ELEC-E8419 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Siirtoverkon suojausasioita Kurssi syksyllä 2015 Periodit I-II, 5 opintopistettä Liisa Haarla 1
Luennon ydinasiat Suojauksen tarkoitus Tärkeimmät releet Distanssireleen toimintaperiaate Kiinnostavaa lisätietoa: Suomen kantaverkon suojausperiaatteita Aineisto: Elovaara ja Haarla: Sähköverkot 1: luku 6.2.3 Elovaara ja Haarla: Sähköverkot 2: luvut 5.1, 5.4 5.6 2
Suojausjärjestelmä Releet on yleensä kytketty mittamuuntajien toisiopuolelle. Releet havaitsevat viat ja lähettävät laukaisukäskyt katkaisijoille Suurin osa mittamuuntajista toimii sähkömagneettisen induktion avulla. On myös laitteita, joissa on kapasitiivinen jännitteen jakaja ja magneettinen jännitemuuntaja. Virtamuuntajissa voi olla kapasitiivinen ulosotto. Virtamuuntajan toisiokäämi on oikosuljettu, jännitemuuntajan toisiokäämi on lähes avoin Miksi virtamuuntajan toisiokäämiä ei saa avata? Jotkut releet tarvitsevat viestiyhteyksiä toimiakseen 3
Katkaisijat ja erottimet Katkaisija katkaisee ja sulkee virtapiirin. Sen tulee kyetä katkaisemaan sekä kuormavirta että vikavirta. 110 kv:n ja yli 110 kv:n järjestelmissä käytetään paineilma-, vähäöljy ja kaasukatkaisijoita (kaasu on SF6 eli rikkiheksafluoridi) Erotin tekee näkyvän erotusvälin. Sillä ei yleensä katkaista virtaa (poikkeuksena 110 kv:n korpierottimet joissakin tapauksissa) Uutuus: yhdistetty katkaisija ja erotin (mm. ABB, Areva) 4
Miksi viallinen osa pitää erottaa verkosta? Vikavirran lämpövaikutus voi olla vaaraksi ihmisille, tuhota laitteita ja aiheuttaa tulipaloja. Sisäkytkinlaitoksessa valokaaren paine- ja lämpövaikutus voi olla hengenvaarallinen. Maasuluissa maassa kulkeva virta voi aiheuttaa vaaraa eläville olennoille. Suomessa maan ominaisvastus on monessa paikassa erittäin suuri, joten virta leviää laajalle ja aiheuttaa suuren askeljännitteen. Maasulkuvirran takia muihin virtapiireihin kuten puhelinverkkoihin voi indusoitua häiriöjännitteitä. Maasulun aikana sähköaseman potentiaali voi nousta vaarallisen suureksi. 400 kv:n verkossa oikosulut voivat aiheuttaa voimajärjestelmän stabiiliuden menetyksen ellei niitä kytketä pois ajoissa Oiko- ja maasulkujen aiheuttamat jännitekuopat leviävät laajalle alueelle. Monien tehtaiden prosessit eivät kestä pitkää jännitekuoppaa Kun viallinen osa verkosta kytketään pois, voi tehonsiirto jatkua muissa osissa. 5
Suojaukseen liittyviä käsitteitä Hyvä suojausjärjestelmä on selektiivinen, nopea, luotettava ja herkkä. Hyvä suojaus on helppo koestaa. Selektiivisyys tarkoittaa että vian synnyttyä vain vikaa lähinnä olevat katkaisijat avataan. Näin tehtäessä mahdollisimman pieni osa verkosta kytketään irti. Toinen puoli selektiivisyyttä on se, että kaikki verkon osat on suojattu jollain suojalaitteella. Toimintanopeus vaikuttaa siten, että mitä nopeammin vika saadaan poistettua, sitä pienemmät ovat vikavirran aiheuttamat vahingot laitteille. Siirtoverkossa vika-ajan piteneminen vaarantaa stabiiliuden. Nopeutta käytetään myös selektiivisyyden saavuttamiseen siten, että lähellä olevat viat laukaistaan nopeammin kuin kaukana olevat viat. 6
Suojaukseen liittyviä käsitteitä Luotettavuus (reliability) tarkoittaa sitä, että rele ei laukaise jos sen suojausalueella ei ole vikaa (toimintavarmuus, security) eikä toisaalta jätä laukaisematta kun sen suojausalueella on vika (käyttövarmuus, dependability) Suojattava verkko jakautuu virtamuuntajien rajoittamiin suojaalueisiin. Suojaustoimintojen luotettavuuden lisäämiseksi jokainen verkon kohta kuuluu ainakin kahden eri releen suojausalueeseen. Varmennus voidaan tehdä kahdentamalla suojaus tai käyttämällä varasuojana toisen releen hidastettua porrasta. Suojauksen tulee olla riittävän herkkä, jotta se kykenee toimimaan myös kun vikavirrat ovat pienentyneet esimerkiksi käyttötilanteen muuttumisen takia. Yhden verkkokomponentin poissaolosta suojauksen tulisi selvitä ilman asettelumuutoksia. 7
Mittaavat releet, käsitteitä Mittaava rele pysyy normaalitilassaan niin kauan kun sen tarkkaileman suureen arvo ei sivuuta aseteltua toiminta-arvoa. Kun releen tarkkailema suure sitten sivuuttaa asetellun toiminta-arvon, rele havahtuu (start, pick-up). Jos havahtuminen jatkuu tarpeeksi kauan, rele antaa laukaisukäskyn tai hälytyksen tai molemmat. Tämän jälkeen rele palautuu (reset, drop-out), ellei mittaussuure ole enää toiminta-alueella. Vian alkamisesta laukaisuun tai hälytykseen kuluvaa aikaa sanotaan releen toiminta-ajaksi operating time), jota voidaan haluttaessa pidentää (aseteltu hidastus). Pidentämätöntä toiminta-aikaa sanotaan releen perusajaksi. Aikaa mittaussuureen pienenemisestä alle asetteluarvon siihen kunnes rele palautuu sanotaan palautumisajaksi. 8
Sähkömekaaniset releet Vanhimmat releet ovat sähkömekaanisia ja ne sisältävät liikkuvia osia. Toiminta perustuu esim. virran kasvun aiheuttamaan magneettikentän kasvuun, joka aiheuttaa releessä liikkeen. Releet ovat kestäviä, suuria, hieman epätarkkoja ja niitä pitää säännöllisin väliajoin koestaa, jotta ne eivät jäykisty. Niiden toiminta on yksinkertaista ja havainnollista ja niitä on vielä käytössä runsaasti. Nopeimmat distanssireleet ovat sähkömekaanisia ja ne voivat antaa laukaisukäskyn jopa 20 millisekunnissa. Asettelukuvio on ympyrä. 9
Staattiset releet Staattiset eli elektroniset releet tulivat käyttöön 1960-luvulla. Niissä on puolijohdekomponentteja, mikropiirejä ja niillä voidaan toteuttaa vaativampia suojaustoimintoja kuin sähkömekaanisissa releissä ja ne ovat niitä tarkempia. Haittapuolia ovat herkkyys ylijännitteille, jatkuva aputehon tarve (akku) ja elektronisten osien vanheneminen, minkä takia releitä pitää korjata tai vaihtaa 10
Mikroprosessorireleet Mikroprosessorireleet tulivat käyttöön 1980-luvun lopulla Suojaustoiminnot ovat monipuolisempia kuin muissa releissä ja niissä voi olla runsaasti erilaisia asettelumahdollisuuksia. Tämä antaa mahdollisuuden viritettyihin suojausratkaisuihin, mutta toisaalta asetteluihin voi tulla virheitä, koska asetteluvaihtoehtoja on runsaasti Mikroprosessorireleissä on yleensä muitakin toimintoja kuin suojaustoimintoja, esim. vikapaikan laskenta tai häiriötallennin. Niissä on itsevalvonta (self supervision), joka ilmoittaa joistakin relevioista. Tämä voi vähentää koestustarvetta. Mikroprosessoridistanssireleet ovat hitaampia kuin sähkömekaaniset. Laukaisukäskyn antamiseen voi kulua jopa 50 ms. Niissä ei ole kuluvia mekaanisia osia, mutta niissä voi olla ohjelmointivirheitä. 11
Suojauksen luotettavuus, määritelmiä Reliability (luotettavuus): general concept. The probability that a protection can perform a required function under given conditions for a given time interval Security (toimintavarmuus): the probability for a protection of not having an unwanted operation under given conditions for a given time interval Dependability (käyttövarmuus): the probability for a protection of not having a failure to operate under given conditions for a given time interval. 12
Ylivirtareleet (I>-rele, I/t-rele) Ylivirtarelettä voidaan käyttää säteittäisellä johdolla, kun pienin vikavirta on suurinta kuormitusvirtaa suurempi. Yleensä näin onkin, mutta tämä ehto ei aina täyty pitkällä säteisjohdolla, jonka alkupäässä on paljon kuormaa. Nykyisissä ylivirtareleissä on kaksi porrasta, joista toinen on usein vakioaikahidasteinen ja toinen voidaan valita joko vakioaika- tai käänteisaikahidasteiseksi. Vakioaikaylivirtarele (I>) havahtuu mittausvirran ylittäessä asetteluarvon ja toimii, kun se on ollut havahtuneena asetteluajan. Vakioaikaylivirtarelettä voidaan käyttää suojaamaan säteittäisjohtoa, muuntajaa, reaktoria ja kondensaattoria. Käänteisaikaylivirtareleen (I/t) toimintahidastus on virtaan nähden käänteinen eli rele laukaisee suurivirtaiset viat nopeammin kuin pienivirtaiset. Käänteisvaikutuksen jyrkkyys voidaan valita valmiilta standardikäyriltä. Käänteisaikaylivirtarelettä käytetään myös silmukkaverkossa varasuojana. Vakioaikareleellä ei saavuteta helposti selektiivisyyttä ja käänteisaika-releellä taas laukaisuajat tulevat joissakin vioissa liian pitkiksi. 13
Jännitereleet Yli- ja alijännitereleet toimivat, kun jännite ylittää tai alittaa verkon sallitut arvot. Jännitereleitä käytetään yleisimmin kompensointilaitesäätäjien täydennyksenä. Jos 400 kv johto jää kiinni verkkoon vain 400/110 kv:n muuntajan kautta, sen jännite nousee tyhjäkäyntiloistehon takia (esim. T-haara-asema) ja ylijänniterele laukaisee muuntajan 110 kv:n katkaisijan. Nollajännitereleitä käytetään 110 kv verkossa. Jos 110 kv:n verkon osa jää ilman tähtipistemaadoitusta, virtaan perustuva maasulkusuojaus ei toimi. Tässä tapauksessa jännitemuuntajien avokolmioon kytketty nollajänniterele hoitaa maasulkusuojauksen avaamalla muuntajan 110 kv:n katkaisijan. Ali- ja nollajännitereleitä käytetään yhdessä taajuusreleen kanssa johdonvarsigeneraattoreiden verkosta irrottamiseen pikajälleenkytkennän jännitteettömänä väliaikana. 14
Distanssirele Distanssirelettä käytetään silmukoidussa verkossa, koska se havaitsee vian suunnan. Silmukoidussa verkossa vikavirta voi tulla mistä suunnasta tahansa ja pienin vikavirta voi olla suurempi kuin suurin kuormitusvirta, joten ylivirtareleellä ei voida toteuttaa selektiivistä suojausta. Distanssirele mittaa johdon virran ja alkupään jännitteen ja laskee niiden avulla impedanssin. Suurvoimansiirrossa johdon resistanssi on hyvin pieni, joten virran suuruus ja kulma määräytyvät lähes kokonaan johdon reaktanssin mukaan. Rele päättelee vian suunnan virran ja jännitteen vaihesiirtokulman avulla. Jos vika on edessä, on virta noin 90 jännitettä jäljessä, koska vikavirta on induktiivista loisvirtaa. Jos vika on takana on virta 90 jännitettä edellä. Distanssirele ei havahdu, jos vikaresistanssi on suuri, koska tällöin vikavirta on resistiivistä eikä rele kykene erottamaan sitä normaalista kuormitusvirrasta. Tyypilliset distanssireleet pystyvät selvittämään vikoja vielä noin 20 Ω:n vikaresistanssiin asti. Jos johdon kummankin pään vikavirrat ovat yhtä suuret niin tämä merkitsee releessä 40 Ω:n vikaresistanssia. Tämän takia distanssireleet eivät aina havaitse suuriresistanssisia vikoja kuten puuvikoja 15
Distanssireleen toimintaperiaate A I A X AF F X BF B U AV Rele laskee virran ja jännitteen avulla etäisyyden vikapaikkaan. Kuvan esimerkki valaisee asiaa. Asemien A ja B välissä on vika paikassa F. Koko johdon reaktanssi on Xj ja pituus l j. Reaktanssit asemilta vikapaikkaan ovat X AF ja X BF. Johdon reaktanssi X j = X AF +X BF. Symmetrisessä 3-vaiheisessa oikosulussa, jossa vikaresistanssi on 0 Ω, on vikapaikan ja maan välinen jännite nolla. Rele mittaa asemalla A virran I A ja vaihejännitteen U AV. Releen laskema vikareaktanssi X M on X M =U AV /I A. Koska vikapaikan jännite maahan nähden on 0 V eikä maassa kulje virtaa, releen mittaama aseman vaihejännite U AV on yhtä suuri kuin vikavirran aiheuttama jännitehäviö reaktanssissa X AF.eli U AV = U A U A = jx AF I A X AF = 3 j 3 I A 16
Distanssireleen toimintaperiaate toiminta piste johtovian aikana A X Johto B ϕ C normaali toiminta piste R Suojattava johto on A-B Rele on asemalla A Sininen ympyrä: ensimmäisen vyöhykkeen asettelu Ilman vikaa toimintapiste on lähellä R- akselia. Johdon virta enimmäkseen pätövirtaa. (Punainen ympyrä) Kun johdolle tulee vika, toimintapiste siirtyy. Vikavirta on induktiivista loisvirtaa (violetti ympyrä) Johdon impedanssi = R + jx, ϕ = arctan(x/r) Rele mittaa jännitettä ja virtaa asemalla, laskee niistä impedanssin ja vertaa sitä asetteluarvoon Kun releen mittaama impedanssi on pienempi kuin asetteluarvo, rele antaa laukaisukäskyn 17
Vikaresistanssin vaikutus releen ulottumaan A X Johto C B F 1 F 1 F 2 R F ϕ F 2 R Vikaresistanssi R F lyhentää releen ulottumaa, toimintapiste siirtyy Kuva: kohdassa F 1 oleva vika ei laukea, jos siinä on vikaresistanssia, koska toimintapiste siirtyy kohtaan F 1 Todellinen ulottuma on F 2, jos vikaresistanssi on R F. Distanssirele ei havaitse suuriresistanssisia vikoja Osa puuvioista on sellaisia, että distanssirele ei niitä laukaise Kuormitetulla johdolla releen näkemä vikaresistanssi kääntyy. Kääntyminen on generaattoripäässä alas ja kuormapäässä ylös. 18
Sivusyötön vaikutus distanssireleeseen A X1 X3 X4 C G I 1 I 1 + I 2 P G X2 I 2 G B Oikea etäisyys vikapaikkaan asemalta A on X1+X3. Rele asemalla A mittaa etäisyydeksi jx A,RELE U = I AV X1 I 1 + X 3 ( I 1 + A = j I 1 I 2 ) 19
Distanssireleen vyöhykkeet Distanssireleillä toteutettu suojausjärjestelmä perustuu niin sanottuihin vyöhykkeisiin. Kullakin vyöhykkeellä on tietty ulottuma ja aikahidastus. Nämä asetteluarvot määräävät sen miten nopeasti eri paikoissa sijaitsevat viat laukaistaan. Tyypillinen vyöhykeasettelu on kuvassa 3. Suurin osa johdosta A B kuuluu vyöhykkeeseen 1. Tällä vyöhykkeellä olevissa vioissa rele antaa nopeasti laukaisukäskyn. Johdon loppupäässä olevat viat laukaistaan toisen vyöhykkeen ajalla. Toinen ja kolmas vyöhyke ovat osa seuraavan johdon (B C) varasuojausta. A 1 B 2 C 3 Tyypilliset vyöhykeasettelut ja -ajat Suomessa ovat seuraavat: 1. vyöhyke: ulottuma on 85 % johdosta A B, toiminta-aika on releen perusaika ilman hidastusta, 2. vyöhyke: ulottuma on vähintään (1,2 * johto A B), toiminta-aika on 400 ms, 3. vyöhyke: ulottuma on yli johto-osan A C, toiminta-aika on 1 s 20
A X Distanssireleen vyöhykkeet B ϕ C R Ensimmäinen vyöhyke ulottuma on noin 80 85% johdon reaktanssista (ja pituudesta) Toinen vyöhyke ulottuu yli vastaaseman, esim. 120 % johdon pituudesta Kolmas vyöhyke ulottuu yli suojattavaa johtoa seuraavan johdon Asettelujen yksityiskohdat vaihtelevat eri yhtiöissä Rele mittaa toisiovirtaa ja jännitettä, siis releelle annetaan toisioasettelut eli mittamuuntajien muuntosuhteella korjatut asettelut Moderneilla releillä on mahdollisuus valita muitakin kuin ympyränmuotoisia asetteluja ja asettelut voidaan haluttaessa antaa ensiöarvoina 21
Esimerkki mikroprosessoridistanssireleen asetteluista X havahtumisvyöhyke Z3 Z3: kolmas vyöhyke Z2: toinen vyöhyke, Z1: ensimmäinen vyöhyke kuorma Z1 Z2 kuorma normaali toiminta piste R 22
Distanssireleen viestiyhteystoiminnot Sekä mittauksen että johtoarvojen epätarkkuuden takia ei distanssireleen ensimmäistä vyöhykettä voida asetella kattamaan koko johtoa. Tyypillinen asettelu on reaktanssiarvo, joka vastaa 85 % johdon pituudesta. Jos halutaan koko johdolla esiintyville vioille nopea ja selektiivinen laukaisu, on distanssireleissä käytettävä viestiyhteystoimintoja. Tällöin johdon eri päiden suojat kytketään toisiinsa viestiyhteyden avulla. Yleisimmät viestiyhteystoiminnot ovat salliva ali- ja yliulottuva toiminto. Tällöin rele laukaisee kun se havaitsee vian asettelualueella ja saa viestiyhteyssignaalin vasta-aseman releeltä Viestiyhteystoiminnoissa signaalin siirtotienä voidaan käyttää valokaapeliyhteyttä, kantoaaltoyhteyttä voimansiirtoverkossa tai radiolinkkiyhteyttä. 23
Nollavirtarele (I 0 -rele) Nollavirtarele on virtamuuntajien toision paluupiiriin kytketty ylivirtarele, joka mittaa vaihevirtojen summavirtaa (3I 0 ). Kun verkko on tehollisesti maadoitettu, aiheuttaa pienivirtainen maasulku erittäin pienen nollajännitteen. Tällöin maasulun suuntarele ei toimi ja on parempi käyttää nollavirtarelettä. Nollavirtaa voi esiintyä myös ilman vikaa (kytkennät, vuorottelemattomat johdot). Nollavirtalaukaisun esto kytkentöjen aikana tarvitaan estämään turhia laukaisuja. Herkän nollavirtareleen virta-asettelu on pieni ja hidastus suuri. Suomessa käytetään sähköturvallisuusmääräyksissä ollutta herkkyysvaatimusta: suojauksen täytyy havaita maasulut, joiden vikaresistanssi on 500 Ω tai pienempi. 400 kv:n verkossa tämä herkän nollavirtareleen asettelun oltava pienempi kuin 231 A. (I = 0,5*(400kV/( 3*500Ω)). Vastaava asettelu 110 kv:n verkossa on 64 A. (I = 0,5*(110kV/( 3*500Ω)). Kerroin ½ tulee siitä, että johdolla olevaa vikaa syöttää kaksi asemaa. Karkean nollavirtareleen virta-asettelu on suuri ja hidastus pieni. Karkean nollavirtareleen asettelut määritellään vikavirtalaskelmien avulla. 24
Maasulun suuntarele (Q 0 -rele) Rele on nollavirtarele joka vikavirran lisäksi mittaa myös vian suunnan nollavirran ja nollajännitteen välisen vaihekulman perusteella. Maadoitetussa verkossa taustaverkon nollaimpedanssi on induktiivinen. Tämä on otettava huomioon releasetteluita tehtäessä. Nykyiset prosessorireleet ovat kaksiportaisia. Releen viiveetön toiminta-aika on 50 ms:n luokkaa. Maasulun suuntareleitä käytetään Suomessa 110 kv:n johdoilla. Herkän portaan virta-asettelu määräytyy 500 Ω vikaresistanssiarvosta. Karkean portaan virta-asettelut selvitetään vikavirtalaskelmien avulla. Maasulun suuntarele erottaa vian aikaisen ja kytkentöjen nollavirran nollajännitteen avulla. Nollavirtaa voi esiintyä myös ilman vikaa, esim. kytkentöjen aikana ja vuorottelemattomilla johdoilla, mutta tällöin ei ole nollajännitettä. 25
Q0-releiden selektiivisyys aika-asetteluilla 1,9 s 1,3 s 1,6 s 1,6 s 1,3 s 1,9 s A L B C L D Koska Suomen 110 kv verkossa vain osa muuntajien tähtipisteistä on maadoitettu, saattaa kahden maadoituspaikan välillä olla useitakin välikytkinlaitoksia. Useamman peräkkäisen johdon maasulkusuojaus voidaan saada selektiiviseksi suunnatun maasulkureleen aika-asetteluilla. Välikytkinasemilla maasulkureleen tulee olla suunnattu selektiivisyyden takia. Maasulkureleiden laukaisuajat on porrastettu alenevasti toista maadoituspaikkaa kohti. Kuva: vika johdolla B C, ensin laukaisevat vihreät releet, (1,6 s), joiden varasuojana ovat punaiset releet (1,9 s). Siniset releet eivät laukaise, koska vika on niiden takana. Sama periaate pätee muiden johtojen vioille. 26
Differentiaalirele (erovirtarele) Differentiaalirele toimii, kun suojattavaan kohteeseen tulevien virtojen summa on suurempi kuin on aseteltu. Kun suojausalueella ei ole vikaa, on virtojen summa nolla, koska virta menee suojausalueen läpi. Kun suojausalueella on vika, ei vikavirta mene suojausalueen läpi, vaan kaikki ulkopuolelta tulevat vikavirrat syöttävät vikaa eikä virtojen summa ole nolla. Differentiaalisuojaus suojaa vain niiden virtamuuntajien välisen alueen, joiden virtoja vertaillaan. Differentiaalireleet vaativat sitä suuremman virtaeron toimiakseen, mitä suurempi on koko kohteen läpi kulkeva virta. Tämä tarvitaan, että suojausalueen lähellä, mutta ulkopuolella olevat viat eivät aiheuttaisi virhelaukaisuja. Tätä ominaisuutta nimitetään stabiloinniksi tai vakavoinniksi ja sen suuruus on aseteltavissa. Differentiaalireleitä käytetään suojaamaan muuntajia, yksinkertaisia kiskojärjestelmiä ja tiettyjä johtoja. Tällaisia johtoja ovat lyhyet johdot, T- haarajohdot ja sarjakompensoidut johdot. Differentiaalireleiden välillä on oltava viestiyhteys Suomessa virtamuuntajat on varustettu remanenssin poistavalla ilmaraolla (TPY-tyyppinen virtamuuntaja) -> ei virtavirhettä kyllästymisestä (muuten releiden valinta vaatisi enemmän räätälöintejä) 27
Kaasurele Kaasurele eli Buchholz-rele toimii nimensä mukaisesti kaasusta. Relettä käytetään muuntajan ja öljytäytteisen reaktorin suojareleenä. Kaikissa vioissa eivät virtaan perustuvat suojat pysty toimimaan esimerkiksi virran pienuuden takia, joten tarvitaan myös toisenlainen suoja. Tällaisia vikoja ovat esimerkiksi maasulku käämissä lähellä maadoitettua tähtipistettä ja rautasydämen levyjen välinen eristysvika. Kaasurele on toiminnaltaan kaksiportainen uimurikytkin, jossa ylempi porras suorittaa hälytyksen ja alempi laukaisun. Paikallinen kuumeneminen minkä tahansa vian takia hajottaa öljyä kaasuksi, joka kerääntyy öljysäiliön paisuntaputkeen asennettuun kaasureleeseen. Öljypinnan alentuessa releessä ylemmän portaan kytkin suorittaa hälytyksen. Jos kaasun kehitys on hidasta, ei öljypinta pääse laukaisurajalle, vaan kaasukuplat nousevat paisuntasäiliöön. Eristyksen läpilyönnissä öljy kaasuuntuu voimakkaasti ja kaasua tulee paisuntaputkea myöten niin paljon, että öljyn pinta laskee laukaisurajalle ja toinen kytkin sulkee laukaisupiirin. Laukaisukytkin toimii myös öljyn liikkeestä, jotta pahassa eristyksen läpilyönnissä ei tarvitsisi odottaa kaasun tuloa. 28
Jälleenkytkentärele (JK-rele) JK-rele tekee katkaisijan automaattisen kiinniohjauksen asetellun ajan kuluttua siitä, kun jokin suojareleistä on antanut johtokatkaisijalle avauskäskyn ja käynnistänyt jälleenkytkennän Pikajälleenkytkentää käytetään vain johdoilla, ei muuntajilla, kiskoilla tai muilla komponenteilla 400 kv:n verkossa on pikajälleenkytkentä (PJK) stabiiliuden takia, 110 kv:n verkossa nopean käytön palautuksen takia. Aikajälleenkytkentä (AJK) korvaa käsin kiinni kytkennän Jälleenkytkentää edeltävä laukaisu ja vastaava jälleenkytkentä voivat olla 1- tai 3-vaiheisia Suomessa laukaisut ja kytkennät ovat 3-vaiheisia myös 1-vaihevioissa paitsi joillakin voimalaitosjohdoilla, joilla käytetään 1-vaiheista laukaisua 1- v. vioissa tai ei ollenkaan automaattista jälleenkytkentää. Jännitteetön väliaika (400 600 ms) oikosulkuvian jälkeen tarvitaan ionisaation poistumiseksi. Jos PJK epäonnistuu ja tehdään AJK, tarvitaan jännitteetön väliaika katkaisijan jousen virittämiseksi Suomessa PJK tehdään aina hidastamattomien laukaisujen jälkeen, mutta ei muuten. AJK tehdään hidastettujen laukaisujen jälkeen, 2- ja 3- vaiheisten vikojen jälkeen voimalaitosjohdoilla ja PJK:n epäonnistuttua 29
Tahdissaolon valvoja Tahdissaolon valvojaa käytetään automaattisessa jälleenkytkennässä (joskus myös käsin ohjauksessa). Tahdissa olon valvontaan kuuluu kaksi toimintoa, jotka ovat tahdissa olon valvonta ja jännitevahti. Tahdissaolon valvoja sallii katkaisijan kiinnikytkennän jälleenkytkennässä, jos jännitteet katkaisijan molemmilla puolilla ovat tahdissa, eli jännitteiden amplitudi-, vaihekulma- ja taajuuserot ovat alle aseteltujen arvojen ja molemmat jännitteet ovat yli asetellun minimijännitteen. Toisena toimintona oleva jännitevahtiosa sallii kytkennän, kun katkaisijan toiselta puolelta tai molemmilta puolilta puuttuu jännite. Tämä toiminto voi olla päällä tai poissa. Suomessa: 400 kv:n verkossa on aina tahdissa olon valvoja jälleenkytkennöissä, mutta 110 kv:n verkossa vain jos voimalaitosasemalla on vähemmän kuin kolme johtoa 30
Kiskosuojarele KSR Kiskosuoja on differentiaalirele, joka vertailee kiskoon tulevan virran ja kiskosta lähtevän virran eroa ja joissakin tapauksissa suuntaa. Erovirran ylittäessä asetteluarvon rele laukaisee kaikki vialliseen kiskoon liitetyt katkaisijat. Kiskosuojareleen toiminta-aika vaihtelee releen rakenteen mukaan. Sähkömekaanisen releen toiminta-aika voi olla alle 5 ms mutta prosessorireleillä ajat ovat pitempiä, noin 20 ms. Suomessa kiskosuojarele on kaikilla 400 kv:n asemilla (stabiilius) ja joillakin 110 kv asemilla (stabiilius tai SF6-asema). 31
Katkaisijavikasuojaus Ellei viallisen lähdön katkaisija toimi, katkaisijavikasuojaus antaa laukaisukäskyn tietyn ajan (Suomessa 170 ms) kuluttua sen kiskon kaikille katkaisijoille, joihin avautumaton katkaisija on kytketty. 400 kv verkossa laukaisukäsky lähetetään myös vasta-aseman distanssisuojalle, joka laukaisee välittömästi jos se on havahtunut. Johtovioissa katkaisijan toimimattomuus ilman katkaisijavikasuojausta aiheuttaa koko aseman pimennyksen koska johtosuojauksen varasuojausvyöhykkeen katkaisijat sijaitsevat naapuriasemilla. Katkaisijavikasuojaus voidaan tarvita myös toisenlaisesta syystä. Kun asemalla on monta johtoa, vikavirta muilla johdoilla voi olla niin pieni, että vain viallisen johdon releet havahtuvat. Jos viallisen johdon katkaisija ei toimi eikä katkaisijavikasuojaa ole, mikään ei erota vikaa verkosta. Katkaisijavikasuoja toimii myös katkaisijan ja virtamuuntajan välissä olevassa viassa. Tässä tapauksessa käynnistys tulee kiskosuojalta. 32
Muuntajan sähköiset releet ja laukaisut, esimerkki Laukaisut: 400 ja 110 kv 110 kv 400 ja 110 kv 110 kv I> Io D I> t Io I> Uo Qo 20 kv 400 kv 110 kv 33
400/110/20 kv muuntajan laukaisut Laukaisujen periaate Suomessa: Laukaistavat katkaisijat: joko 400 kv:n ja 110 kv:n katkaisijat tai vain 110 kv:n katkaisija. (Ei koskaan vain 400 kv:n katkaisijaa) 110 kv:n laukaisu tehdään vain 110 kv:n puolen vioissa. Tällöin muuntaja ja 20 kv tertiäärin reaktorit jäävät verkkoon. Edut: 400 kv:n jännitteen säätö toimii ja muuntaja nopeammin kytkettävissä verkkoon takaisin jos asemalla on kaksi muuntajaa -> kumpikin muuntaja laukaistaan vain sen omilla releillä, ei toisen muuntajan releillä Muuntajareleen laukaisun jälkeen ei tehdä automaattisia jällenkytkentöjä 34
Miksi eri jännitetason verkot on suojattu eri tavoin? Suomessa 400 kv:n verkossa oikosulut voivat johtaa stabiiliuden menetykseen, joten viat on laukaistava nopeasti ja luotettavasti. Laukaisun onnistuminen varmistetaan siten, että johtosuojaus sisältää kaksi täysin erillistä pääsuojarelettä ja kaikilla kohteilla on varasuojaus 110 kv:n verkossa vian seuraukset ovat paikallisia, joten voidaan hyväksyä hitaammat releet. Suojaustoiminnan varmistaa pääsuojan lisäksi varasuoja 35
400 kv johdon suojaus, esimerkki 40 kv laukaisu Z U(kisko) U (joht Io AJK Δ U < Δφ < Δf < Z JK PJK+AJK viestiyhteys PJK+AJK viestiyhteys 36
400 kv johtojen suojaus Suomessa Pääsuojaus: kaksi distanssirelettä, Distanssireleillä viestiyhteys Herkkä nollavirtarele (500 Ω maasulut) Jälleenkytkentärele (PJK ja AJK) Tahdissaolon valvoja Sarjakompensoiduilla ja lyhyillä johdoilla on distanssireleen sijasta toisena releenä differentiaalirele Kaikkien "tavallisten" vikojen laukaisuaika on alle 100 ms, (rele noin 50 ms, katkaisija noin 50 ms). Suuriresistanssiset maasulut johtavat pidempään vikaaikaan, koska ne voidaan laukaista herkällä nollavirtareleellä, jolla on aina hidastus 37
110 kv:n johdon suojaus, esimerkki 10 kv laukaisu Qo AJK JK I> AJK Z PJK ja/ 38
110 kv johtojen suojaus Suomessa Pääsuojaus: yksi distanssirele ilman viestiyhteyttä Varasuojaus: ylivirtarele ja maasulun suuntarele Jälleenkytkentärele (PJK ja AJK) Tavallisesti ei käytetä viestiyhteyttä eikä tahdissa olon valvojaa Suurin osa laukaisuista noin 100 ms:n kuluessa (distanssireleen 1. vyöhyke), lähellä asemaa olevat viat laukaistaan lähiasemalla noin 100 ms:n kuluttua ja vasta-asemalla noin 460 ms:n kuluttua. 39
110 kv johdonvarsigeneraattorin irrotus 110 kv tai 10 kv U<-rele 50 %, 0 s U 0 -rele 20 % 0 s 110 kv t 0+ 0-10 s 10 kv f<-rele ja f>-rele 49...49,5 Hz, 50,5 Hz 0,15 s 0+ 0- laukaisu hälytys 40
110 kv johdonvarsimuuntajan suojausesimerkki Z 85 % t=0 85% t=0 Z 20V 5 s U0 I0> I0>> I> I>> 100 A t=0,7 s 400-600 A t=0,05 s 1,8*In t=0,9 s 1,4* I_vika2 t=0 s, 3-v. vika 40% t=0 s D 110 kv 20 kv 16 MVA I> I>> 1,8*In 0,5*I_vika2 t=0,6 s t=0,1 s, 2-v. vika I> I>> 2*I_max.kuorm. 0,8*I_vika1 t=0,3 s t=0,1 s, 2-v. vika vika2 vika1, johdon päässä 30.8.2002/LPO 41