vertailla eri mittausmenetelmiä ja arvioida niiden soveltuvuutta kaapelijärjestelmien kunnon arviointiin kunnonvalvonta- ja käyttöönottomittauksissa Kaapelijärjestelmä: Sisältää kaapelin ja kaapelivarusteet (jatkokset ja päätteet) Käytännössä mittauksissa on yleensä mukana lisäksi kaapelin molempien päiden kojeistoista vähintään erottimen tai katkaisijan kaapeliin kytketty puoli eristysrakenteineen 2
Aikataulu ja rahoitus Aikataulu: 1.9.2016 31.12.2017 Rahoitus: Sähkötutkimuspooli Verkkoyhtiöt (12 kpl): Caruna Oy Elenia Oy Helen Sähköverkko Oy Kymenlaakson Sähköverkko Oy LE-Sähköverkko Oy Napapiirin Energia ja Vesi Oy PKS Sähkönsiirto Oy Savon Voima Verkko Oy Tampereen Sähköverkko Oy Turku Energia Sähköverkot Oy Vakka-Suomen Voima Oy Vantaan Energia Sähköverkot Oy Mittaukset tehtiin hanketta rahoittaneiden verkkoyhtiöiden verkoissa (rahoituksen lisäksi tukivat hanketta myös työpanoksellaan) 3
Toteutus Kirjallisuustutkimus (TTY) Häviökerroinmittauksia ja off-line-osittaispurkausmittauksia yhteensä noin 100:lle kolmivaihekaapelijärjestelmälle (Dekra Industrial Oy) Käytönaikaisia on-line-osittaispurkausmittauksia kahdella eri mittausmenetelmällä yli 50 kolmivaihekaapelijärjestelmälle HFCT-mittauksia suurtaajuusvirtamuuntajilla ja oskilloskoopilla (TTY) Pry-Cam-mittauksia (Prysmian Finland Oy) Tulosten tilastollinen tarkastelu (TTY) ja raportointi (TTY, Dekra, Prysmian), mm. Vertailu standardin IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz) raja-arvoihin Raja-arvojen estimointi kaapelijärjestelmien kuntoluokille mittaustietojen perusteella 4
Mitatut kaapelijärjestelmät Jännitetaso [kv] Kaapelityyppi Kaapeleiden asennusvuodet Mitatattuja 3-v. kaapeleita [kpl] Mitatattujen kaapeleiden asennusvuodet 10 APYAKMM 1966-1993 15 1967, 1972, 1974-1975, 1977, 1980-1981, 1986, 1988-1989 10 APAKM 1959-1993 9 1966-1967, 1970, 1972, 1977, 1982, 1990 10 PLKVJ 1950-1980 7 1950, 1955, 1962, 1963, 1964, 1969, 1972 10 AHXAMK-W 2005 1 2012 20 APYAKMM 1960-1996 34 1964 1992 20 AHXAMK-W 1986-34 1985...2003 (+ joitain 2007, 2011, 2015) Yhteensä 100 APAKM, PLKVJ AHXAMK-W PYLKVJ, APYAKMM (muovivaippa) 5
Häviökerroinmittaus Off-line-mittaus (vaatii käyttökatkon) Voidaan tehdä VLF (very low frequency) -jännitteellä, 50 Hz jännitteellä tai DAC (damped AC) -jännitteellä Soveltuu sähköisten eristysten kunnonvalvontaan, kaapeleissa esim. vesipuiden havaitsemiseen muovieristyksissä ja kosteuden havaitsemiseen öljypaperieristyksissä 1 tan R C I I R C Kuvaa koko erityksen kuntoa, heikentynyttä kohtaa ei pystytä mittauksella paikantamaan 6
Standardi IEEE VLF-häviökerroinmittauksiin liittyen Häviökerroinmittaukset suositellaan tehtäväksi jännitteillä 0,5 x U 0, 1,0 x U 0 ja 1,5 U 0, missä U 0 on kaapelin normaali käyttöjännite (vaihejännite) 6-10 mittausta / jännitetaso Mitattavat ja tarkasteltavat tunnusluvut: Häviökerrointen keskiarvo jännitteellä U 0, VLF-TD(U 0 ) Häviökertoimen muutos jännitteen funktiona, VLF-DTD = TD (1,5 x U 0 ) TD(0,5 x U 0 ) Häviökerrointen keskihajonta (VLF-TDTS) IEEE raja-arvot Pe, XLPE ja TRXLPE-kaapeleille 7
Mittausolosuhteiden ja kojeiston vaikutus häviökerroinmittaustuloksiin (1) Kaapeli U 0 [kv] Kaapelityyppi Poikkipinta Pituus Asennus- Häviökerroin 1.0 x U0 Delta TD Stdev ID [m] vuosi x 10-3 x 10-3 x 10-3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 79 11.6 AHXAMK-W 185 250 2012 311.9 293.7 269.0-78.6-58.7-37.6 8.6 6.6 5.4 Uusintamittaus kaapelin päät irrotettuna kojeistosta: 79 11.6 AHXAMK-W 185 250 2012 39.0 1.4 1.1 65 5.8 PLKVJ 120 207 1972 176.8 203.5 210.5-81.4-144.7-181.9 9.7 17.9 26.1 Uusintamittaus kaapelipääte puhdistettuna: 65 5.8 PLKVJ 120 207 1972 189.6-173.1 32.9 Erityisesti normaalia suurempien häviökerroinmittaustulosten tapauksessa on syytä varmistaa, että kojeisto tai esimerkiksi likaiset ja/tai kosteat päätteet eivät ole vaikuttaneet mittaustulokseen Häviökerroinmittauksia tehtäessä tulisi varmistua siitä, että ilman suhteellinen kosteus ei ole liian suuri (> 80 %) ja että kondensoitumista ei tapahdu 8
Häviökertoimet asennusvuoden funktiona - 20 kv APYAKMM Kaapelijärjestelmän asennusvuoden ja häviökertoimen välillä ei näytä olevan selvää korrelaatiota Kaapelijärjestelmän kunnon arvioinnin tulisi perustua mittauksiin eikä kaapelin ikään 1960 1995 1960 1995 9
Esimerkkitapaus: mittausten jälkeen vikaantunut kaapeli (1) Yksi mitatuista APAKM 3x120 10 kv - kaapelijärjestelmistä (pituus 620 m, as. v. 1972) vikaantui muutamia viikkoja mittausten jälkeen Läpilyönti tapahtui vaiheessa L1 noin 32 m mittauspäästä Häviökertoimen keskihajonta ylitti IEEE alemman raja-arvon ( edellyttää tarkempaa tutkimusta ) ja muutos jännitteen funktiona oli suuri Muutamia viikkoja mittausten jälkeen vikaantunut kaapeli 10
Esimerkkitapaus: mittausten jälkeen vikaantunut kaapeli (2) 11
Korrelaatio häviökertoimen ja osittaispurkausten välillä heikko Kaapelijärjestelmän häviökertoimen ja osittaispurkausten välillä ei havaittu selvää korrelaatiota Vaikka kaapelijärjestelmässä oli voimakkaitakin osittaispurkauksia, häviökerrointunnusluvut eivät välttämättä olleet suuria Esimerkki 10 kv AHXAMK-W- Kaapelista, pituus 2080 m 12
Kaapelijärjestelmien kuntoluokkien raja-arvoestimaattien määrittely Otokset kaapelityyppiä kohden olivat vielä melko pieniä, mutta varsinkin 20 kv kaapeleiden osalta tilastolliseen tarkasteluun riittäviä Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit määritettiin häviökerrointunnuslukujen kertymäfunktioiden prosenttipisteiden pohjalta Ei edellytä toimenpiteitä: p < 80 % (perustuen ns. paretoperiaatteeseen: populaation huonoin 20 % aiheuttaa 80 % ongelmista) Edellyttää tarkempaa tutkimusta: 80 % < p < 95 % Vaatii toimenpiteitä: p > 95 % 13
Häviökerrointunnuslukujen kertymäfunktiot - 20 kv APYAKMM Standardin IEEE alemmat raja-arvot merkitty kuviin sinisellä pystyviivalla 14
Häviökerrointunnuslukujen kertymäfunktiot - 20 kv AHXAMK-W Standardin IEEE alemmat raja-arvot merkitty kuviin sinisellä pystyviivalla 15
Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit 20 kv AHXAMK-W-kaapelille Kuntoarvio VLF häviökertoimen keskihajonta (VLF-TDTS) jännitteellä U 0 [10-3 ] VLF häviökertoimen muutos (VLF-DTD) jännitteiden 0.5 U 0 ja 1.5 U 0 välillä [10-3 ] VLF häviökertoimien keskiarvo (VLF-TD) jännitteellä U 0 [10-3 ] TUTU [10-3 ] 20 kv AHXAMK-W IEEE IEEE IEEE IEEE Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.062 ja < 5 < 1.2 ja < 4 < 1.9 ja -0.15 0.05 Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1 0.5 0.062 0.23 tai 5 80 1.2 4.2 tai 4 50 1.9 13.5 tai 0.05 0.5 Vaatii toimenpiteitä > 0.5 > 0.23 tai >80 > 4.2 tai > 50 > 13.5 tai > 0.55 Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot suuntaa antavia 16
Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit 20 kv APYAKMM-kaapelille Kuntoarvio VLF häviökertoimen keskihajonta (VLF-TDTS) jännitteellä U 0 [10-3 ] VLF häviökertoimen muutos (VLF-DTD) jännitteiden 0.5 U 0 ja 1.5 U 0 välillä [10-3 ] VLF häviökertoimien keskiarvo (VLF-TD) jännitteellä U 0 [10-3 ] TUTU [10-3 ] 20 kv APYAKMM IEEE IEEE IEEE IEEE Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.4 ja -35 10-2.7...4.5 ja < 85 < 22 ja - -0.2...1.4 Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1 0.4 0.4 1.8 tai -50-35 tai 10 100-10...-2.7 tai 4.5 10 tai 85 200 22 54 tai - 1.4 4.7 Vaatii toimenpiteitä > 0.4 > 1.8 tai < -50 tai > 100 < -10 tai > 10 tai > 200 >54 tai - > 4.7 Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot suuntaa antavia 17
Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit 10 kv APYAKMM-kaapelille Kuntoarvio VLF häviökertoimen keskihajonta (VLF-TDTS) jännitteellä U 0 [10-3 ] VLF häviökertoimen muutos (VLF-DTD) jännitteiden 0.5 U 0 ja 1.5 U 0 välillä [10-3 ] VLF häviökertoimien keskiarvo (VLF-TD) jännitteellä U 0 [10-3 ] TUTU [10-3 ] 10 kv APYAKMM IEEE IEEE IEEE IEEE Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.08 ja -35 10-5.6-0.5 ja < 85 < 15 ja - < 1.7 Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1 0.4 0.08 0.12 tai -50-35 tai 10 100-9.4...-5.6 tai -0.5 2.1 tai 85 200 15 18 tai - 1.7 2.9 Vaatii toimenpiteitä > 0.4 > 0.12 tai < -50 tai > 100 < -9.4 tai > 2.1 tai > 200 > 18 tai - > 2.9 Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot epäluotettavia 18
Osittaispurkausmittaukset Menetelmillä on omat ominaispiirteensä liittyen mm. Osittaispurkausten havainnoinnin herkkyyteen Osittaispurkausten paikannettavuuteen PRPD-kuvan yksityiskohtaisuuteen Mittauksen toteutettavuuteen erityyppisissä kohteissa Työmäärään ja mittauksen nopeuteen Pry-Cam-mittaus (on-line) DAC-mittaus (off-line) HFCT-mittaus (on-line) 19
Eri menetelmien soveltuvuus käyttöönotto- ja kunnonvalvontamittauksiin Käyttöönottomittausten tulisi pystyä paljastamaan kaapelin ja kaapelivarusteiden asennusvirheet Häviökerroinmittaus soveltuu huonosti, osittaispurkauksia ei välttämättä havaita Suositeltava menetelmä: off-line- tai on-line-osittaispurkausmittaus Kunnonvalvontamittausten tulisi indikoida kaapelin ikääntymistä Sekä häviökerroinmittaus että osittaispurkausmittaus ovat käyttökelpoisia menetelmiä, täydentävät toisiaan Häviökerroinmittauksessa tulisi varmistua siitä, että kojeisto tai esimerkiksi suuri ilman suhteellinen kosteus ja/tai päätteiden likaisuus eivät vaikuta tulokseen Huonojen kohtien paikannus onnistuu osittaispurkausmittauksella mutta ei häviökerroinmittauksella 20
Yhteenveto Tutkitut kaapelijärjestelmät olivat standardin IEEE mukaisessa luokittelussa pääsääntöisesti hyväkuntoisia (eivät edellytä toimenpiteitä) Standardin raja-arvot ehkä tarpeettoman korkeita Suomen olosuhteisiin ja Suomessa käytetyille kaapelityypeille Häviökerroinmittaustulosten ja kaapelijärjestelmän iän välillä ei selvää korrelaatiota Kaapeleiden kuntoa tulisi arvioida mittausten perusteella Häviökerroinmittaus soveltuu hyvin kaapelijärjestelmien kunnonvalvontamittauksiin, mutta huonosti niiden käyttöönottomittauksiin Kojeiston ja mittausolosuhteiden mahdollinen vaikutus tuloksiin huomioitava Tutkitut osittaispurkausmittausmenetelmät antoivat keskenään melko samankaltaisia tuloksia, off-line-mittauksissa purkauksia kuitenkin havaittiin yleisemmin kuin on-linemittauksissa Soveltuvat hyvin sekä käyttöönottomittauksiin että kunnonvalvontamittauksiin Menetelmillä omat ominaispiirteensä ja rajoituksensa 21