• Ei tuloksia

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