2.3 Maaperän resistiivisyys
2.3.1 Maaperän kerrostuneisuus
Epähomogeenisen maan resistiivisyyden tarkemmassa mallintamisessa tulee huomioi-da maan kerrostuneisuus, koska maan epähomogeenisuus vaikuttaa virrantiheyden jakautuminen ja siten myös maanpinnan potentiaalin nousuun. Yleisesti käytetty tarkastelutapa on kuvata maaperä kaksikerrosmaana, jossa pintamaankerros sijait-see äärettömän syvälle ulottuvan toisen kerroksen päällä. Suomen olosuhteissa on tyypillisesti oletettu äärettömän syvän kerroksen vastaavan peruskalliota. [6, s. 5 III]
Maanpinta
Kuva 4: Vaakaelektrodi homogeenisessa -ja kaksikerrosmaaperässä.
Kuvassa 4 on esitetty vaakaelektrodi homogeenisessa- ja kaksikerrosmaaperäs-sä. Alemman maakerroksen resistiivisyyden ollessa suurempi, keskittyy virrantiheys ylemmän maakerroksen alueelle. Tällöin elektrodiin kulkeva virta nostaa maanpinnan potentiaalia voimakkaammin, kuin ylemmän maakerroksen resistiivisyyden omaavas-sa homogeenisesomaavas-sa maaperässä. Vastaavasti maanpinnan routaantuminen muodostaa huonosti johtavan kerroksen maadoituselektrodin ja maanpinnan välille, kun maadoi-tuselektrodi on asennettu routarajan alapuolelle. Tässä tapauksessa virrantiheyden voidaan ajatella keskittyvän routarajan alapuolelle, jolloin maanpinnan potentiaali ei nouse yhtä voimakkaasti, kuin homogeenisen maaperämallin tapauksessa. Kaksi-kerrosmaan vaikutuksia maanpinnan potentiaalijakaumaan on käsitelty tarkemmin julkaisussa [14].
Maaperän kerrostuneisuuden vaikutus maadoitusresistanssiin voidaan huomioida kaksikerrosmaan mallilla yhtälön (4) mukaisesti. Kuvassa 4esitetyt kaksikerrosmaan parametritρ1, κjah1 voidaan laskea Wennerin neljän piikin menetelmällä mitatusta näennäisestä resistiivisyydestä ρa ja mittauspiikkien välisen etäisyyden a avulla.
Wennerin neljän piikin menetelmän periaate ja teoria esitetään tarkemmin luvussa5.
ρa=ρ1·
jossaρ1 on pintamaan resistiivisyys,
ρ2 on alemman maakerroksen resistiivisyys, h1 on ylemmän maakerroksen paksuus, κ= ρρ2−ρ1
2+ρ1 on heijastuskerroin ja
a on Wennerin menetelmän mittauspiikkien välinen etäisyys. [6, s. 7 III]
Kaksikerrosmaan parametrit voidaan määrittää esitetystä yhtälöstä Wennerin menetelmän mittaustulosten perusteella usealla eri tavalla. Joissakin tapauksissa kak-sikerroksinen malli voidaan arvioida Wennerin menetelmän mittauskäyrän perusteella.
Muita menetelmiä parametrien määrittämiseen ovat muun muassa Sundesin graafi-nen menetelmä ja laskennalliset menetelmät. Laskennalliset menetelmät perustuvat mitatun näennäisen resistanssin virhefunktion minimoimiseen [15, s. 50-53].
3 Keskijänniteverkon maasulku
Maasulun aikaisiin jatkuvan tilan muutoksiin, kuten vikavirtaan, käyttötaajuisiin ylijännitteisiin ja nollajännitteeseen vaikuttaa olennaisesti verkon maadoitustapa.
Verkkoa voidaan käyttää maasta erotettuna, sammutettuna tai maadoitettuna, joissa kaikissa maasulku aiheuttaa erilaisen jatkuvan tilan muutoksen [16, s. 210]. Suo-men keskijänniteverkkoa on perinteisesti käytetty maasta erotettuna, mutta sähkö-markkinalain muutoksesta seuranneen kaapeloinnin myötä jakeluverkkoyhtiöissä on pääasiassa siirrytty sammutetun verkon käyttöön.
Tässä luvussa käsitellään keskijänniteverkon maasulkua, joten maasulkuilmiöiden tarkastelu on rajattu maasta erotetun -ja sammutetun verkon tapauksiin. Luvun lopussa käsitellään lyhyesti maasulkusuojausta, koska sillä rajoitetaan maasulun ai-kaisen vikavirran ja vaarajännitteiden vaikutusaikaa. Vikavirran kestoa rajoittamalla voidaan parantaa sähköturvallisuutta, koska sillä pienennetään ihmisen kehon läpi kulkevan virran kestoa maasulun aikaisessa vaaratilanteessa [17]. On kuitenkin tärke-ää ymmärttärke-ää, että maasulkusuojauksen toiminta-aikojen pienentäminen kasvattaa riskiä suojalaitteiden virheelliseen toimintaan.
3.1 Maasulku maasta erotetussa verkossa
Maasta erotetulla verkolla tarkoitetaan verkkoa, jonka kaikki tähtipisteet ovat maasta eristettyjä [18, s. 84]. Maasta erotetun verkon maasulussa virran paluupiiri muodostuu terveiden vaiheiden maakapasitansseista, minkä seurauksena vikavirrat ovat lähes täysin kapasitiivisia ja poikittaisia oikosulkuvirtoja pienenempiä. Tämän seurauksena maasta erotetun verkon maasulkusuojaus vaatii oman suojaustoiminnon eikä sitä voida toteuttaa perinteisillä ylivirtareleillä.
Suomen maaperän huonojen maadoitusolosuhteiden vuoksi keskijänniteverkon tähtipistettä ei maadoiteta siitä seuraavien suurten maasulkuvirtojen vuoksi. Suuret maasulkuvirrat helpottavat vikojen indikointia, mutta ne myös kasvattavat vian aikaisia vaarajännitteitä. Vian aikaisten vaarajännitteiden pienentäminen turval-liselle tasolle vaatisi erittäin tehokkaiden maadoitusten rakentamista, mikä ei ole Suomen maadoitusolosuhteiden vuoksi käytännöllistä toteuttaa. Maasulun aikaisia vaarajännitteitä käsitellään tarkemmin luvussa 4.
Maasta erotetun verkon maasulkutilanne on esitetty kuvassa 5. Kuvan ylemmällä johtolähdöllä on kuvattu koko galvaanisesti kytketyn taustaverkon vaikutusta, mikä koostuu pääasiassa päämuuntajan syöttämien terveiden johtolähtöjen maakapasitans-seistaCe. Vikavirta sulkeutuu päämuuntajan tähtipisteessä ja on kelluvan tähtipisteen vuoksi lähes täysin kapasitiivista, kuten aiemmin todettiin. Todellisuudessa vika-virralla on myös vikavastuksettomassa maasulussa resistiivinen komponentti, jonka synnyttää maakapasitanssien ja vikapaikan väliset vaihejohtimien sarjaresistanssit.
Kuvan 5 oletus merkitsemättömästä vaihejohtimien sarjaimpedanssista pätee etenkin ilmajohtoverkossa ja taajama-alueiden maakaapeliverkoissa, joissa johtoläh-töjen pituudet ovat lyhyitä. Ilmajohtoverkoissa vikavirrat ovat verrattain pieniä, kun taas taajaman maakaapeliverkoissa etäisyydet vikapaikan ja syöttävän verkon maa-kapasitanssien välillä ovat lyhyitä. Näissä tapauksissa johtimilla ei tapahdu
merkit-R
Kuva 5: Maasta erotetun verkon maasulku.
tävää jännitehäviötä. Sarjaimpedanssissa tapahtuva jännitehäviö muuttuu kuitenkin merkitykselliseksi, kun tarkastellaan haja-asutusalueiden maakaapeliverkkoa, missä maasulkuilmiön tarkempi mallintaminen vaatisi sarjaimpedanssien huomioimisen.
[19, s. 46-52]
Maasulku aikaansaa epäsymmetrian vaihejännitteisiin, jolloin verkon nollapisteen ja maan välille muodostuu potentiaaliero. Nollapisteen ja maan välistä potentiaalieroa kutsutaan nollajännitteeksi U0, jonka suuruus riippuu vikavastuksesta Rf. Maasta erotetun verkon maasulku aiheuttaa aina vähintään yhden vaiheen ja maan välisen jännitteen nousun, kun taas pääjännitteet pysyvät samansuuruisina [20, s. 298].
T
Kuva 6: a) Maasta erotetun verkon jänniteosoittimet suorassa maasulussa (Rf = 0) ja b) jänniteosoittimet vikavastuksellisessa maasulussa (Rf >0).
Jatkuvan tilan jännitteiden osoitindiagrammit on esitetty kuvassa 6. Vikavas-tuksen ollessa nolla puhutaan suorasta maasulusta, jossa viallisen vaiheen jännite
romahtaa ja terveiden vaiheiden jännitteet nousevat pääjännitteiden suuruisiksi. Vi-kavastuksellisen maasulun tapauksessa verkon nollapiste siirtyy kuvan6b) mukaisesti puoliympyrän kehälle, jonka halkaisija on viallisen vaiheen vaihejännitteen suuruinen.
Suurin teoreettinen maasulun aikainen jännite on noin 1,05 kertaa pääjännitettä suurempi, mikä esiintyy vikaresistanssin ollessa noin 37 % maakapasitanssien muo-dostamasta reaktanssista. [8, s. 15][20, s. 300-303] Maasulun aikaiset käyttötaajuiset ylijännitteet aiheuttavat suuren rasitteen sähköverkon laitteiden eristeille, joiden pet-täminen on yleisin syy kaksoismaasulun syntymiseen [20, s. 306]. Kaksoismaasulun käsittely on rajattu tästä työstä pois, koska maadoitusjärjestelmän impedanssi mää-ritetään yksivaiheisen maasulun perusteella tarkasteltaessa maadoitusjännitteeseen ja kosketusjännitteisiin liittyviä SFS 6001 -standardin vaatimuksia [7, s. 90].
Maasta erotetun verkon vikavirta IF on ollut hyvin pieni perinteisissä ilmalinja-verkoissa, joiden vaiheiden kapasitiivista kytkeytymistä maapotentiaaliin rajoittaa tyypillisesti noin kymmenen metriä ilmaa. Maakaapeloinnin myötä keskijännitever-kon maakapasitanssi Ce on kasvanut merkittävästi, minkä myötä myös vikavirrat ja maadoitusjärjestelmän vaatimukset ovat kasvaneet. Kuvan 5 maasta erotetun verkon maasulkutilanne voidaan esittää kuvan 7ekvivalenttipiirinä, mistä saadaan määritettyä yhtälöt vikavirralle IF ja nollajännitteelle U0.
U0
Rf F
N UR
IF
3Ce = 3(Ce1+Ce2)
Kuva 7: Maasta erotetun verkon ekvivalenttipiiri.
Maasta erotetun verkon vikavirta ja nollajännite saadaan alla olevista yhtälöistä (5) ja (6). Yhtälöistä nähdään nollajännitteen olevan vaihejännitteen suuruinen
jäy-kässä maasulussa, kuten kuvassa6esitettiin. Vastaavasti jäykän maasulun vikavirran määrää pelkästään verkon maakapasitanssi.
IF = j3ωCe 1 +j3ωCeRf
UR (5)
U0 = −1
1 +j3ωCeRfUR, (6)
joissaCe on yhden vaiheen maakapasitanssi, ω = 2πf on verkon kulmataajuus, Rf
on vikavastus jaUR=US on verkon terveen tilan vaihejännite. [21, s. 58]
Keskijänniteverkon maasulkutilanne muuttuu olennaisesti, kun maakaapeloidun verkon kapasitiivista virtaa kompensoidaan. Seuraavassa alaluvussa käsitellään sam-mutetun verkon maasulkuilmiötä ja esitetään vastaavat maasulkutilannetta kuvaavat yhtälöt, osoitindiagrammi ja kuvat.