7 Tulokset
7.4 Jatkokehitystarpeet
7.4.2 Käytönvalvontajärjestelmän kehittäminen
Kaapelien ja muuntajien kuormitettavuutta arvioitaessa on kiinnitetty vain vähän huo
miota verkon muihin komponentteihin, jotka voivat rajoittaa kuormitettavuutta kuor- mitusasteen noustessa yli sadan. Ennen kuormitusseurannan toteuttamista lämpötilaperusteisesti tulisi määrittää tarkoin mm. virtamuuntajien ja verkkokäsky- muuntajien kuormitettavuudet.
Mikäli kaapelien ja muuntajien kuormitusta tarkkailtaisiin ensisijaisesti lämpötilape
rusteisesti tulisi muiden komponenttien ylikuormittuminen estää ohjelmallisesti käytön- valvontajärjestelmässä.
Kuormitustilanteen esittämistapakin saattaa vaatia jatkokehitystä. Työhön sisällytetty malli kuormitustilanteen esittämisestä on tarkoitus sulauttaa käytönvalvontajärjestel- mään, jolloin siitä saadaan käyttökokemuksia. Kokemusten perusteella kuormitustilan
teen esitystapaa voidaan muuttaa.
8 Yhteenveto
Diplomityössä tutkittiin komponenttien lämpötiloihin perustuvan kuormitusohjeen mahdollisuuksia. Kuormitusohjeen toteuttamiseen käytettiin käytönvalvontajärj este 1- mää. Käytönvalvontajärjestelmään sulautettuna kuormitusohjeen käyttö olisi vähemmän opettelua vaativaa. Ihmisen muistinvaraisia toimintoja voidaan tällöin ohjelmoida jär
jestelmän suoritettaviksi.
Luvuissa 5 ja 6 kaapeleille ja muuntajille esitetyt kuumimman pisteen määritystavat annettiin käytönvalvontaj ärj este lmän tehtäviksi. Järjestelmään tuotiin mittaustiedot, joiden perusteella laskettiin kuormitettavuuden määräävät suureet. Ohjelmointi käytön
valvontajärjestelmään onnistui järjestelmän omilla työkaluilla perusohjelmointitaitoja ja käytönvalvontaj ärj estelmän manuaaleja hyödyntäen. Vastaavantyyppinen kuormitusohje voitaneen pienellä vaivalla sulauttaa muihinkin käytönvalvontajärjestelmiin.
Työn tärkeimpinä tavoitteina oli lämpötilatiedon soveltuvuuden arviointi kuormitetta
vuuden mitaksi yleisesti ja erityisesti Helsingin Energian järjestelmässä. Soveltuvuutta tutkittiin sähköasemien päämuuntajien ja 110 kV kaapelien kuormituksen seurantaan.
Painopiste oli enemmän kaapeleissa kuin muuntajissa, sillä kaapelien osalta myös mit
tausjärjestelyt toteutettiin diplomityön puitteissa.
Tutkimuksen perusteella voidaan todeta lämpötilamittaukseen perustuvalla järjestel
mällä saatavan olennaista lisätietoa sekä muuntajien että kaapelien kuormitustilanteesta.
Helsingin Energiassa automaattisella käytönvalvontajärjestelmään sulautetulla kuormi
tusohjeella saataisiin tarkempi tieto ohjeen piirissä olevien komponenttien kuormitetta- vuudesta. Parempi, dynaamisesti muuttuva tieto kuormitettavuudesta mahdollistaisi suuremman tehon siirtämisen muuntajan tai kaapelin lävitse ylikuormittamatta niitä.
Tästä saataisiin erityinen hyöty poikkeuksellisessa kytkentätilanteessa.
Tutkittu kaapelireitti ei ollut kuormitettavuuden kannalta kriittisin. Sen ylikuormittumi
nen on epätodennäköistä kaikissa mahdollisissa kytken täti lanteissa. Se valittiin kohteek
si mittausten toteuttamisen helpottamiseksi. Käytetty menetelmä ei huomioi kaapelin
ympäristön termisiä ominaisuuksia, joten varmuudella voidaan todeta vain se, mitä on mitattu. Nyt suoritettujen mittausten perusteella nähdään, ettei jatkuvassa kuormitetta- vuudessa ole välttämättä paljonkaan nostamisen varaa. Sen sijaan näyttää jokseenkin varmalta, että tutkittua kaapelia voitaisiin kuormittaa joitakin tunteja noin 900 ampeerin kuormitusvirralla. Rajoittavaksi tekijäksi nousisivat releasettelut ja virtamuuntajan kuormitettavuus.
Lämpötilamittauksen avulla määrätty dynaaminen kuormitettavuus mahdollistanee muilla kaapelireiteillä samansuuntaisen yli sadan prosentin kuormitusasteen lyhytaikai
sesti. Alemmilla kuormitusasteilla lämpötilamittaus näyttää kaapelin todellisen kuor
mitustilanteen. Kaapelien osalta menetelmän heikkoutena voidaan pitää sitä, ettei sen avulla saada mitään tietoa usein kriittisten jatkoksien lämpenemistilanteesta.
Muuntajien osalta todettiin eri muuntajien lämpötilakäyttäytymisessä olevan suuriakin eroja. Eri jäähdytystavoille eroavaisuudet selittyvät standardissa esitetyillä lämpötila- käyttäytymismalleilla. Saman jäähdytys tavan muuntajien lämpenemisessä olevat erot riippuvat muuntajavalmistajien välisistä eroista. Eroihin ei päästä käsiksi virtarajoihin perustuvalla kuormitusohjeella, mutta lämpötilamittaukseen perustuva kuormitetta- vuuslaskenta sallii jokaiselle muuntajalle yksilöllisen kuormitusvirran olosuhteista riippuen. Muuntajien osalta kuormitettavuus riippuu erittäin voimakkaasti ympäristön eli jäähdytysilman lämpötilasta. Siksi lämpötilan jatkuvaan mittaukseen perustuva ohje antaa erittäin hyvän lisätiedon kuormitettavuudesta. Muuntajien käämin lämpötilan kuvaamiseen käytetty kahden aikavakion malli antaa luotettavan käämin lämpötila- arvon, mutta lähes yhtä hyvään tulokseen päästään yhden aikavakion mallia käyttäen.
Kuormitusnäyttöjen ohjelmointia ei tehty työn puitteissa lainkaan. Tärkein kuormituk
sen seurantaan vaikuttava jatkokehitystarve olisikin näyttöjen ohjelmointi siten, että reaaliaikainen seuranta valvomon näytöltä olisi vaivatonta. Kuormitusnäyttöjen ohjel
moinnissa olennaisia tietoja, lämpötilarajoja ja informatiivisen ohjeen toteutustapaa on pohdittu työssä. On päädytty esittämään lämpötilatieto lämpötilan kriittisyyden mukaan muuttuvin värein. Väri on vihreä, kunnes lämpötila ylittää rajan, jossa käytönvalvojan halutaan kiinnittävän huomiota poikkeuksellisen korkeaan kuormitukseen. Silloin väri
muuttuu keltaiseksi. Järjestelmä muuttaa värin punaiseksi lämpötilan noustessa niin korkeaksi, että tilannetta ei voida pitkään sallia.
Kun kuormitettavuus määritetään kuumimman pisteen lämpötilan perusteella, voidaan paremmin hallita tilanteita, joissa kuormitusvirta nousee yli nimellisen. Kaapelin virta- tiedon perusteella ei voida päätellä kuinka kauan nimellistä suurempi virta voidaan sallia, mutta lämpötilatieto näyttää vallitsevan tilanteen. Vaikka jatkuvan tilan kuormi- tettavuudessa ei paljoa nostovaraa olekaan, voidaan kaapelia kuormittaa joitakin tunteja noin 130 prosentin virralla lämpötilarajoissa pysyen. Muuntajille suurin hyöty saadaan lämpötilamittauksesta siinä, että mittaus sisältää ympäristön lämpötilatiedon, jolloin normaalilämpötiloja kylmemmät lämpötilat mahdollistavat suuremmat kuormitusvirrat kuin kuormitusohjeeseen [8] on laskettu.
Lähdeluettelo
1 Vuosikertomus 2000. Helsingin Energia. Helsinki: Art-Print, 2001. 47 s.
2 Sähkön kokonaiskulutus 2000. Adato Energia.
http://www.energia.fi/sahko/alakaytt.html, 12.6.2001
3 Lehtonen Markus. 110 kV johtojen kuormitettavuus. Muistio. Helsingin Energia, 5.5.1997. 1 s.
4 Hakulinen Jari. Sähköpostikeskustelu, 14.6.2001 5 Voimakaapelit. Pirelli Cables and Systems, 1999. 83 s.
6 IEC 76-2. Power transformers - Part 2: Temperature rise. Geneve: International Electrotechnical Comission, 1976. 25 s.
7 IEC 354. Loading guide for oil-immersed transformers. Geneve: International Electrotechnical Commission, 1972. 83 s.
8 Porkka Raimo. Muuntajat, kuormitusohje. Tekninen ohje. Helsingin Energia, 28.11.2000. 10 s.
9 Kassiin Jukka. Sähköaseman muuntajakapasiteetin mitoittaminen. Diplomityö.
Teknillinen korkeakoulu, 1981. 128 s.
10 Keskustelut Helsingin Energian käyttömestarien kanssa, kesäkuu 2001.
11 Anders George, J. Rating of Electric Power Cables. McGraw-Hill, 1997. 428 s.
ISBN 0-07-001791-3.
12 Pitkänen Jaakko. Voimakaapelien dynaaminen kuormitettavuus. Diplomityö.
Teknillinen korkeakoulu, 1999. Ills.
13
Tuomainen Petri. Kaapelien kuormitettavuus. Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu, 1994. 89 s.
Underground Transmission Systems. California: Electric Power Research Institute, 1992. 452 s.
Paavola Martti. Sähköjohdot. Porvoo: WSOY, 1975. 320 s.
ISBN 951-0-06635-4.
Suihkonen Antti. Asennusympäristön vaikutus kaapelien kuormitettavuuteen.
Diplomityö. Teknillinen korkeakoulu, 2000. 81 s.
Alatalo Pentti. Voimakaapelit ja asennusjohdot. Espoo: Oy Kodaprint Ab, 1975.
167 s. ISBN 951-99072-7-0.
Ailio Tom. Kaapelien lämpeneminen kaukolämpöputkien läheisyydessä.
Insinöörityö. Helsingin teknillinen oppilaitos, 1994. 44 s.
Johdepolymeerit. http://www.utu.fi/ml/kemia/akem/johpoll .html, 9.8.2001 Lehtonen Maija. Jakelumuuntajan kuormituksen seuranta. Diplomityö.
Teknillinen korkeakoulu, 2000. 82 s.
IEC 354. Loading guide for oil-immersed power transformers. Geneve:
International Electrotechnical Comission, 1991. 157 s.
CYMCAP Cable Ampacity Calculation, http://www.cyme.com/cymcap.shtml, 17.1.2002
Millar John. Factors influencing the thermal limits of power cables. Diplomityö.
Teknillinen korkeakoulu, 2002.
Liite Л
Kaapelin johtimen ja pinnan lämpötilaeron laskenta
A7_/>0 = Tc - Tsurf = (FFC + 0,5Pf,)Г1+к(1 + Я|) + ^]Г3 nussa
Wc-I2Rc, johdinhäviöt
Wd = coCU\ tan S, dielektriset häviöt
л = /г.
л /р V i + А
v*v
, vaippahäviökerroin, Rs on vaipan resistanssi, 7 o« johtimen
vaihtovirtaresistanssi ja X = 2jf In 2 n
, eristeen lämpöresistanssi, p, o« eristeen lämpöresistiivisyys rXo on eristekerroksen ulkosäde ja ru on eristekerroksen sisäsäde
Тъ = /Г A
z Л
, vaipan lämpöresistanssi kolmioasennuksessa,
\ e У
dc on johtimen halkaisija, p3, r3o ja rv vastaavasti kuin edellä Huomaa !
Yhtälöt pätevät kolmioon asennetuille kaapeleille.
Yhtälöissä esiintyvä Rc on 7 : « funktio ja Rs on 7 : n funktio.
Laskennan yksinkertaistamiseksi käytetään f : Ile kaikissa lämpötiloissa arvoa, joka sillä on nimellisvirralla kuormitettaessa.
Laskennan kulku on esitetty tarkemmin John Millarin diplomityössä ’Factors influen
cing the thermal limits of power cables’. Työ on tehty Teknillisessä korkeakoulussa.