Kuormitettavuuden raja-arvot

Tässä osassa tarkastellaan Helenissä siirtoverkon keskeisille komponenteille, kaapeleille ja muuntajille, asetettuja kuormitettavuuden raja-arvoja ja niiden määrittämisessä käy­

tettyä teoreettista taustaa.

Helenin sähkövalvomossa on käytössä siirtoverkon yhteyksien ja sähköasemien pää- muuntajien käyttöä varten kuormitusohjeet. Nämä kuormitusohjeet perustuvat suurim­

paan sallittavaan jatkuvaan kuormitusvirtaan. Siirtoverkon yhteyksille virtarajat ovat täysin kiinteät ja muuntajille sovelletaan kuukausittain ympäristön normaali lämpötilan mukaan vaihtuvaa virtarajaa.

2.2.1 Virta kuormitusasteen mittana

Sähköverkkoon liitetyssä laitteessa syntyy aina häviöitä. Häviöteho muuttuu lämmöksi.

Lämmöksi muuttuva teho on verrannollinen laitteen resistanssiin ja läpikulkevan virran neliöön. Lämpötilan nousu kasvattaa resistanssia, mutta muutoksen pienuuden vuoksi se jätetään yleensä huomiotta virtarajoja määrättäessä. Kun kuormitettavuutta lopulta rajoittaa juuri sähköeristysten lämmönkestävyys, voidaan virtamittauksella saada olen­

nainen tieto kuormitustilanteesta.

Sähköeristystä lämmittää sisältä pätötehohäviöt ja eristeen ulkopinnasta lämpöä alkaa siirtyä ulospäin, kun eristeen lämpötila kohoaa ympäristön lämpötilan yläpuolelle. Ym­

päristön lämmönsiirto-ominaisuudet voivat olla samalle verkon komponentille hyvinkin erilaisia eri aikoina. Kaapelin asennusympäristön lämmönsiirto-ominaisuudet vaihtele- vat saman komponentin eri kohtienkin välillä. Silloin virtatiedon perusteella tehty kuormitustilannearvio voi poiketa vallitsevasta lämpötilan määräämästä tilanteesta huomattavasti. Tähän ongelmaan pureudutaan yhä useammin mittaamalla lämpötilaa.

Virtatiedon etuna on se, että sen mittaus on tarkka ja sen toteuttamiseksi on olemassa vakiintunut käytäntö, sillä virtatietoa tarvitaan muuhunkin kuin kuormituksen seuran­

taan.

Esimerkiksi kaapelille yhdellä mittauksella saadaan virta-arvo koko pituudelle. Ongel­

mana on epähomogeeninen asennusympäristö, jonka vuoksi samansuuruinen virta aihe­

uttaa eriasteisen termisen kuormituksen kaapelin eri kohtiin.

2.2.2 110 kV:n kaapelit

Lämpötilan mittaus on kaapeleille erittäin ongelmallinen toteuttaa jälkikäteen. Kaikkein vaikeinta on termisesti pahimman paikan löytäminen, sillä asennusympäristön ominai­

suudet saattavat yhden kaapelin eri kohdissa vaihdella voimakkaasti. Lämpötilamittauk- sen ongelmallisuuden vuoksi kuormitettavuuden kriteerinä on edelleen kuormitusvirta.

[3] Kaapeleille on määritetty jatkuvan kuormitettavuuden virtarajat, joiden perusteella tarkastellaan kuormitusvirran suuruuden kriittisyyttä. Virtarajat perustuvat kaapelival- mistajan ilmoittamiin kuormitettavuuksiin. [4]

Asennusympäristöllä on olennainen vaikutus kaapelien kuormitettavuuteen. Helenissä kaapelia ympäröivän maan lämpötilan on ajateltu olevan enimmillään +15 °C. Maape­

rän lämpöresistiivisyydelle on käytetty arvoa 1 Km/W. Eri vaiheet on asennettu symmet­

risesti kolmioon ja kosketussuojapiiri on suljettu, mikä tarkoittaa, että kaapelin vaipat on maadoitettu molemmista päistään. PEX-eristeisen kaapelin suurimmaksi sallituksi johdinlämpötilaksi on määritelty 65 °C. Öljykaapeleiden kuormitettavuusrajaa määrättä­

essä suurimpana sallittuna johdinlämpötilana on käytetty 68 °C. [3]

Eristeenä silloitettu polyeteenimuovi eli PEX kestää jatkuvasti johtimen 90 °C lämpöti­

lan. Kaapelin korkea lämpötila kuivattaa ympäröivää maata ja siten kasvattaa maa- aineksen lämpöresistiivisyyttä. Kaapelin ympäristö voi silloin muuttua nopeasti hyvin

eristäväksi. Tällöin kaapelissa syntyvä lämpö jää edelleen lämmittämään kaapelia siir­

tymättä kauemmas ympäröivään maaperään. [5]

Edellä kuvattu ilmiö voi aiheuttaa nopean kaapelin lämpötilan nousun. Sitä kutsutaankin englanniksi kuvaavasti nimellä ‘lämpötilan ryntäys’. Kun kaapelin kuormituksesta tunnetaan vain virta, pitää kuormitusvirran olla varmuudella sellainen, ettei ajauduta tilanteeseen, jossa ylikuormittamisesta aiheutuisi kaapelin välitön vaurioituminen. Tä­

hän perustuu suurimmaksi sallituksi johdinlämpötilaksi määrätty 65 °C rajakin.

Kaapeliyhteyden kuormitettavuutta ei aina rajoita ensimmäisenä kaapelin terminen kuorman kesto. Helenin verkossa on paikkoja, joissa kuormitusta rajoittava komponentti on virtamuuntaja. [3]

2.2.3 Avojohdot

Valtaosa sähkönsiirtoverkosta on avojohtoa. Avojohtojen hyvän jäähtyvyyden vuoksi terminen kuormitettavuusraja ei ole niillä kriittinen. Useissa tapauksissa kuormitetta­

vuutta ovat rajoittaneet relesuojauksesta johtuvat syyt ennen tehonsiirtokyvyn ylitty­

mistä. Suojauksen asetusarvot on tarkistettu siten, että relesuojaus rajoittaa yhteyden käytettävyyttä korkeintaan ylikuormitustilanteessa. [3]

Jos rengasverkossa avojohdon rinnalla on maakaapelia, saattaa kaapeliyhteys herkästi pyrkiä ylikuormittumaan pienemmän impedanssinsa vuoksi. Avojohdon kuormitusrajan saavuttaminen on hyvin harvinaista.

2.2.4 Muuntajat

Muuntajien kuormitettavuuden määrittämistä on pohdittu alan kansainvälisessä standar- disointielimessäkin. Työn pohjalta on laadittu jo 1970-luvulla muuntajan lämpenemistä ja kuormitettavuutta käsittelevät IEC-standardit IEC 76-2 [6] ja

IEC 354 [7]. Standardeista on sittemmin toimitettu uudemmat versiot.

Helsingin Energiassa muuntajien kuormitusvirtarajat on määritetty muuntajien kuormi­

tusohjeessa [8]. Ohje pohjautuu vanhojen IEC-standardien nojalla Helenissä tehtyyn diplomityöhön ‘Sähköaseman muuntajakapasiteetin mitoittaminen’ [9].

Muuntajissa kriittisin jatkuvaa kuormitettavuutta rajoittava tekijä on käämityksen kuu- mimman pisteen lämpötila. Perinteisesti kuormitettavuusrajat on muuntajienkin osalta määritetty virtoina, vaikka huippuöljyn lämpötilaakin mitataan. Muuntajissa on myös käämin lämpötilan kuvaajat, jotka muodostavat analogisesti saman lämpötila-arvon, joka voidaan saada standardoidulla laskentatavalla [7] huippuöljyn lämpötilatiedosta ja käämin läpi kulkevan virran arvosta. Sekä öljyn että käämin lämpötilalle on asetettu hälytys- ja laukaisurajat. Tyypillinen hälytysraja on öljyn lämpötilalle 85 °C ja käämille 105 °C. Laukaisu tapahtuu 100 °C öljyn lämpötilasta tai vastaavasti 135 °C käämiläm- pötilasta. Asetusarvoissa on jonkin verran vaihtelua. Taulukossa 1 on esitetty asetusar- vojen vaihteluvälit.

Taulukko 1. Muuntajan lämpötilahälytys- ja -laukaisurajojen vaihteluvälit Pienin (°C) Suurin (°C)

Hälytys, öljy 70 90

Hälytys, käämi 90 120

Laukaisu, öljy 90 115

Laukaisu, käämi 105 140

Osa muuntajien lämpötilamittauksista on vain paikallisia, mutta osalta muuntajista lämpötila-arvot siirretään käytönvalvontajärjestelmään jatkuvatoimisesti. Vaikka ensi­

sijainen kuormitettavuusraja määritetään muuntajille edelleen virran perusteella, saa­

daan valvomoon tuoduista lämpötilatiedoista erinomaista lisäinformaatiota muuntajan kuormitustilanteesta. HelenVerkon tavoitteena on jatkossa tuoda kaikkien muuntajien lämpötilatiedot valvomoon jatkuvina mittausarvoina. Toteutuksen aikataulu on vielä avoinna.

Käytönvalvontajärjestelmässä on sulautettuna kuukauden normaalilämpötilojen mukaan automaattisesti vaihtuva kuusiportainen kuormitusvirtaraja, joka perustuu käytönsuun- nitteluryhmässä laadittuun muuntajien kuormitusohjeeseen. [8] Jokaisen päämuuntajan kuormitettavuus on laskettu ympäristön lämpötilan perusteella. Ympäristön lämpötilana pidetään pitkäaikaisista tilastoista määrättyä normaalilämpötilaa. Muuntajan asennus­

paikan vaikutus ympäristön lämpötilaan on huomioitu käyttämällä kuormitusvirtarajan laskennassa sisälle asennetuille muuntajille 10°C normaalilämpötilaa korkeampaa läm­

pötilaa. Käytetyssä menetelmässä tämä tarkoittaa vallitsevasta kuormitusasteesta riippu­

en sisällä oleville muuntajille 5% - 10% alempia kuormitettavuusarvoja kuin ulkotilassa oleville muuntajille. Vanhoissa muuntajissa, jotka on valmistettu ennen IEC-standardin [7] laatimista, voi käämikytkin rajoittaa kuormitettavuutta [9], mikä on otettu erikseen huomioon kuormitusohjeessa. [8]

Ylikuormitustilanteita varten kuormitusohje [8] sisältää erillisen osan, jossa on määrätty suurimmat sallitut korkeintaan kaksi tuntia kestävät ylikuormitusvirrat tilanteessa, jol­

loin edeltävä kuormitus on ollut korkeintaan 80 % nimellisestä.

Muuntajan jäähdytystavalla on vähäinen vaikutus kuormitettavuuteen. Korkeissa ympä­

ristön lämpötiloissa tehostetulla öljynkierrolla varustettuja muuntajia voidaan kuormit­

taa hieman enemmän. Matalissa lämpötiloissa tilanne on päinvastainen eli luonnollinen öljynkierto on silloin parempi. [9] Raja kulkee noin +20°C kohdalla. Jos muuntaja on suljetussa tilassa, sen jäähdytys tavaksi on Helenissä valittu OFAF, sillä muuntajaöljy jäähdytetään tällöin erillisessä tilassa ja välimatka muuntajan ja radiaattorin välillä on pitkä. Pumppujen avulla varmistetaan öljynkierto. Kuormitusohjeessa jäähdytystavan pientä vaikutusta kuormitettavuuteen ei ole huomioitu. [8]