4 Muuntajan kuormitettavuus
4.2 Lämpeneminen
4.2.2 OFAF
Jos j äähdytysrad iaattor i sijaitsee eri tilassa kuin muuntaja, varmistetaan öljyn kierto pumpuin. Tällaisessa OFAF-muuntajassa radiaattorin jäähdytys toteutetaan aivan vas
taavasti kuin ONAF-muuntajassa. Ulkoilmaa puhalletaan radiaattorilevyjen lävitse niiden jäähdyttämiseksi. Öljyn lämpenemisen aikavakio on huomattavan lyhyt, noin kaksi tuntia.
4.3 Lämpötilan vaikutus vanhenemiseen [21, 22]
Muuntajan eristeen termisen vanhenemisen ja sen nopeuden määrää käämin kuumim- man pisteen lämpötila. Muuntajan ylikuormittaminen nopeuttaa sen vanhenemista.
Suurten kuormitusvirtojen aiheuttamat korkeat lämpötilat lyhentävät muuntajan elin
ikää. Lyhyellä tähtäimellä ylikuormituksesta voi seurata muuntajan välitön vaurio.
Kohonnut käämin lämpötila nopeuttaa muuntajan paperieristeen vanhenemista. Eriste- paperin polymeeriketjut katkeilevat ja polymeroitumisaste pienenee veden, hapen ja lämmön vaikutuksesta. Suljetussa öljytilassa veden ja hapen määrä on pieni ja siten vaikutus vanhenemiseen on vähäinen. Siksi muuntajan vanhenemislaskuissa huomioi
daan ainoastaan lämpötilan vaikutus.
Vaurio voi syntyä nopeasti käämin kuumimman pisteen lämpötilan noustessa yli 140 °C. Paperieristyksessä alkaa tällöin syntyä kaasukuplia, jotka heikentävät eristysra
kenteen jännitelujuutta. Suurelle jänniterasitukselle alttiissa paikoissa voi syntyä läpi
lyöntejä, joiden vaikutuksesta muuntaja menettää toimintakykynsä. Korkeassa
lämpötilassa öljyn laajeneminen kasvattaa painetta ja voi aiheuttaa öljyvuotoja läpivien- tieristimiin.
Muuntajaöljyn leimahduspiste on 140 °C tuntumassa. Sitä suuremmat lämpötilat voivat pahimmassa tapauksessa johtaa muuntajapaloon. Heikentyneessä eristysrakenteessa läpilyönnit aiheuttavat kipinöintiä, joka sytyttää kuuman muuntajaöljyn, mikäli happea on tarjolla riittävästi.
4.4 Lämpötilarajat
Muuntajan käytölle on tarpeen asettaa lämpötilarajat aivan kuten edellä tehtiin kaape
leille. Määrätään käämin kuumimmalle pisteelle hälytysraja ja ehdoton raja, jota ei tulisi koskaan ylittää.
Muuntaja vanhenee normaalinopeudella, kun sen käämin kuumimman pisteen lämpötila on 98 °C. Tätä lämpimämpänä muuntajan vanhenemisnopeus kaksinkertaistuu 6 °C välein. Hälytys muuntajan ylikuormittumisesta olisi hyvä toteuttaa siten, ettei hälytystä anneta turhan herkästi, mutta muuntaja ei saisi päästä vanhenemaan normaalia nope
ammin huomaamatta. Muuntajan käämi lämpenee hyvin harvoin edes lähelle 98 °C, joten hälytys voidaan antaa jo tämän lämpötilan ylittyessä. Tällöin hälytys tulee riittävän aikaisessa vaiheessa ja käyttöhenkilökunnalle jää aikaa reagoida kuormitustilanteessa, joka pidempään jatkuessaan voisi johtaa muuntajan nopeaan vaurioitumiseen.
Ääritilanteessa voidaan joutua kuormittamaan muuntajaa rajustikin. Tällaisessa hätäti
lanteessakaan ei voida sallia muuntajan käämin kuumimman pisteen lämpötilaksi enempää kuin 140 °C. Hätäkuormitustilanteessakin kuormitusvirran tulisi olla pienempi kuin puolitoistakertainen nimellisvirta.
5 Kaapelin toimintalämpotilan määrittäminen
Tämän työn yhteydessä asennettiin kaapelin kuormitettavuuden seuraamiseksi erääseen Helenin 110 kV suurjännitekaapeliin lämpötilamittaus useaan eri kohtaan. Saadun kaapelin pintalämpötilatiedon ja jo ennestään seuratun virtatiedon perusteella voidaan laskea kaapelin johtimen ja sitä ympäröivän eristeen lämpötila. Kun tunnetaan kaapelin suurin sallittu käyttölämpötila ja voidaan laskea kyseisen hetken toimintalämpötila, voidaan kuormitettavuuden määrittämisessä hyödyntää lämpötilatietoja.
Kehitettyä menetelmää on tulevaisuudessa tarkoitus hyödyntää Helsingin Energian suurjännitekaapeleiden kuormitettavuuden seurannassa laajemmin, mikäli saatujen tulosten myötä se vaikuttaa järkevältä.
Kaapelin toimintalämpötilan eli kuumimman pisteen lämpötilan määrittämiseksi tarvi
taan sekä mittaus että laskenta. Mitattu pintalämpötilatieto tuodaan kaukokäyttöjärjes- telmään, jossa lämpötilatiedon ja virtatiedon perusteella voidaan suorittaa reaaliaikaista laskentaa kaapelin johtimen lämpötilan määrittämiseksi.
5.1 Mittaus
Kaapelireitille sijoitettiin useita lämpötilamittauspisteitä teoreettisen tarkastelun perus
teella mahdollisiksi ongelmakohdiksi havaittuihin paikkoihin. Tunneli havaittiin ennak- kotarkastelujen perusteella termisesti erittäin hyväksi paikaksi kaapelille, mutta osa mittauksista sijoitettiin sinne asian varmistamiseksi ja lisätiedon saamiseksi.
5.1.1 Mittauspisteet
Kuvassa 5 on esitetty tutkitun kaapelin profiili korkeuksina meren pinnasta. Kaapelin varrelle sijoitettiin yhteensä viisi mittauspistettä. Mitattavat kohdat haluttiin valita siten, että kaikkein kuumimmat kohdat löydettäisiin. Mittaukset sijoitettiin kaapelin molempi
en pääteasemien luona läpivienteihin ja kaapelin kulkeman reitin varrelle erilaisiin olosuhteisiin.
Ermen mittausanturien asettelua suoritettiin ennakkotarkastelu kuumimmiksi oletetta
vista paikoista. Kaapelireitin varrella suoritettiin mittauksia ja asennusolosuhteita si
muloitiin CymCAP -tietokoneohjelmalla [22].
Läpivientien mittaukset sijaitsivat kuvassa näkyvissä pisteissä 2 ja 20. Toinen mittauk
sista oli betonilattian läpiviennissä ja toinen mittaus sijoitettiin uretaanieristeiseen läpi
vientiin aseman ulkopuolelle nousukuiluun.
Maa-asennuksessa mitattiin kolmea pistettä. Yksi oli varsinainen suora maa-asennus kuvan 5 pisteen 4 läheisyydessä. Ennakkosimuloinnin perusteella tämä mittauspiste oli lämpenemisen kannalta kaikkein kriittisin. Kaksi muuta mittauspistettä oli tunnelissa.
Mittauspisteen 16 ajateltiin voivan olla kriittinen mikäli tunnelin maaperä kuivuu voi
makkaasti vuodenaikojen mukana vaihtuvien olosuhteiden myötä. Pisteen 19 lämpöti- lamittaus oli kohdassa, jossa kaapeli kulki kaukolämpöjärjestelmän menovesiputken alla. Menovesi voi kovien pakkasten aikaan olla n. 120°C lämmintä. Vaikka putket on eristetty, nousee väistämättä kaukolämpöputken pintalämpötilakin.
Mittauspisteiden kriittisyyttä arvioitaessa kaukolämpöverkon menovesi oli n. 70°C lämpöistä. Putken pintalämpötila oli tällöin 40°C hieman alle +20°C ympäristön läm
pötilassa.
Kuva 5. Tutkitun kaapelireitin profiili.
5.1.2 Mittalaitteet
Anturi
Lämpötilamittaukset toteutettiin PtlOO-antureilla. Lämpötilasensorin resistanssin suu
ruuden perusteella voidaan päätellä mittauspisteessä kaapelin pinnalla vallitseva lämpö
tila.
Muunnin
Lämpötilasensorin liitäntä muuntimeen toteutettiin kolmella johtimella johtimien resis
tanssin kompensoimiseksi. Sensorilta saatu resistanssiako muunnettiin milliampeeri- viestiksi kuvassa 6 esitetyllä muuntimella. Kaukokäyttöjärjestelmään mittaukset tuotiin 0-5 mA analogisina virtaviesteinä. Mittausalueeksi valittiin 0-100 °C.
1 Universal sup. only Supply (-f) & P
24 230VAC &
24.250VDC
0...20
Comp. + I ß I 0.5
! Out mADC
0% 100%
Kuva 6. Lämpötila-anturin resistanssin milliampeeriviestiksi muuttamiseen käytetty muunnin.
5.2 Laskenta
Kaapelin pinnan lämpötilan ja johtimessa kulkevan virran perusteella voidaan määrittää lämpötila kaapelin johtimen läheisyydessä, mikäli kaapelin sisäiset lämmönsiirty- misominaisuudet tunnetaan. Tällöin on kuitenkin tunnettava kaapelin rakenne. Hyvin olennainen kaapelin fysikaalisiin ominaisuuksiin pohjautuva tieto on lämpenemisen aikavakio. Aikavakio kertoo, missä ajassa tapahtuu 63 % askelmaisen kuormitusmuu
toksen aiheuttamasta lämpötilan kokonaismuutoksesta.
Laskenta toteutettiin ohjelmallisesti käytönvalvontajärjestelmässä. Laskennan kulun ymmärtämistä helpottaa, jos tarkastellaan ensin pinnan ja johtimen välisen lämpötila
eron määräytymistä jatkuvassa tilassa. Sen pohjalta muodostetaan yhtälö, jolla voidaan analysoida muutostila.
5.2.1 Jatkuva tila
Kaapelissa syntyvä häviöteho on likimäärin verrannollinen kaapelin kuormitusvirtaan.
Tarkan lämpötilaeron laskemiseksi tulee huomioida kaapelin johtimen resistanssin ja siten myös lämmöntuoton muuttuminen ympäristön lämpötilan mukaan. Resistanssin muutoksen huomiotta jättäminen ei aiheuttaisi suurtakaan virhettä, mutta mahdollisim
man hyvän lopputuloksen saamiseksi se on tässä otettu huomioon. Jatkuvan tilan läm- penemälle on AHXLMK800 kaapelin rakenteeseen ja häviöarvoihin perustuen johdettu yhtälö:
I¡ • (7,1 • 1Q-8 • Tsurf „ +1,894 • 10'5 )+ 0,0753
1-7,1-10“8 - il (5)
missä ATcsurf>0 on kaapelin pinnan ja johtimen välinen lämpötilaero jatkuvassa tilassa, Tsurf.o on kaapelin pintalämpötila mittaushetkellä ja Io on mittaushetken kuormitusvirta.
Yhtälön (5) johtaminen on esitetty liitteessä A.
5.2.2 Muutostila
Muutostilanteessa lämpötilaero kaapelin johtimen ja pinnan välillä ei ole asettunut jatkuvan tilan arvoonsa. Virran kasvaessa myös häviöteho kasvaa ja johdin alkaa läm
metä. Vähitellen lämpö siirtyy aikavakion määräämässä tahdissa kaapelin pintaan ja mitatuksi lämpötilaksi. Johtimen lämpötilaa määrättäessä pintalämpötilan perusteella tulee huomioida virran vaikutus ja kaapelin sisäinen aikavakio.
Muutostilan lämpötilaero ATcsurf_¡ lasketaan lisäämällä edellisen laskentakierroksen lämpötilaeroon ATcsurf,¡.i laskentakierrosten välisenä aikana tapahtunut muutos. Kier
rosten välillä tapahtunut muutos saadaan jatkuvan tilan (5) ja edellisen laskentakierrok
sen ATcsurf,i-i lämpötilaeron erotuksen perusteella. Siten lämpötilaerolle laskentakierroksella i pätee [23]:
( Il • (7,1 -10"8- Tsurf. + 1,894-10"5)+ 0,0753 1 - 7,1 ■ 10~8 • il
missä Tsurf_i on kaapelin pinnan lämpötila ja I on kuormitusvirta. Vakio т on kaapelin lämpenemisaikavakio ja At on laskentakierrosten välinen aika. Yhtälöllä saadaan tarkka tulos edellyttäen, että At « t.
Kun lämpötilaero laskentakierroksella i tunnetaan saadaan johtimen lämpötila Tc yhtä
löstä:
Tc,i — TsurfJ + ATcsurfj (7)
missä mitattuun pintalämpötilaan Ts lisätään yhtälöstä (6) saatu lämpötilaero ATCS.
5.2.3 Kaapelille ominaiset vakiot
Kaapelin johtimen lämpötilan laskenta kuormitusvirran ja kaapelin pintalämpötilan pohjalta edellyttää kaapelin sisäisen rakenteen tuntemista. Sisäinen rakenne määrää kuinka suuren lämpötilaeron kuormitusvirta aiheuttaa kaapelin pintalämpötilan ja johti
men lämpötilan välille.
Lämpenemisen aikavakio
Kaapelin lämpenemiselle tarvitaan ainoastaan kaapelin sisäinen aikavakio. Kaikki ul
koiset vaikutukset tulevat huomioonotetuksi pintalämpötilassa.
Aikavakio on kaapelityypille ominainen, mutta se on suhteellisen helppo määrittää yksijohdinkaapeleille. Tämän työn yhteydessä tutkitussa kaapeliyhteydessä kolme yksi- johdinkaapelia on asennettu siten, että poikkileikkaus on kolmionmuotoinen.
Tutkitun kaapelin tyyppi on AHXLMK800. Tämän kaapelityypin lämpöaikavakio on noin 40 minuuttia.
5.3 Menetelmän luotettavuus
Jotta voitaisiin varmistua, että toimimalla työssä esitetyllä tavalla saadaan kaapelin kuumimman paikan lämpötila määritettyä oikein ja luotettavasti on pyritty arvioimaan käytettyjen laitteiden ja laskentamenetelmän luotettavaa ja oikeaa käyttäytymistä.
5.3.1 Laitteet
Mittaustiedon keruussa hyödynnetään useita laitteita. Lähinnä mitattavaa kohdetta on Pt 1 OO-vastusanturit, joiden toiminta on todistetusti erittäin luotettavaa. Käytetyt R/I- muuntimetkin osoittautuivat puolen vuoden käyttöjakson aikana luotettavaksi eikä niissä esiintynyt yhtään toimintahäiriötä. Osa muuntimista altistui melko hankalille olosuhteille kosteassa tunnelissa. Muuntimilta mittaussignaalit tuotiin käytönvalvonta- järjestelmään.
Havaitut ongelmat
Työn aikana pahin ongelma mittauksessa syntyi maan alle kaivetun anturin tapauksessa.
Mitattuun lämpötilaan alkoi tulla häiriöitä joiden syy ei tahtonut selvitä. Häiriölähdettä haettiin useilla testeillä ja mittauksilla. Häiriölähteen etsinnässä harhaanjohtavinta oli häiriön säännöllisyys ja vakiomuotoisuus.
Kuvassa 7 on esitetty kuva häiriöiden muodosta ja tiheydestä eräässä vaiheessa. Alas
päin olevan pulssin aikana mittauspiiri on ollut irtikytkettynä häiriönselvitystyön vuoksi.
Häiriön pitkä kesto aiheutti erityistä hämmennystä ja ihmettelyä.
- 30
24/10/2001 1 25/10/2001 1
—WM'"fL"плш r—AJ* rwmr
02:00:00 02:00:00
Skaala Varjostus
Kynä Aseaa Kohteen nimi Arvo Yksikkö Ala Ylä Ala Ylä
: 1 VI 110 B07 Su2 kaap.lämpötila! 15 DEC(C) 10 30 10 30
: 2 VI 110 B07 Su2 kaap.lämpötilan 20 DEG(Q 10 30 10 30
: 3 Su 110 BIO VI2 I 98 A 0 500 0 500
Kuva 7. Vallilan sähköaseman ulkopuolelle asetetun kaapelin lämpötilamittauksen häiriöitä.
Häiriölähde selvisi lopulta parin viikon kuluttua sen ilmaantumisesta. Mittauspiiri oli mennyt poikki. Sen resistanssi oli kymmeniä kilo-ohmeja. Vika paikallistettiin maan alle kaivettuun osuuteen ja sen arveltiin olevan mittausanturin ja -johtimen liitoksessa.
Mittauskohta kaivettiin esiin uudelleen ja todettiin mittausjohtimen katkenneen betoni- laattojen sauman kohdalla, josta mittausjohtimet oli viety läpi. Laatta oli painunut vähi
tellen ja katkaissut johtimen.
5.3.2 Laskenta
Laskennassa ei käytön aikana syntynyt virheitä. Laskenta näyttää toimivan tarkoitetulla tavalla laskien minuutin välein otetulla virran näytearvolla sen hetkisen kaapelin johti
men lämpötilan kussakin pintalämpötilan mittauspisteessä.
Laskentayhtälön oikeellisuuden todentamiseksi ei voitu käyttää mittauksia vaan joudut
tiin tyytymään simulointiin. Käytetyn laskentatavan antamia kaapelin johdinlämpötilan arvoja verrattiin yleisesti käytetyn CymCAP -simulointiohjelman antamiin arvoihin.
Tulokset on esitetty kuvassa.
Tcymcap
Kuva 8. CymCAP -simulointiohjelman ja käytetyn laskentatavan antamien johdinlämpötilojen vertailu.
Kuvassa 8 esitetty lämpötilavertailu osoittaa selkeästi, että ollaan laskemassa oikeaa asiaa. Esimerkkikaapelin nimellisvirta on 650 ampeeria. Kuvasta voidaan nähdä, että suurilla virroilla työssä käytetty laskentamenetelmä antaa hieman korkeamman lämpö
tilan kuin simulointiohjelma. Jos siis virhe tapahtuu käytetyssä laskennassa, se on tur
valliseen suuntaan.
5.4 Lämpötilatiedon perusteella määrätty kuormitettavuus
Olennainen kysymys pahimman paikan määrittämisessä tälläkin menetelmällä on selvi
tettävä. Onko jokin mittauspisteistä ollut termisiltä ominaisuuksiltaan hankalimmassa paikassa? Jos voi olla termisesti pahempi paikka, joudutaan laskemalla saadun johdin- lämpötilan lisäksi käyttämään varmuusmarginaalia. Kuinka suuri käytettävän marginaa
lin on oltava, jotta voidaan riittävällä varmuudella sanoa, ettei kaapelissa ole kuumempaa kohtaa?
Edellä kuvatun ongelman ratkaisemiseksi ei ole yksiselitteistä ratkaisua. Kaapelin läm
pötilaa on työssä mitattu suhteellisen kattavasti viidessä erilaisessa asennusympäristös- sä. Tämän perusteella voidaan ajatella, ettei kaapelireitillä esiinny olosuhteita, jotka olisivat termisesti merkittävästi huonompia kuin mitatut paikat. Laskentamenetelmän aiheuttama virhe on aina alle 5 °C. Kaapelivalmistajan [5] suositteleman ylimmän käyttölämpötilan ja suurimman sallitun jatkuvan käyttölämpötilan arvoista on vähen
netty 5 °C ja käytetty sen jälkeen rajoja soveltaen.
Kuormitettavuutta määritettäessä on rajalämpötilana käytetty konservatiivista 60 °C, jotta kaikissa mahdollisissa ympäristön lämpötiloissa ja olosuhteissa oltaisiin turvallisen marginaalin päässä kaapelivaurion aiheuttavista lämpötiloista. Alhainen lämpötilaraja antaa aikaa tilanteen korjaamiseksi hallitulla tavalla. Suoritettujen mitta
usten perusteella voidaan olettaa, että jo tämänkin lämpötilan saavuttamiseen tarvitaan nykyistä virtarajaa korkeampi virta. Toimenpiteisiin kaapelin kuormituksen laskemisek
si pitäisi ryhtyä välittömästi johdinlämpötilan saavutettua 85 °C rajan.
Kuormitettavuustiedon esittäminen valvomon näytöllä
Tehdyn taustatyön saattaminen hyödyksi ja uuden käytännön käyttöönotto vaatii oman panostuksensa. Jos uusien kuormitettavuusarvojen soveltaminen onnistuu tehdä helpok
si, niiden käyttö tukee valvomohenkilökunnan työskentelyä antamalla lisäinformaatiota kaapelin todellisesta kuormitustilanteesta.
Laskennassa käytetyillä kaapelin pintalämpötilan mittaustiedolla ja virtatiedolla ei voida suorittaa mitään ennustavaa laskentaa. Lisäksi tarvittaisiin tieto myös ympäristön läm- pöresistiivisyydestä ja mutkikkaammat laskentayhtälöt. Käytettävillä lähtötiedoilla muuttuvan kuormituksen laskenta eteenpäin antaa kyllä kohtuullisella tarkkuudella kaapelin pinnan ja johtimen välisen lämpötilaeron. Kaapelin pintalämpötilana joudutaan kuitenkin käyttämään joko viimeksi mitattua arvoa tai jotain arviota tulevasta. Tämä aiheuttaisi suuria virheitä eikä laskenta olisi luotettava. Seuraavalla laskentakierroksella muuttuneet lähtöarvot vaikuttaisivat suuremman muutoksen kuormitettavuusennustee- seen kuin käyttäjä osaisi arvioida.
Mainituista syistä on käyttökelpoisinta tyytyä toteamaan vallitseva tilanne mahdolli
simman selkeällä tavalla. Esitystapa huolellisesti valitsemalla voidaan käyttäjälle tie
dottaa myös tarpeellisista toimenpiteistä.
Käyttäjälle voitaisiin esittää perinteisen virtatiedon rinnalla lämpötilaan liittyvä infor
maatio siten, että käyttäjä voi kaapelien lämpötilarajoituksia tarkemmin tuntematta tehdä oikeat johtopäätökset kuormitustilanteesta. Käyttökelpoiselta tuntuu lämpötilatie- don esittäminen havainnollisin värein. Se olisi vihreä, kunnes 60 °C raja ylittyisi. Tämän jälkeen lukema olisi keltaisena 85 °C asti, jolloin se muuttuisi punaiseksi.. Rinnalla
voitaisiin esittää kaapelireitillä vallitseva kuumin lämpötila prosentteina 60 °C:sta
Värien merkitykset voidaan päätellä liikennevaloanalogiasta. Vihreä väri ilmoittaisi, ettei toimenpiteisiin ole aihetta ja kuormitus on täysin normaalia. Keltainen väri indikoi
si jo suuresta kuormasta ja poikkeuksellisesta käyttötilanteesta ja kehottaisi käyttäjää miettimään toimintatapoja, mikäli lämpötila edelleen nousee. Punainen väri kehottaisi toimimaan välittömästi tilanteen palauttamiseksi hyväksyttäviin rajoihin. Kuvassa 9 on havainnollistettu, miltä tilanne voisi näyttää käytönvalvontajärjestelmän näytöllä. Pu
nainen nuoli kuvassa osoittaa lisättyyn kuormitusnäyttöön.
W VALLILA 110 kV
ПН HÁLVAPAUTUS Käyttopäiväki r ja
Kuva 9.
6 Muuntajan toimintalämpötilan määrittäminen
Muuntajan toimintalämpötilana halutaan tässä tarkastella koko muuntajan kuumimman pisteen lämpötilaa. Muuntajan sisäinen lämpötilajakauma on esitetty kuvassa 10, pysty
akselilla on etäisyys käämin alimmasta johdinkierroksesta ja vaaka-akselilla lämpenemä ympäristön lämpötilaan nähden. Korkein lämpötila muuntajassa esiintyy käämityksessä.
Käämin ja eristeen välisessä rajapinnassa esiintyy käytännössä yhtä suuri lämpötila.
Korkeat lämpötilat vaikuttavat vahingollisesti ensin eristeeseen. Johdinmateriaalissa tapahtuu vaurioita vasta hyvin korkeissa lämpötiloissa.
Hot-spot Top of winding
Average winding
Bottom oil Bottom of winding
Temperature rise
Kuva 10. Muuntajan sisäinen lämpötilajakauma.
Lämpötilan määritys tehtiin laskemalla IEC 354 standardin pohjalta kehitetyillä lasken
tayhtälöillä. Lähtöarvoina käytettiin mittaustietoa muuntajan huippuöljyn lämpötilasta ja kuormitusvirrasta.
6.1 Mittaus
Kuten luvussa yksi on todettu muuntajille lämpötilamittaukset on jo toteutettu. Kaikkia lämpötilamittauksia ei tosin tuoda kaukokäyttöjärjestelmään, mutta diplomityön osalta mittauspuoleen ei juuri tarvinnut puuttua.
Kaukokäyttöjärjestelmään tuotujen mittausten skaalausten oikeellisuutta tarkasteltiin vertailemalla paikallisten analogisten mittausten näyttämiä kaukokäyttöjärjestelmässä näkyviin mittaustuloksiin. Huippuöljyn lämpötilatiedon osalta näyttämät parin asteen tarkkuudella samat. Tarkasteluhetkellä kirjatut öljyn lämpötilat on esitetty taulukossa 2.
Lukematarkkuuksien puitteissa voidaan olettaa, että kaukokäyttöjärjestelmässä käytettä
vissä olevat mittaustiedot vastaavat hyvin todellista lämpötilaa.
Taulukko 2. Öljyn lämpötilamittauksen näyttämien vertailu
1. tarkistusluenta 2. tarkistusluenta Paikallinen
Myllypuro Ml 42 43 26 28
Myllypuro М2 43 42 32 29
Suurmetsä Ml 42 41 37 36
Suurmetsä М2 14 14 0 0
Viikinmäki М3 43 41 27 24
Pitäjänmäki Ml 28 30
Pitäjänmäki М2 23 23
6.2 Laskenta
Muuntajan kuumimman pisteen lämpötila voidaan laskea huippuöljyn lämpötilan ja muuntajan kuormitusvirran perusteella. Kun tunnetaan huippuöljyn lämpötila, laskenta yksinkertaistuu ulkoisten tekijöiden vaikutuksen arvioinnin osalta, sillä kuumin osa, käämi, on kokonaan öljyyn upotettuna.
Muuntajalaskennan havainnollistamiseksi tarkastellaan ensin lämpenemää jatkuvassa tilassa, minkä jälkeen esitetään muutostilan laskenta.
6.2.1 Jatkuva tila
Jatkuvan tilan lämpenemän arvoa käytetään apusuureena muutostilan lämpenemän laskennassa. Muuntajien kuormitettavuutta käsittelevän standardin IEC 354 mukaan jatkuvan tilan lämpenemä saadaan yhtälöstä:
ASgr=HgrK' (8) missä Hgr on lämpötilagradientti, K on suhteellinen kuormitusvirta I/IN ja у on käämi
tykselle käytettävä eksponentti.
6.2.2 Muutostila
Kehitetyssä laskentamallissa käämin lämpenemän laskenta koostuu kahdesta osasta.
Ensin lasketaan käämin lämpenemä huippuöljyyn nähden täysin ilman kanava] äähdy- tystä tarkasteluhetkellä. Tästä lämpenemän arvosta vähennetään samalla hetkellä öljy- kanavassa viilaavan öljyn vaikuttama jäähdytys. Käytetty malli on siten kahden aikavakion malli.
Kuumimman pisteen lämpötila Ths saadaan siis hetkellä i yhtälöstä:
Th.,i = T,OJ + A0,., - A0„, (9)
missä T,0 on mitattu huippuöljyn lämpötila. Käämin lämpenemä öljyyn nähden ja öljyn jäähdytys on laskettava jokaisella laskentakierroksella erikseen. Käämin lämpenemä
A0W ja öljyn jäähdytysvaikutus A0O saadaan yhtälöistä (10) ja (11) vastaavasti:
= Д0„.,_, + (Д0„, • К, - Л0„н )— (10)
Д0„, = A0„,_, + (Д©„, • К. - Д0„._, )I А/
Г. (11)
missä edellisellä laskentakierroksella laskettuihin arvoihin lisätään muutos, joka on tapahtunut laskentakierrosten välisenä aikana. Kw, Kq_ twja t0 ovat muuntajalle ominai
sia vakioita, joita käsitellään tarkemmin jäljempänä.
Yhtälöissä (10) ja (11) on laskentaa yksinkertaistettu aikavakioiden käsittelyn osalta.
Teoreettisesti tarkka ratkaisu saadaan käyttämällä lauseketta l-e'At/T. Nyt käytetty yksin
kertaistettu lauseke At/т aiheuttaa vain vähäisen virheen, kun laskenta-askel on riittävän lyhyt aikavakioihin verrattuna.
Laskentayhtälöt ovat iteratiivisia ja hyödyntävät edellisellä laskentakierroksella lasket
tuja arvoja. Siksi laskennan käynnistämiseksi tarvitaan alkuasetus. Sopiva alkuarvo saadaan jatkuvan tilan arvosta. Ensimmäisellä laskentakierroksella voidaan läm- penemälle ja jäähdytykselle käyttää arvoja:
A0W,_, =A0sr,-^ (12)
Л0о,ы = AØgr,/ • Ko (13)
6.2.3 Muuntajan lämpenemiseen liittyvät vakiot
Käämin kuumimman pisteen lämpötilan määrittäminen huippuöljyn lämpötilan ja muuntajan kuormitusvirran perusteella vaatii edelleen monia yksinkertaistuksia ja ole
tuksia. Nyt käytetyssä kahden aikavakion mallissa tarvitaan edellä esitetyissä yhtälöissä ilmenneet suureet. Laskennassa käytettyjen vakioiden arvot on osittain saatu voimassa
olevasta standardista [21]. Osa laskennan vakioista on erisuuruisia kuin nykyisessä standardissa tai niitä ei ole lainkaan määritelty. Niiltä osin on käytetty uuden standar
diehdotuksen esittämiä vakioiden arvoja. Laskennassa käytettyjen vakioiden arvot on esitetty taulukossa 3.
Taulukko 3. Käämin lämpötilan laskennan vakiot
ONAF OFAF
Lämpötilagradientti Hgr 26 22
Käämin eksponentti у 1,3 1,3
Vakio Kw 2,0 1,3
Vakio K« 1,0 0,3
Öljyn aikavakio x0 (min.) 75 90 Käämin aikavakio tw (min.) 14 7 Käämin lämpenemisen eksponentti
Käämin lämpenemisen eksponentti у on 1,6 nykyisessä standardissa, mutta laskennassa on käytetty uuden standardiehdotuksen mukaista arvoa 1,3. Käämin lämpenemisen eksponentti määrää käämin lämpenemisen riippuvuuden kuormitusvirrasta. Arvolla yksi riippuvuus olisi lineaarinen. Ykköstä suurempi arvo tarkoittaa, että virran kasvaessa käämin lämpeneminen nopeutuu.
Vakiot Kwja K„
Vakiokertoimilla Kw ja Ko määrätään muuntajan kriittisyys kanavaöljyn liikkeen suh
teen. Jotta jatkuvan tilan arvot sopisivat yhteen standardin [21] määrittämien läm- penemien kanssa, on oltava Kw - Ko = 1. Suurilla vakion Kw arvoilla käämin lämpenemä öljyyn nähden saavuttaa suurimmat arvonsa.
Lämpötilagradientti
Kun muuntajaa kuormitetaan jatkuvasti nimellisvirralla, käämin lämpenemä öljyyn nähden saavuttaa jatkuvan tilan arvonsa äärettömän pitkän ajan kuluessa. Tätä läm- penemää kuvaa lämpötilagradientti Hgr. Se on 26 °C muuntajille, joissa on luonnollinen öljynkierto, ja 22 °C pakotetun öljynkierron muuntajille. [21]
Aikavakiot
Aikavakioilla on olennainen merkitys käämin lämpenemän käyrämuotoon ajan funktio
na. Laskennassa käytetyt lämpenemisen aikavakiot ovat uuden standardiehdotuksen mukaisia. Luonnollisen öljykierron aikavakiot on muutettu niin, että ON- ja OF- jäähdytetyille muuntajille voidaan käyttää samoja laskentayhtälöitä.
Luonnollisen öljykierron muuntajan öljyn lämpenemisen aikavakio on standardin [21]
mukaan 2,5 tuntia. Kahden aikavakion mallissa tämä aika on puolitettu. Käämin lämpe
nemisen aikavakion perusarvo on seitsemän minuuttia, mutta ON-muuntajille on pää
dytty käyttämään kaksinkertaista arvoa.
6.3 Jäähdytystavan vaikutus käämin lämpenemään
Käämin kuumimman pisteen lämpenemä öljyyn nähden riippuu voimakkaasti muunta
jan jäähdytystavasta. Kuvassa 11 on esitetty esimerkkinä, kuinka käämin lämpenemä muuttuu viiden ensimmäisen tunnin aikana, kun kuormittamattomaan muuntajaan lisä
tään nimellinen kuorma askelmaisesti hetkellä nolla. Käämin lämpenemä öljyyn nähden on alkuhetkellä nolla.
35,0 i
:ro 25,0
-o. 15,0 -2 10,0
-aika / min
Kuva 11. Käämin lämpenemä nimelliskuormalla viiden ensimmäisen tunnin aikana.
Lämpenemä on aluksi nolla.
Jatkuvan tilan arvoon verrattuna luonnollisen öljynkierron muuntajalle lämpenemävas- teen ylitys on lähes 50 prosenttia ja pakotetun öljykierron muuntajalle ylitys on vain noin 15 prosenttia. Jos huomioidaan öljyn hitaampi lämpeneminen luonnollisen öljy- kierron muuntajassa, voidaan olettaa askelmaisen virran muutoksen vaikutuksen eroa
van vähemmän eri jäähdytystavoilla kuin tässä esimerkissä. Öljyn lämpötila on kuitenkin jo useiden tekijöiden funktio. Monimutkaisesta mallista, jossa on useita vir
helähteitä pyritäänkin eroon juuri mittaamalla.
6.4 Menetelmän luotettavuus
6.4.1 Laitteet
Muuntajan lämpötilan määrittämiseksi ei ole käytetty muita laitteita kuin jo käytössä olleita sähköasemamittauksia. Sekä huippuöljyn lämpötilamittaus että tiedonkeruuseen ja laskentaan käytetty kaukokäyttöjärjestelmä ala-asemineen on havaittu erittäin luotet
taviksi.
6.4.2 Laskenta
Laskennan oikeanlainen toiminta on varmistettu vertaamalla saatua käämin kuumimman pisteen lämpötilaa käämin lämpötilan kuvaajan ja standardin mukaisen yhden aikavaki
on mallin antamiin arvoihin.
Yhden aikavakion mallissa käämin kuumimman pisteen lämpötila on laskettu samoilla vakioilla kuin edellä kuvatussa kahden aikavakion mallissa. Tässä öljyn lämpötilan
Yhden aikavakion mallissa käämin kuumimman pisteen lämpötila on laskettu samoilla vakioilla kuin edellä kuvatussa kahden aikavakion mallissa. Tässä öljyn lämpötilan