Maasulkusuojaus

Keskijänniteverkon maasulkuvian indikointi perustuu nollasekvenssin suureiden mittaamiseen, mikä tehdään pääsääntöisesti sähköasemalla. Maasulku aikaansaa nollajännitteen nousun koko galvaanisesti kytketyn verkon alueella, mikä näkyy sähköaseman kiskon nollajännitemittauksessa ja kertoo vian olevan kiskoa syöttävän päämuuntajan alueella. Tarkempi selektiivisyys saavutetaan, kun nollajännitteen lisäksi mitataan sähköaseman johtolähtöjen nollavirrat, minkä perusteella tiedetään viallinen johtolähtö.

Maasulkusuojaus Carunan keskijänniteverkossa on pääosin toteutettu suunna-tuilla nollavirtasuojilla, missä viallinen johtolähtö havaitaan mitatun nollavirran ja nollajännitteen vaihekulman avulla. Mainittujen suureiden vaihekulma riippuu vah-vasti verkon maadoitustavasta, joten releille asetellaan parametrit maasta erotettua -ja sammutettua verkkoa varten. Maasulkusuojaus voitaisiin tietyissä tapauksissa toteuttaa myös pelkällä nollavirta-asettelulla, mutta tähän perustuva suojaus riippuu vahvasti aseman johtojen pituuksista eikä sen selektiivisyyttä voitaisi välttämättä säilyttää verkon topologian muuttuessa [20, s. 328-330].

Suunnatun maasulkusuojauksen selektiivisyysperiaate on esitetty kuvassa 11, jossa on kuvattu maasta erotetun ja sammutetun verkon suunnatun maasulkusuo-jauksen toiminta. Maasta erotetussa verkossa asemalta mitattu viallisen johdon summavirta^∑︁I₁ on lähes täysin kapasitiivinen ja kuvan 5nollajännitettä lähes 90°

edellä. Sammutetun verkon tapauksessa viallisen johtolähdön sähköasemalta mitat-tu summavirtaosoitin näyttäytyy kuitenkin osittain induktiivisena, vaikka verkko olisikin täysin kompensoitu vikapaikassa.

Viallisen johtolähdön summavirrassa^∑︁I₁ ei näy kuvissa 5ja8esitetyissä tapauk-sissa johdon itse syöttämää maasulkuvirtaa, koska viallisen johtolähdön syöttämä virta sulkeutuu verkon tähtipisteessä. Täten sama virta kulkee summavirtamittauk-sen läpi kahteen suuntaan ja viallisummavirtamittauk-sen johtolähdön maasulkurele näkee taustaverkon ja mahdollisen kompensointikelan syöttämät virrat. Terveeltä johtolähdöltä mitattu summavirran reaktiivinen komponentti vastaa suuruudeltaan johdon kapasitiivista maasulkuvirtaa esitettyjen kuvien tapauksessa, koska se kulkee summavirtamit-tauksen läpi vialliselle johtolähdölle. Terveeltä johtolähdöltä mitattu summavirran reaktiivinen komponentti pienenee hajautetusti kompensoidun verkon tapauksessa, jolloin se näyttäytyy kompensointiasemien tuottaman induktiivisen maasulkuvirran ja verkon tuottaman kapasitiivisen maasulkuvirran vektorisummana.

Laukaisu Laukaisu

Kuva 11: Suunnatun maasulkusuojauksen karakteristiikka a) maasta erotetussa verkossa ja b) sammutetussa verkossa.

Kuvassa11 b) on esitetty viallisen johdon summavirta ^∑︁I₁, taustaverkon sum-mavirta ^∑︁I₂ sekä kompensoinnin aikaansaama komponentti I_L+I_R sammutetun

verkon tapauksessa. Sammutetun verkon maasulku havaitaan kuvan karakteristii-kan mukaisesti mitatun summavirran resistiivisen komponentin perusteella, joten releen laukaisualue on kääntynyt 90 astetta. Taustaverkon summavirtaosoitin säilyy muuttumattomana, kun nollajännite ja näin myös vikavastus ovat samansuurui-sia molemmissa tapauksissa. Vikapaikassa mitatussa vikavirtaosoittimessa näkyy aseman mittauksesta poiketen myös viallisen johtolähdön tuottama maasulkuvirta, jolloin mitattu virta pienenee asetetun kompensointiasteen mukaiseksi.

Suunnatun maasulkusuojauksen karakteristiikka muuttuu Carunan verkossa au-tomaattisesti sähköaseman Petersenin kelan kytkentätilan mukaan. Kun keskitet-ty kela irtoaa verkosta, kelan piirissä olevien lähtöjen releiden asettelut vaihtuvat kapasitiiviselle alueelle kuvan 11 a) karakteristiikkaa vastaavaksi. Koska verkon hajautettu kompensointi mitoitetaan alikompensoimaan osa johtolähtöjen kapasitii-visesta maasulkuvirrasta, viallisen lähdön summavirtaosoitin pysyy −U₀ osoittimen kapasitiivisella puolella ja suojauksen selektiivinen toiminta säilyy.

Maasulkusuojauksen toiminta-ajan asettelun rajoittavat tekijät ovat SFS 6001 -standardissa esitetyt kosketusjännitevaatimukset, ohimenevien vikojen vaikutusaika sekä vian jälkeinen oskillointi sammutetussa verkossa. Kuten luvun alussa todet-tiin, maasulkusuojauksen toiminta-ajan pienentäminen on tehokas ja nopea keino parantaa sähköverkon turvallisuutta, mutta toiminta-ajan pienentäminen kasvat-taa aina suojauksen virheellisen toiminnan riskiä. Sähköverkon maadoitusten ja maasulkuvirran kompensoinnin tulisi siis lähtökohtaisesti olla riittävällä tasolla, jol-loin kosketusjännitevaatimusten täyttyminen ei johda liialliseen maasulkureleiden toiminta-aikojen pienentämiseen eri keskijänniteverkon kytkentätilanteissa.

Suurin osa sammutetun keskijänniteverkon ohimenevistä vioista poistuu 200 mil-lisekunnin kuluessa, jos sammutuskuristin on säätynyt lähelle resonanssipistettä [20, s. 336-337]. Vian jälkeisen oskilloinnin on kuitenkin havaittu jatkuvan sammute-tussa kaapeliverkossa yli puolen sekunnin ajan, mikä on johtanut epäselektiiviseen suojalaitteiden toimintaan, jossa sähköverkon suojalaite kytkee terveen verkon osan jännitteettömäksi [26]. Verkon palautuessa terveeseen tilaan, voi oskilloinnin aikana mitattu käyttötaajuinen nollavirta näkyä alikompensoidussa verkossa induktiivisena, mikä johtaa virheelliseen vian suunnan indikointiin kuvan11 a) maasulkusuojauksen karakteristiikan tapauksessa [26]. Lisäksi viallisen johtolähdön on havaittu tuottavan enemmän pätötehoa, kuin se kuluttaa vian jälkeisen oskilloinnin aikana [27]. Näin ollen sammutetun verkon käyttötaajuista resistiivistä nollavirtaa mittaavat suoja-laitteet näkevät vian terveen verkon osuudella, koska viallinen johtolähtö syöttää resistiivistä nollavirtaa kohti sähköaseman kiskoa [27].

Vian jälkeisestä oskilloinnista johtuvien epäselektiivisten laukaisujen riskiä voi-daan pienentää pitämällä kuvassa 11esitetyn suunnatun maasulkusuojan asetteluilla riittävät turvamarginaalit [27]. Virheellisen toiminnan riski pienentyy muun muassa, kun maasulkusuojauksen toiminta-aika pidetään riittävän suurena. Tällöin verkon aikavakiollaτ vaimeneva vian jälkeinen oskillointi ehtii todennäköisemmin poistua maasulkusuojan laukaisualueelta ennen, kuin virheellinen laukaisu tapahtuu.

4 Maapotentiaalin nousu ja vaarajännitteet maa-sulussa

Tässä luvussa käsitellään vikavirran aiheuttamaa maapotentiaalin nousua ja siitä seuraavia vaarajännitteitä. Luvussa esitetään yleisimmät verkossa esiintyvät vaara-jännitteet sekä niitä koskevat turvallisuusvaatimukset. Riittävän tehokas maadoitus-järjestelmä rajoittaa maapotentiaalin nousua maasulun aikana, jolloin tässä luvussa käsiteltävät vaarajännitteet pysyvät turvallisella tasolla.

4.1 Maapotentiaalin nousu

Maasulun aikainen vikavirta kulkeutuu kokonaan tai osittain maahan vikapaikan maadoituselektrodin kautta. Maadoitusjärjestelmään kulkeutuva virta aikaansaa jännitehäviön, minkä myötä maadoitusjärjestelmän ja kaukaisen referenssimaan välille muodostuu jännite-ero. Tätä jännite-eroa kutsutaan maadoitusjännitteeksi, joka määritellään yhtälön (11) mukaisesti:

U_E =Z_E ·I_E, (9)

jossa I_E on maavirta ja Z_E on vikapaikasta nähty maadoitusjärjestelmän maadoi-tusimpedanssi [7, s. 129].

Maadoitusjärjestelmän yksittäisiin maadoituselektrodeihin kulkeva virta muodos-taa lokaalin potentiaalijakauman elektrodin ympäristöön, mikä pienenee kääntäen verrannollisesti elektrodista mitattuun etäisyyteen nähden. Suurimmat potentiaalie-rot homogeenisessa maaperässä esiintyvät aina maadoitetun kohteen läheisyydessä, koska kohteeseen menevän virran muodostama potentiaalisuppilo muuttuu jyrkimmin maadoitetun kohteen läheisyydessä [8, s. 429]. Maahan muodostunutta potentiaalija-kaumaa kutsutaan yleisesti potentiaalisuppiloksi jakauman muodon perusteella.

Potentiaalisuppilon suuruuteen ja jyrkkyyteen vaikuttavat elektrodin kautta maahan kulkeutuva maavirta ja maaperän resistiivisyys elektrodin lähistöllä. Hyvin johtavassa maaperässä potentiaalijakauman vaikutus rajoittuu pienelle alueelle, minkä myötä riittävän kaukainen referenssimaa saavutetaan huomattavasti pienemmillä etäisyyksillä, kuin esimerkiksi suuriresistiivisessä soramaassa. Kuvassa 14 esitetty palloelektrodin potentiaalijakauma maan pinnassa leviää ympäristöön seuraavasti:

V_s = ρI

2πs, (10)

jossa ρ on homogeenisen maaperän resistiivisyys, I elektrodin virta, r elektrodin säde ja s etäisyys elektrodin keskipisteestä.

Yhteen liitetyssä maadoitusjärjestelmässä vikavirta jakautuu kaikkien maadoi-tusjärjestelmän elektrodien välille aiheuttaen maapotentiaalin nousun. Näin ollen maasulun aikainen maadoitusjännite havaitaan maakaapeliverkossa myös muiden muuntopiirien alueilla, mutta pienentynyt virta ei aiheuta yhtä suuria maapotentiaa-lin nousuja. Todellisuudessa keskijännitekaapemaapotentiaa-lin kosketussuojien sarjaimpedanssi

I_E

Kuva 12: Maapotentiaalin jakautuminen.

rajoittaa vikavirran kulkua maadoitusjärjestelmässä, mikä rajoittaa maapotentiaalin nousua siirryttäessä kauemmas vikapaikasta. Vikavirran jakautumista maadoitus-järjestelmässä kuvataan reduktiokertoimellar, joka on maavirran suhde vikapaikan kokonaismaasulkuvirtaan:

r= I_E

3I₀ = 3I₀−I_EW

3I₀ , (11)

jossa 3I₀ on maasulkuvirta,I_E on maavirta ja I_EW on reduktiojohtimien virta [7, s.

119].

Tässä työssä esitetyissä tuloksissa reduktiojohtimien virralla tarkoitetaan keskijänni-tekaapelin kosketussuojan virtaa. Vastaavasti maavirralla tarkoitetaan muuntamon päämaadoituskiskolle menevää virtaa.