Katkaisijan koskettimet: 1 on pääkoskettimet, 2 ja 3 asentotiedon

apukoskettimet ja 4 kiinniohjaustilan valmiutta osoittava kosketin (jousi virittynyt).

Katkaisijan perusperiaatteisiin kuuluu, että katkaisija kykenee koska tahansa suorittamaan aukiohjauksen. Jousiviriteisessä katkaisijassa tämä on toteutettu siten, että kiinniohjaus aina samalla virittää aukiohjausjousen. Jokaisen kiinniohjauksen jälkeen pitää kuitenkin kiinniohjausjousi virittää uudelleen, ja se tehdään viritysmoottorilla.

Tyypillinen jousen viritysaika on 5-15 sekuntia.

Mitä tällä sitten on tekemistä jälleenkytkentöjen kanssa? Normaalisti katkaisijan ollessa kiinni ovat sekä auki- että kiinniohjausjouset vireessä. Katkasijalla on valmius tehdä aukiohjaus, kiinniohjaus ja vielä kerran aukiohjaus (koska kiinniohjaus virittää uudelleen aukiohjausjousen). Tämä ainoastaan mahdollistaa hyvin nopean jälleen- kytkennän tekemisen. Seuraavaksi on viritettävä kiinniohjausjousi (moottorilla), joten toinen ja kolmas jälleenkytkentä eivät koskaan saa, eivätkä voi toimia ennenkuin jousi on ehditty virittää. Tämän asian varmistamiseksi katkaisijalta otetaan apukosketintieto

“jousi virittyy” estämään kiinniohjaus vajaaviriteisessä tilassa.

Katkaisijan apukoskettimien ANSI-koodit ovat 52a (kosketin on kiinni silloin kun katkaisija on kiinni) ja 52b (kosketin on kiinni silloin kun katkaisija on auki).

3. JÄLLEENKYTKENNÄT SÄHKÖVERKOSSA

Avojohtoverkon vikatapauksista valtaosa, noin 80-90 % on valokaarimaasulkuja.

Valokaariviat syntyvät ilmastollisten ylijännitteiden synnyttämistä ylilyönneistä, tuulen aikaansaamista puukosketuksista, eläinten pääsystä johtimien ja/tai maapotentiaalin väliin, johtimien koskettaessa toisiaan tuulen tai lumikuorman vuoksi jne.

Av oj oh dolía eristysaineena on ilma. Ohimenevissä vioissa vikapaikan valokaari sammuu, ja jännitelujuus palautuu nopeasti ja luonnostaan ennalleen valokaarikanavan de-ionisoituessa. Parhaimmillaan valokaari sammuu itsestään jopa ennen kuin suojareleet ehtivät toimia. Jälleenkytkennöillä pyritään hoitamaan syötön palautus niissä vioissa, jotka aiheuttavat suojareleiden laukaisutoiminnan. (Mörsky 1992, 295-338.) Suojareleen laukaisun jälkeen valokaari sammuu, kun vikapaikka tulee jännitteettömäksi. Sammumiseen vaadittava pienin ionisaation poistumisaika ilmassa on lähinnä verkon jännitetasosta riippuen oikosulkuvioille 0,07 sekuntista (20 kV) 0,5 sekuntiin (500 kV) (Paavola & Halme 1979, 142; GEC Measurements 1983, 243).

Pitämällä verkko lyhyen aikaa jännitteettömänä voidaan useimmissa tapauksissa olettaa vian poistuneen ja tilanteen normalisoituneen. Suojareleen toiminnasta käynnistetty (ensimmäinen) jälleenkytkentä ohjaa asetellun lyhyen ajan kuluttua katkaisijan automaattisesti takaisin kiinni palauttaen verkon vikaa edeltäneeseen tilaan.

Ensimmäisen jälleenkytkennän kesto on usein alle kaksi tai kolme sekuntia. Suurin osa vioista poistuu ensimmäisellä jälleenkytkennällä, eikä enempiä yrityksiä tarvitse tehdä.

Osa vioista, kuten useimmat puukosketukset sekä osa pieneläinten aiheuttamista vioista poistuvat itsestään kuitenkin vain joko palamalla tai sitten pidemmän ajan kuluessa.

Ensimmäinen jälleenkytkentä ei riitä vian poistamiseen, ja kiinniohjauksen jälkeen suojarele havahtuu uudestaan.

Jotta vialla olisi enemmän aikaa palaa pois, tehdään toinen laukaisu usein pidemmällä viiveellä. Laukaistusta käynnistyvän toisen JK:n aika on sekin pidempi, koska pidemmän ajan toivotaan parantavan JK.:n onnistumismahdollisuuksia (esimerkiksi tuuli kuljettaa puuoksan pois linjalta). Toinen maailmalla (ei niinkään Suomessa) yleinen syy tehdä pidempikestoinen jälleenkytkentä ensimmäisen nopean jälkeen on ajan antaminen muiden (verkossa syvemmällä olevien) suojalaitteiden toiminnalle.

Yleisesti tehdään kaksi tai kolme perättäistä jälleenkytkentäyritystä. Vaikeampien vikojen tapauksessa tehdään kaikki jälleenkytkentäyritykset ennalta ohjelmoidun

sekvenssin mukaisesti, kunnes vika joko poistuu tai kaikki yritykset on tehty. Pysyvien vikojen tapauksessa tehdään viimeisen yrityksen jälkeen vikapaikka vielä kerran virattomaksi, ja jälleenkytkennät lukitaan. Vikapaikka jää silloin virattomaksi, ja tilanne vaatii käyttöhenkilökunnan toimenpiteitä. Suomessa hyvin tyypillinen ensimmäisen JK:n (PJK) aika on 0,3 sekuntia ja toisen (AJK) vaihtelee 15 sekunnista kahteen tai kolmeen minuuttiin. Hyvin harvoin käytetään enempää kuin kahta jälleenkytkentää.

Kaapelissa tilanne on aivan eri kuin avojohdolla, koska läpilyönti aiheuttaa aina vaurioita eristykselle. Tästä johtuen kaapeliverkossa viat ovat pysyviä, eikä jälleenkytkentää yleensä käytetä. Johdolla jossa on sekä avojohtoa, että kaapelia jälleenkytkentää käytetään yleensä silloin kun avojohdon osuus on suurempi. (Lehtonen

& Hakola 1996, 63-64; Blackburn 1998, 491.) Myös suoritettavien jälleenkytkentöjen määrää muutetaan sekaverkossa avoj ohto/kaapeli-suhteen mukaan: esimerkiksi kaapeliverkon pituuden ollessa alle 30 % lähdön kokonaispituudesta käytetään kahta, ja yli 30 % osuuksilla vain yhtä jälleenkytkentää (Oh, Yun, Kim, Kim, & Ahn, 1999).

Paras tilanne on silloin, kun suojareleistys (esimerkiksi distanssisuojaus) kykenee laskemalla vian etäisyyden estämään jälleenkytkennät vian ollessa kaapeliosuudella.

Jälleenkytkentä edellyttää tahdistuksen tarkistusta, paitsi jos syöttö on vain toisesta suunnasta, tai muu yhteen kytketty verkko kykenee pitämään katkaisijan laukaisussa erotetut verkon osat tahdissa (Blackburn 1998, 490).

3.1 Jälleenkytkennän edut ja haitat

Automaattista jälleenkytkentää käytetään yleisesti sekä jakelu-, että siirtoverkossa.

Samoja periaatteita on tosin sovellettu jopa pienjänniteavojohtoverkossa (De la Rosa et

ai. 1991).

Aikaisemmin jo todettiin, että jälleenkytkentätoiminnoissa ensisijainen tavoite on palauttaa verkko nopeasti vikaa edeltävään tilaan ohjaamalla lauennut katkaisija automaattisesti takaisin kiinni, ja näin minimoida kuluttajalle näkyvä katkosaika.

Jälleenkytkennöissä saavutetaan myös muita etuja:

- Jälleenkytkentä palauttaa verkon tehosiirtokyvyn nopeasti takaisin ennalleen (positiivinen vaikutus siirtoverkon stabiiliisuuteen).

- Katkosaika

(-

jälleenkytkentäaika) on deterministinen.

- Myrskyjen ja muiden laajojen häiriöiden aikana automaattinen jälleenkytkentä nopeuttaa verkon palauttamista ja helpottaa verkko-

operaattorin työtä. (Horowitz, Phadke & Thorp 1988.)

Jälleenkytkennän vaikutus syötön jatkuvuuteen ja sitä kautta sähkön laatuun on hyvin selväpiirteinen. Jännitteettömänä väliaikana kuluttaja on ilman sähköä, mutta onnistuessaan JK mahdollistaa syötön jatkuvuuden lyhyen katkon jälkeen.

Monesti jälleenkytkentöjä käytettäessä tehdään ensimmäinen laukaisu, ja samalla ensimmäisen JK:n käynnistys hyvin nopeasti (hetkellislaukaisuna). Nopeasta laukaisusta koituu lisäetuja pieni-impedanssisesti maadoitetuissa verkoissa:

- Vika-aika lyhenee, jolloin on pienempi mahdollisuus että vika muuttuisi pysyväksi. Myös Elmore (1994, 334) korostaa samaa nimenomaan siirtoverkon suojauksessa.

- Lyhyempi vika-aika merkitsee pienempää rasitusta verkolle ja rajoittaa mahdollisia vaurioita.

- Vaadittava de-ionisoitumisaika pienenee. (GEC Measurements 1983, 238.)

Maadoittamattomassa tai kompensoidussa verkossa maasulkuvirta on puolestaan yleensä pieni, eikä jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys riipu kovin paljoa siitä, kuinka nopeasti suojarele laukaisee vian pois (Lehtonen & Hakola 1996, 63).

Jälleenkytkennöistä aiheutuu luonnollisesti myös haittoja, joista ehkä pahimpana on turhien (epäonnistuvien) kiinniohjausyritysten teko vian ollessa pysyvä. Tämä vain rasittaa verkkoa ja sen komponentteja lisää. Lisäksi vaikka jännitteetön väliaika on lyhyt, on siitä johtuvat vaikutukset kuluttajille yleensä paljon pidempikestoisia:

tuotannon seisahtuminen, tietokoneiden työmuistin sisällön menetys jne. Lyhytaikainen katkos voi olla ongelmallinen myös silloin, kun siitä seuraa esimerkiksi koneiden ja prosessien kontrolloimaton käynnistyminen.

3.1.1 Moottorit

Jos moottori (epätahti-, tai tahtikone) kytketään uudelleen verkkoon ennen kuin kone on ehtinyt pysähtyä voi tuloksena olla suuri hetkellinen vääntömomentti ja koneen vaurioituminen (Blackburn 1998, 379). Jos moottorin jännite ei ole vielä laskenut

riittävän alas, ja on jälleenkytkentähetkellä vaiheoppositiossa voi seurauksena olla myös ylijännitteestä johtuva eristinvaurio (GEC Measurements 1983, 238).

Epätahtimoottorei 11a moottorin jännitteen tulisi antaa pudota alle 33 % nimellisestä ennen jälleenkytkentää (Blackburn 1998, 379; ks. myös Faiz, Ghaneei & Keyhani

1999).

Tahtimoottoreilla jälleenkytkentää ei sallita ilman synkronointia, ja siksi tahtimoottori- käytöt tulee nopeasti kytkeä irti syötön kadotessa. Jälleenkytkennän aika tulee olla riittävän pitkä, niin että alijännite- tai alitaajuustietoon perustuva tahtimoottorien irtikytkentä ehtii tapahtua luotettavasti. (Blackburn 1998, 379.)

3.1.2 Voimantuotantogeneraattorit

Johdolle kytketyt pienet tahti- ja epätahtigeneraattorit, kuten esimerkiksi tuulivoima- generaattorit kykenevät ylläpitämään JK:n aikana jännitettä useita minuutteja. Mikäli generaattorilla ei ole automaattista jännite- ja taajuussäätäjää voi jännite ja taajuus ajautua nimellisarvoistaan paljonkin ja johtaa vakaviin vaurioihin. Siksi tällaiset generaattorit tulee varustaa suojalla, joka kytkee generaattorin automaattisesti irti jännitteen tai taajuuden poiketessa liiaksi nimellisestä. (Bollen 2000, 120.)

Generaattorin suojauksen yhtenä osana, varsinkin hajautetussa voimantuotannossa (distributed generation) voi olla eroonkytkentäsuojaus (loss-of-grid). Eri syistä johtuen generaattorin irrottamista verkosta ja niin sanottua saareke-käyttöä ei sallita, vaan generaattori halutaan laukaista. Laukaisun tulee ehtiä tapahtua jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan kuluessa. (Jenkins, Allan, Crossley, Kirschen & Strbac 2000,

16

^).

El-Serafi:n ja Faried:n (1994) mukaan katkaisijan toiminnat vian erottamisen yhteydessä tai jälleenkytkennässä voivat aiheuttaa turpiini-generaattori-akselille suuremman vääntörasituksen (roottorirasitus) kuin kolmivaiheinen oikosulku generaattorin navoissa. Nopeassa jälleenkytkennässä vian ja laukaisun aiheuttama akselin värähtely ei ehdi vaimentua ja rasitus voi vielä kumuloitua. (El-Serafi & Faried 1994.) Siksi esimerkiksi siirtolinjoilla, jotka ovat lähellä suuria voimantuotanto- yksiköitä, ei sallita kuin yksinapainen jälleenkytkentä (Ungrad, Winkler &

Wiszniewski, 152). Useampinapaisesta viasta tehdään kolminapainen laukaisu ilman jälleenkytkentää.

3.1.3 Tehomuuntajat

Tehomuuntajan läpimenevät (ulkopuoliset) viat synnyttävät suuria mekaanisia voimia käämityksissä ja niiden välillä. Tämä synnyttää liikettä ja toistuvat liikkeet (kumulatiivinen vaikutus) voivat synnyttää vaurioita. Varsinkin iäkkäät paperieristeiset muuntajat ovat vaarassa, sillä paperieriste haurastuu ja sen mekaaninen lujuus vanhetessaan heikkenee selluloosakuitujen katkeillessa.

3.1.4 Kaapelit

Yksinomaan kaapeliverkkoa käsittävissä jakeluverkoissa ei jälleenkytkentä ole hyödyllinen, sillä kaapeliverkossa viat ovat yleensä pysyviä. Lisäksi kaapelissa itsessään tapahtuva läpilyönti aiheuttaa aina vaurioita eristykselle, jolloin jälleenkytkennät vain pahentavat vikaa.

Sekaverkoissa, missä on sekä kaapeli-, että avojohto-osuuksia jälleenkytkentöjen käyttö ja lukumäärä valitaan sen mukaan kuinka suuri osa verkosta on avojohtoa.

Sekaverkoissa on huomattava, että oikosulun jälkeen kaapeliosuudet jäähtyvät hitaammin kuin avojohto-osuudet (Suomen Sähkölaitosyhdistys r.y. 1994, 18).

Kaapeleillä on myös pienempi reaktanssi kuin avojohdoilla, mistä johtuen oikosulkuteho ei juurikaan laske kaapeliosuudella. Jälleenkytkentöjen kannalta ongelmallinen on esimerkiksi tilanne, missä vika syntyy avojohtoverkon alussa olevalla kaapeliosuudella.

3.2 Jälleenkytkentäsekvenssi

Ensimmäinen jälleenkytkentä voi olla joko välitön tai viivästetty. Tarkasti ottaen välitön (instantanous) jälleenkytkentä tarkoittaa sitä, että katkaisijan kiinniohjausta ei ole hidastettu lainkaan, vaan katkaisijan kiinniohjauskelalle syötetään ohjausjännite hyvin lyhyen ajan kuluttua aukiohjauksen alkamisesta. Tämä saavutetaan käyttämällä katkaisijassa nopeaa apukosketinta (ANSl-koodi: 52bb), joka sulkeutuu mahdollistaen kiinniohjauksen jo heti kun katkaisijan mekanismi on lähtenyt liikkeelle auki-asentoa kohti. Reletoiminnan kannalta välittömässä JK:ssa aktivoidaan samanaikaisesti sekä auki-, että kiinniohjaus. Jännitteetön väliaika riippuu pelkästään katkaisijan toiminta- nopeudesta. (Blackburn 1998, 490; ks. myös Elmore 1994, 336.)

Sekä käytännössä, että myös kirjallisuudessa (esimerkiksi Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 72) välittömällä jälleenkytkennällä useimmiten kuitenkin tarkoitetaan lyhyttä, korkeintaan kaksi tai kolme sekuntia kestävää jälleenkytkentää. Suomessa pikajälleen- kytkennäksi (PJ K) sanotaan noin 0,2-3 sekunnin pituista jälleenkytkentää. Dugan et ai. (1996a, 72) mukaan 2 sekuntia oli standardi jännitteetön väliaika hydraulisille recloser-laitteille, ja se selittänee miksi joissain maissa edelleen sitkeästi pidetään kiinni 2-3 sekunnin pituisesta väliajasta.

Jos ensimmäinen jälleenkytkentäyritys epäonnistuu, ja suojareleistys havahtuu uudelleen voi tätä seurata vielä yksi tai useampi viivästetty jälleenkytkentäyritys.

Viivästettyjä jälleenkytkentöjä kutsutaan aikajälleenkytkennöiksi (AJK).

Kun kaikki ennalta ohjelmoidut yritykset on tehty, lukkiutuu jälleenkytkentä- automatiikka (lock-out) estäen uusien yritysten tekemisen. Lukitustilasta palautuminen voi tapahtua joko manuaalisesti tai automaattisesti tietyn viiveen jälkeen. Automaattisen palautumisen viive (reclaim time, reset time) on usein aseteltava ja siitä käytetään myös nimityksiä lukitusaika ja toipumisaika.

Palautumisajalla hoidetaan myös se, että JK-automatiikka ei voi vian ollessa pysyvä aloittaa kiinniohjausyrityksen jälkeen sekvenssiä uudestaan alusta, vaan jatkaa eteenpäin seuraavaan yritykseen (kuva 11). Automatiikka palautuu kuitenkin palautumisajan kuluttua edellisestä jälleenkytkentäyrityksestä, jos vika on poistunut eikä uutta laukaisua/jk-käynnistystä tule. Joissain releissä on joka jälleenkytkentä- yritykselle erikseen asteltavat palautumisajat.

Katkaisijan

K

palautumisaika^2.JK:n ->1

Aika Kuva 11. Jälleenkytkennän palautumisajan vaikutus: a) seuraava laukaisu tulee ennen palautumisajan umpeutumista, ja sekvenssi jatkuu eteenpäin, b) toinen laukaisu tulee vasta palautumisajan umpeuduttua jolloin sekvenssi alkaakin uudelleen alusta.

Lähes aina, kun kyseessä on pysyvä vika, tehdään JK-automatiikan viimeisen jälleenkytkentäyrityksen jälkeen ja JK-automatiikan lukkiuduttua katkaisijan lopullinen aukiohjaus. Tästä tuleekin englanninkielinen nimitys lock-oz//. Jokseenkin harvoin näkee tehtävän myös niin, että jälleenkytkentäkokeilujen jälkeen katkaisijan jätetään kiinni. Tällaisesta tilanteesta täytyy kuitenkin saada hälytys. Tätä menetelmää voidaan käyttää esimerkiksi maasulkuvioissa, joissa vika kyllä yritetään jälleenkytkennöillä saada poistumaan, mutta jotka eivät vaadi laukaisua (ns. hälyttävä maasulku - periaate).

3.3 Jälleenkytkennät jakelu- ja siirtoverkoissa

Jälleenkytkennän onnistumiseen vaikuttaa muun muassa se, kuinka nopeasti vika

laukaistaan pois. Pieni-impedanssisesti maadoitetussa verkossa laukaisu pitäisi tehdä mahdollisimman nopeasti, jotta vältytään vikavirran aiheuttamilta vaurioilta (Lehtonen

& Hakola 1996, 63.) Samalla vaadittava de-ionisoitumisaika pienenee ja mahdollisuus, että vika muuttuu pysyväksi on pienempi (GEC Measurements 1983, 238).

Maadoittamattomassa tai kompensoidussa verkossa maasulkuvirta on sitä vastoin yleensä pieni, eikä jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys riipu kovin paljoa siitä, kuinka nopeasti suojarele laukaisee vian pois. (Lehtonen & Hakola 1996, 63.)

Kompensoidussa verkossa on lisäksi maadoittamatonta verkkoa pienempi toden

näköisyys, että maasulkuvika kehittyy oikosulkuviaksi. Valokaaren leviämis

mahdollisuus pienenee kun tehonkulutus ja palaminen vikapaikassa on kompensoinnin vuoksi pienempää. Lisäksi kompensoidussa verkossa käyttötaajuinen palaava jännite kasvaa hyvin hitaasti, ja valokaariviat sammuvat paremmin kuin samalla virralla maasta erotetussa verkossa (Mörsky 1992,295-338).

Siirtoverkoissa suuremmasta käyttöjännitteestä johtuen vaihejohtimien etäisyys toisistaan on pidempi kuin jakeluverkossa. Mitä suuremmasta jännitteestä on kysymys, sitä suurempi osuus vioista on yksinapaisia maasulkuja. Kuva 12 esittää vikojen jakautumisen eri jännitetasoilla. (IEEE Power System Relaying Committee Working

Group 1992.)

100

Yksinapaiset (maasulku)

Kaksinapaiset viat

Kaksois-maasulku Kohnivaiheviat

□ HHV

Kuva 12. Vikojen prosentuaalinen osuus siirtoverkon eri jännitetasoilla: HV-jännitettä ei ilmoitettu, EHV=500kV (IEEE Power System Relaying Committee Working Group

1992).

3.4 De-ionisoitumisaika

Jälleenkytkennän ajan tulee olla vähintään niin pitkä, että vikapaikassa mahdollisesti palava valokaari ehtii sammua ja jännitelujuus palautua. Tähän vaadittava valokaari- kanavan de-ionisoitumisaika vapaassa ilmassa riippuu piirin jännitteestä, kohtioiden välisestä etäisyydestä, vikavirran amplitudista, tuulen nopeudesta ja yksinapaisissa jälleenkytkennöissä vielä muiden johtimien kapasitiivisesta kytkeytymisestä

(GEC

Measurements 1983,243).

Eri kirjallisuuslähteissä on de-ionisoitumisajalle ja pienimmälle mahdolliselle jännitteet- tömälle väliajalle annettu hivenen erilaisia arvoja. Paavolan ja Halmeen (1979, 142) mukaan, amerikkalaisiin tietoihin perustuen pienin ionisaation poistumisaika ilmassa on 95 % varmuudella 23 kV:n jännitteellä 70 ms, 115 kV:n jännitteellä 140 ms ja 230 kV:n jännitteellä 300 ms. Tämä käy yhteen GEC Measurements:n (1983, 243) tietojen kanssa (kuva 13). Nämä ajat pätevät oikosulkuvioille, ja vain kolminapaiselle laukaisulle. Maasulkuvioissa, joissa vikavirran amplitudi on pienempi, ajat ovat lyhyempiä. Yksinapaisessa laukaisussa puolestan terveiden vaiheiden keskeis- kapasitanssin kautta pääsee vikapaikassa kulkemaan virtaa, joka vaikeuttaa valokaaren sammumista. Yksinapaisissa laukaisuissa tarvittava aika on arviolta kaksi kertaa suurempi kuin kolminapaisissa laukaisuissa. (Ahn, Kim, Aggarwal & Johns 2001.)

J К-releen kannalta katsottuna jännitteetön väliaika, releen jälleenkytkennän aika- asetteluna, on määritelty katkaisijan aukiohjauskäskyn ja kiinniohjauskäskyn välisenä aikana. Katkaisijalla on oma luontainen toimintahitautensa, eikä virtakaan katkea heti kun koskettimet alkavat avautua. Tästä johtuen JK-automatiikalle aseteltavan JK-ajan pitää aina olla pidempi kuin de-ionisoitumisaika.

Elmoren (1994, 334) mukaan, perustuen 40 vuoden kokemukseen, minimiaika jännitteettömälle väliajalle voidaan laskea kaavalla

r = 10,5-1--- jaksoa, 34,5

missä

U

on nimellinen pääjännite kilovolteissa.

(1)

-O- Paavola & Halme -Л- Elmore (kaava), 60Hz -O—GEC Measuremnts

43- Elmore (kaava), 50Hz 500

«Г 300 5 200

Jännite (kV)

Kuva 13. Eri lähteiden antamia arvoja de-ionisoitumisajoille ja jännitteettömälle väliajalle.

3.5 Yksinapainen jälleenkytkentä

Koska suuri osa siirtoverkon vioista on maasulkuvikoja, riittää kun viallinen vaihe laukaistaan, muiden vaiheiden jäädessä käyttöön. Tätä tekniikkaa kutsutaan yksinapaiseksi tai yksivaiheiseksi (single-pole, single-phase) laukaisuksi ja jälleen-

kytkennäksi (Blackburn 1998, 463).

Yksinapaista laukaisua ja jälleenkytkentää käytetään yleisesti siirtoverkoissa, mutta ainakin tällä hetkellä vielä erittäin harvoin jakeluverkoissa. Yksinapaisen jälleen- kytkennän tekeminen on mahdollista vain, jos suojareleistys kykenee tunnistamaan viallisen vaiheen ja katkaisijaa voidaan ohjata yksinapaisesti auki ja kiinni. Toinen välttämätön ehto on, että vikapaikassa palava valokaari sammuu jännitteettömänä väliaikana. Viallisen (laukaistun) ja terveiden (jännitteellisten) vaiheiden välinen kapasitiivinen ja induktiivinen kytkentä pyrkii ylläpitämään valokaarta vikapaikassa ja näin heikentää jälleenkytkennän onnistumismahdollisuuksia. Verkon tähtipisteen

maadoitustavalla on suuri merkitys valokaaren sammumiselle.

Bishop, McCarthy ja Josken (n.d.) ovat tutkineet sähkön laadun parantamista jakeluverkossa (USA, pieni-impedanssisesti maadoitetut verkot, yksivaiheista kuormaa) käyttämällä kolminapaisen JK:n sijasta yksinapaista. He toteavat, että johtolähdön ollessa raskaasti kuormitettu kolmivaihekuormalla ja -muuntajilla on kolmivaiheinen JK kuitenkin toivottavampi ratkaisu. Tätä on perusteltu (ks. DeCasero et ai. 1993) sillä, että maadoittamattoman Y/D jakelumuuntajan “avonaisessa navassa” jännitteen hetkellisarvo voi nousta jopa 2,6 kertaiseksi (kuvat 14 ja 15), vahingoittaen muuntajan napoihin kytkettyä venttiilisuojaa. (Bishop, McCarthy & Josken n.d.).

No Load

i---1---1

-200*4

Kuva 14. Vaihekatkoksessa syntyvä ylijännite Y/D muuntajan navassa kuormituksen

funktiona (DeCasero et al. 1993).

Kuva 15. Jännite Y/D muuntajan navassa ennen ia jälkeen vaihekatkoksen (DeCasero et ai. 1993).

Muuntajan epälineaarisen induktanssin ja kaapelin kapasitanssin synnyttämää värähtelyä johdinkatkostilanteissa on tutkittu myös Suomessa. Maasta erotetussa ja resistanssilla maadoitetussa verkossa värähtely jäi jatkuvaksi, kun kaapelipituus oli riittävä ja jakelumuuntajan kuorma pieni. Sammutetussa verkossa ei simuloinnissa ilmennyt jatkuvaa värähtelyä. (Hakola 2004.)

Jos yksinapaisen jälleenkytkennän jälkeen johdolla on yhä vika, tehdään seuraavaksi kolmivaiheinen laukaisu (Blackburn 1998, 463) ja jälleenkytkennät yleensä lukitaan.

Vaihtoehtoisesti voidaan tehdä toinen tai useampikin jälleenkytkentä, mutta nämä ovat aina kolminapaisia. JK-automatiikassa tulee olla signaali “prepare three-phase trip” jolla yksinapaisen operaation jälkeen pakotetaan seuraava(t) laukaisut kolminapaisiksi.

(IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

On myös mahdollista, että yksinapaisen JK:n epäonnistuessa tehdään yksinapainen laukaisu, jolloin kaksi vaihetta jäisi yhä käyttöön (ks. Bishop, McCarthy & Josken n.d.).

Kolmivaihekuormille pitkäaikainen vajaanapainen toiminta voi olla haitallista, ja siksi yleensä yksinapaisia jälleenkytkentöjä (jos ne yleensä sallitaan) pitää seurata kolminapainen laukaisu (Dugan et ai. 1996a, 73).

Kolminapaisissa vioissa tehdään yleensä korkeintaan yksi laukaisu/jälleenkytkentä, tai usein vain pelkkä laukaisu. Kehittyneemmässä ratkaisussa tehdään myös kaksinapaisia operaatioita. (Blackburn 1998,463.)

3.5.1 Yksinapainen jälleenkytkennän edut ja haitat

Vajaanapaisen operaation etuina kolminapaiseen operaatioon verrattuna on

- että tehonsiirtokapasiteettia ei menetetä täysin (Elmoren (1994, 100) mukaan tyypillisesti vain noin 20 %), joten järjestelmän luotettavuus ja käytettävyys on parempi

- verkon parempi stabiilisuus, koska terveet vaiheet kykenevät yhä siirtä

mään tehoa

- pienemmät kytkentäylijännitteet

- pienempi rasitus verkolle ja voimantuotantogeneraattorei 1 le. (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

Vastaavasti löytyy myös haittoja:

- Katkaisijan tulee kyetä yksinapaiseen toimintaan.

- Suojauksen tulee kyetä tunnistamaan viallinen vaihe, mikä onnistuu vain pienillä vikaresistansseilla.

- Suojauksen pitää kyetä hoitamaan myös tilanne, jossa 1 -vaiheisen jälleenkytkennän aikana vika muuttuu 2- tai 3-vaiheiseksi.

- Yksi- ja kaksinapaisen toiminnan aikana, epäsymmetrisyydestä johtuen verkkoon syntyy vasta- ja nollakomponentit, ja tämän vuoksi joidenkin suojareleiden toiminta tulee lukita jälleenkytkennän ajaksi. Vasta- ja nollakomponentit aiheuttavat myös rasituksia verkon komponenteille

(esimerkiksi moottorien roottorien lämpenemistä).

- Terveiden vaiheiden keskeiskapasitanssin vaikutuksesta laukaistulle vaihejohtimelle indusoituu jännite, joka hidastaa valokaaren sam

mumista. Pahimmassa tapauksessa valokaari ei sammu ollenkaan. (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992; Blackburn

1998, 463; ks. myös distanssisuojauksesta Ziegler & Gerhard 1999, 55)

Yksinapaiset operaatiot ovat yleisiä Euroopassa, mutta käytetty harvemmin Yhdysvalloissa johtuen käytössä olevista katkaisijoista (Blackburn 1998, 463).

Tärkein sovellus yksinapaiselle toiminnalle on tilanne, missä pelkästään yksi siirtolinja yhdistää kaksi syöttävän verkon osaa, tai että verkkoja yhdistävä muu verkko on liian heikko ylläpitämään verkkoja samassa tahdissa. Yksi-ja kaksinapaisissa jälleenkytken- nöissä terveet vaiheet pystyvät pitämään verkot tahdissa sekä ylläpitämään riittävästi tehosiirtokapasiteettia niin ettei stabiilisuus vaarannu (Blackburn 1998, 464).

3.5.2 Kaksinapaiset viat

Kaksinapaisia ohimeneviä vikoja ovat lähinnä johdinten hetkellinen kosketus toisiinsa (esimerkiksi myrskyllä tai lumi/jääkuorman irrotessa). Jos viassa ei ole mukana

maakontaktia, riittää, että vain toinen oikosulussa olevista vaiheista laukaistaan ja yksivaiheinen jälleenkytkentä käynnistetään. Suojareleessä voi olla myös valinta kumpi (pyörimisjärjestyksen mukaan) vaiheista laukaistaan. (Ziegler & Gerhard 1999, 55).

3.5.3 Siirtolinjan pituus

Terveiden vaiheiden keskeiskapasitanssin vaikutuksesta yksinapaisesti laukaistulle vaihejohtimelle indusoituu jännite, joka hidastaa valokaaren sammumista. Valokaarta ylläpitävä virta on verrannollinen siirtolinjan pituuteen. Tilanne pahenee linjapituuden kasvaessa, jolloin jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan pituutta pitää vastaavasti kasvattaa. Zieglern (1999) mukaan (jäykästi maadoitetuissa siirtoverkoissa) valokaari sammuu jos sen virta

I

amc <43х(*дг-0,2), (2)

missä

I

arc on valokaaren virta ampeereina ja

tor

jälleenkytkennän jännitteetön väliaika sekunteina (Ziegler & Gerhard 1999, 54).

Pidemmillä linjoilla joudutaan valokaaren virran pienentämiseksi käyttämään kompensointikuristimia (taulukko 1) (Ziegler & Gerhard 1999, 54).

Taulukko 1, Hyväksyttävät linjapituudet (Ziegler & Gerhard 1999, 54)

Siirtolinjan jännite

Kompensointia ei tarvita

Valokaaren sammuminen epävarmaa ilman

kompensointia

230 kV 0- 430 km 480- 800 km

345 kV 0- 230 km 230- 420 km

500 kV 0-100 km 100-160 km

765 kV 0- 80 km 80-130 km

3.5.4 Hybridi-skeema

Yksinapaisessa jälleenkytkennässä ongelmana oleva sekundaarisen valokaaren huonompi sammuminen on hybridi-skeemassa ratkaistu laukaisemalla jälleenkytkennän

jännitteettömän väliajan (50-60 verkkojaksoa) lopussa ensin terveetkin vaiheet ja

kytkemällä katkaisijan sitten pienen viiveen (10-15 jaksoa) jälkeen kolminapaisesti kiinni (kuva 16). Etuna on nopeampi ja varmempi valokaaren sammuminen puhtaaseen yksinapaiseen JK:ään verrattuna, sekä pienempi verkolle ja sen komponenteille aiheutettu rasitus puhtaaseen kolminapaiseen JK:ään verrattuna. (Ahn, Kim, Aggarwal

& Johns 2001; IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

CB CB

Quenching

~ Secondary Arc

CB CB

I Closed Breaker П Opened Breaker

• Primary Arc occur

• Primary Arc is eliminated

• Secondary Arc occur

• Secondary Arc extinguished Trips the Faulted

Phase

Trips the Remaining Two Phases

Recloses All Three Phases

quickly Fault Inception

Kuva 16. Hybridi -skeeman toimintajärjestys (Ahn, Kim, Aggarwal & Johns 2001).

3.5.5 Jännitteet yksinapaisessa operaatiossa

Yksinapaisen laukaisun jälkeinen tilanne voidaan jakaa ajallisesti kahteen osaan: aikaan jossa pieni-impedanssinen maasulku (valokaari) on yhä olemassa ja valokaaren

sammumisen jälkeiseen aikaan.

Maasulun ollessa yhä olemassa, jos kuormitus olisi yksivaiheista ja jakelumuuntajat tähti/tähti-kytkentäisiä voitaisiin todeta, että kolmivaiheiseen operaatioon verrattuna vain yksi kolmasosa kuluttajista kokee jälleenkytkennän aiheuttaman keskeytyksen.

Yleensä jakelumuuntajat ovat kuitenkin kolmio/tähti-kytkentäisiä. Silloin muuntajan vaikutuksesta yksi kolmasosa yksivaiheisista kuluttajista ei havaitsisi mitään, ja loput

kaksi kolmasosaa yksivaihekuluttajista

kokisi

jännitekuopan (jännite putoaa 58

prosenttiin nimellisestä, vaihekulma muuttuu 30°, kuva 17). Yksinapaisessa jälleenkytkennässä jännitekatko Dy-muuntajan vuoksi näkyykin jännitekuoppana

(Bollen 2000, 127-129).

Kuva 17. Pääjännitteet Dy-muuntajan takana yksivaiheviassa.

Kun valokaari vikapaikassa sammuu, muuttuu maasulku kuormituksen kannalta katsottuna vaihekatkokseksi. Bollen (2000, 129-134) on analysoinut tilannetta symmetristä järjestelmää käyttäen ja toteaa viallisen vaiheen jännitteen suhteellisarvon olevan arvioitavissa

U =

1--- --- ,

ЗУ..

У + У + У

missä

Yu, Y

^¿2 ja

Y

lo ovat kuorman (katkaisijan johdon puoleisen pään) myötä-, vasta-ja nolla-admittanssien suhteellisarvot. Tähteen kytketyllä staattisella kuormalla (

Y

li =

Y

- Y

^lo

)

jännite on nolla ja Dy-muuntajan takaisella staattisella kuormalla

(Y

^li =

Y

^l²

, Y

^lo

~

°o) jännite on 50 % ja vastakkaisvaiheinen. Moottorikuorma Dy -muuntajan takana vaikuttaa siten, että alussa viallisen vaiheen jännite on 25-75 % nimellisestä ja moottorien hidastuessa muuttuu vastakkaisvaiheiseksi arvoon 50 %. (Bollen 2000,

129-134.)

(3)

3.5.6 Virrat yksinapaisessa operaatiossa

Vikapaikan jännite ei laske yksivaiheisessa laukaisussa täysin nollaan, eikä silloin vikavirtakaan laske nollaan. Tämä vaikeuttaa valokaaren sammumista. Bollenin (2000,

135) mukaan vikavirran suhteellisarvo yksivaiheisen laukaisun jälkeen on laskettavissa

I=\zLl~(ZL%+ZL6),

(4)

missä

Zu

Z

l2 ja Z¿0 ovat kuorman (katkaisijan johdon puoleisen pään) myötä-, vasta- ja nollaimpedanssien suhteellisarvot (Bollen 2000, 135).

3.6 Jälleenkytkentöjen määrä

Siirtoverkoissa käytetään yleensä vain yhtä, korkeintaan kahta jälleenkytkentää. Sitä vastoin jakeluverkoissa käytetään pääsääntöisesti kahta tai useampaa jälleenkytkentää, koska toisen (tai kolmannen) yrityksen onnistumismahdollisuudet ovat vielä kohtalaisen hyvät. Eri yritysten onnistumistodennäköisyys riippuu monesta tekijästä, kuten

In document The Development of an automatic reclosing function for protection relays in distribution and transmission power networks (sivua 26-0)