Perinteisesti sähkö on kulkeutunut verkossa vain yhteen suuntaan kuluttajia kohti. Hajau-tetut tuotantolaitokset vaikuttavat kuitenkin virran kulkusuuntiin verkossa, mikä aiheuttaa uusia vaatimuksia myös verkkoa suojaavilta ominaisuuksilta. Seuraavissa alakappaleissa kerrotaan hajautettujen tuotantolaitosten vaikutuksista ja vaatimuksista verkon suojaustoi-mintoihin.
5.2.1 Oikosulkuvirrat
Verkkoon kytketyt sähkön pien- ja mikrotuotantolaitokset nostavat verkon kokonaisoi-kosulkuvirtoja itse syöttämillään oikosulkuvirroilla. Verkkoa rasittavat nousseet vikavirrat saattavat aiheuttaa verkon komponenteille määriteltyjen termisten rajojen ylittymisen.
Tämä aiheuttaa ongelmia erityisesti kaapeliliitoksille, muuntajille sekä kytkin- ja
suojalaitetoiminnoille. Hajautettujen tuotantolaitosten verkkoon syöttämiin vikavirtoihin voidaan kuitenkin vaikuttaa muun muassa komponenttivalinnoilla, säätämällä jakelumuun-tajien asetteluarvoja ja verkkoalueiden jakamisella pienempiin osiin. Esimerkiksi epätahti-generaattorilla verkkoon kytketyt pientuotantolaitokset syöttävät verkkoon oikosulkuvirtoja moninkertaisesti invertteriliitäntäisiin tuotantolaitoksiin verrattuna. Pientuotannon mää-rien pysyessä matalina, lievät vikavirtojen nousut eivät vielä vaikuta oleellisesti verkon suo-jauksiin. Merkittävä pientuotantolaitosten kapasiteetin nousu hajautettunakin saattaa kui-tenkin aiheuttaa verkon suojausten virheellisen toiminnan virhelaukeamisena tai sokaistu-misena. [4]
Oikosulkusuojauksen virhelaukeaminen voi sattua muuntopiirissä, jonka jossakin PJ-johtolähdössä on kytkettynä merkittäviä määriä vikavirtaa verkkoon syöttävää sähkön ha-jautettua tuotantoa. Oikosulkuvian sattuessa saman muuntopiirin viereisessä johtoläh-dössä, tähän vikapaikkaan syöttää vikavirtaa sekä muuntaja että tämän toisen johtolähdön tuotantolaitokset. Tällaisessa tilanteessa myös ehjän hajautettua sähköntuotantoa sisältä-vän johtolähdön ylivirtasuojana toimivat varokkeet saattavat virheellisesti laueta, kun nii-den läpi kulkee tuotantolaitosten vikapaikkaan syöttämää vikavirtaa. Kyseinen tilanne joh-tuu siitä, että muuntopiirin johtolähtöjen suojaukset eivät tunnista tuotantolaitosten verk-koon syöttämän vikavirran suuntaa. Suojauksen ei myöskään voida enää ajatella toimivan selektiivisesti. [4]
Kuva 15. Mikrotuotantolaitoksesta johtuva suojauksen virhelaukeaminen [4]
Toinen hajautettujen tuotantolaitosten syöttämien oikosulkuvirtojen aiheuttama suojaus-ten virheellinen toiminta voi aiheutua tilanteessa, jossa verkkoon kytketty sähkön tuotanto sijaitsee johtolähdön vikapaikan ja syöttöpisteen välissä. Tällöin muuntajan lisäksi väliin osuneet tuotantolaitokset syöttävät vikapaikalle vikavirtaa. Tämä saa aikaan sen, että muun-tajan lähtöön syöttämän vikavirran suuruus pienenee tuotantolaitosten vaikutuksesta. Jos väliin osuneiden tuotantolaitosten syöttämien vikavirtojen suuruus laskee vikavirtojen suu-ruutta lähdössä liikaa, johtolähdön ylivirtasuojaus ei välttämättä enää laukea. Tällaista ti-lannetta kutsutaan suojauksen sokaistumiseksi. [4]
Kuva 16. Mikrotuotantolaitoksesta johtuva suojauksen sokaistuminen [4]
5.2.2 Jälleenkytkennät
Automaattisten jälleenkytkentöjen avulla selviää iso osa ilmajohtoverkkoja koettelevista vi-oista niiden ohimenevän luonteen vuoksi. Verkon osissa, joihin on liitetty myös hajautettua sähköntuotantoa, pikajälleenkytkennöissä saattaa kuitenkin esiintyä ongelmia, jos tuotan-tolaitos ei onnistu irtoamaan verkosta. Jos suojareleen lauettua tuotantuotan-tolaitos ei irtoakaan verkosta riittävän nopeasti, se saattaa pitää yllä verkon jännitettä ja syöttää vikapaikalle vi-kavirtaa eikä vikapaikan valokaari pääse sammumaan. Näin PJK epäonnistuu, kun lähdön suojarele havaitsee jälleenkytkennän jälkeen yhä verkossa vaikuttavan vian ja katkaisee säh-kön syötön kyseisellä lähdöllä uudelleen. Tällöin ohimenevästä viasta tuleekin pysyvä vika.
[67]
Epäonnistuneet PJK:t vaikuttavat verkkoon ja sähkön laatuun merkittävästi. Koska epäon-nistuneiden PJK:iden vuoksi ohimenevistä vioista tulee pysyviä, vikakeskeytykset tulevat ajallisesti pidemmiksi ja asiakashaitta kasvaa. Myös verkon komponentit kärsivät ylimää-räisestä kuormituksesta. Esimerkiksi PJK:n ajaksi vikapaikalle palamaan jäänyt valokaari aiheuttaa vaurioita johtimiin ja mahdollisiin eristimiin.
Epäonnistuneista PJK:ista aiheutunut haitta on vielä vakavampi, jos verkkoon kytketyt ha-jautetut tuotantolaitokset ovat ajautuneet verkon tahdista PJK:iden aukioloaikana. Verk-koon kytkeytyvä tahdistamaton sähkön tuotanto aiheuttaa ylivirtoja- ja jännitteitä sekä voi-makasta mekaanista stressiä. Tämä voi vaurioittaa myös tuotantolaitteistoja itsejään, erityi-sesti jos ne ovat tahtikoneiden kautta verkkoon liitettyjä. Invertteriliitäntäisten hajautettu-jen tuotantolaitosten vaurioituminen on vähemmän riskialtista tahdistamattomana verk-koon liittyessä verrattuna tahtigeneraattoreihin. [67] [68]
Hajautettujen pientuotantolaitosten haitallisilta vaikutuksilta jälleenkytkentöihin voidaan välttyä tuotantolaitosten toimivilla saarekekäytönestoilla. Pientuotantolaitoksen verkosta irtoamisen ja PJK:n uudelleen kytkeytymisen välille verkkoon pitää kuitenkin saada riittä-vän pitkä jännitteetön aika, jotta ohimenevä vika on hävinnyt [4]. Esimerkiksi PJK:iden ta-kaisinkytkeytyminen saattaa olla aseteltu tapahtumaan 0,5 sekunnissa ja pientuotantolai-toksen irtikytkeytyminen jännitteettömästä verkosta 0,2 sekunnissa. Mikäli 0,3 sekunnin havaitaan olevan liian lyhyt jännitteetön aika verkossa vian selviämiseksi ja PJK:iden toi-minta häiriintyy, voidaan niiden takaisinkytkentäaikaa kasvattaa 0,2 sekunnilla [4]. Jos joh-tolähdöllä on paljon verkkoon liitettyä sähkön hajautettua pientuotantoa, vikatilanteiden vuoksi verkosta voi kerralla irrota iso määrä tuotantokapasiteettia, mikä tuo taas omat haas-teensa.
Kuten aiemmin todetaan, VJV2018 -asiakirjassa huomioidaan myös pientuotantolaitteisto-jen automaattisen verkkoon takaisinkytkeytymisen mahdollisuus. Muiden ehtopientuotantolaitteisto-jen ohella, tämä saa tapahtua 1–10 minuuttia häiriöstä johtuneen verkon PJK:n tai muun takaisinkyt-kentätilanteen jälkeen ja ainoastaan, jos liittymäpisteen verkonhaltija sen sallii [52].
5.2.3 Tuotantolaitosten keskinäinen suojaustoiminta
Koska sähkön hajautetulla pien- ja mikrotuotannolla on vaikutuksensa koko jakeluverkon suojaukseen, tuotantolaitosten omien suojausten rakenteellista toteuttamista on jouduttu tarkastelemaan uudelleen. Tuotantolaitosten suojalaitteiden tehokasta toimintaa tuotannon määrän kasvaessa on arvioitu sekä keskitetyn ja hajautetun suojausrakenteen osalta, että nämä yhdistävän hybridirakenteen osalta. Mikään näistä rakenteista ei ole yksiselitteisesti toista parempi, vaan kaikissa on omat hyvät ja huonot puolensa.
Keskitetyssä suojausrakenteessa on suojattavaa verkkoaluetta kohden yksi suojauslaitteita ohjaava keskusyksikkö (CPU) sekä keskitetty kytkinlaite kaikille tuotantolaitoksille [59]
[69]. Nykyaikainen tiedonsiirto mahdollistaa mittausarvojen ja verkkotilatietojen nopean välittämisen verkon eri pisteistä keskusyksikölle, joka reagoi vaaditulla tavalla vian havait-tuaan. Keskitetyssä suojauksessa etuna on sen joustavuus suojausasetuksia ja -toimintoja muokatessa, sillä vain yhden laitteen muokkauksella voidaan säätää koko sen hallitseman verkkoalueen suojauksia [70]. Keskitetty suojausrakenne on kuitenkin haavoittuvaisempi tietoliikenneyhteyksissä tapahtuville häiriöille, koska kokonaisvaikutukset ovat laajat [71].
Saksalaisessa standardissa VDE-AR-N 4105 vaaditaan kaikille samaan PJ-solmupisteeseen kytkeytyneille tuotantolaitoksille keskitettyä suojauslaitteistoa, jos näiden kokonaisnäen-näisteho S ylittää pisteessä arvon 30 kVA [72]. Alle 30 kVA laitoskokonaisuuksille invertte-rien omat suojaustoiminnot yhdessä verkon suojausten kanssa ovat riittävät. Suomalaisen standardin SFS-EN 50549-1 mukaan jakeluverkkoyhtiöt voivat itse määritellä nimellisvir-raltaan suurempien kuin 16 A mikrotuotantolaitosten tehollisarvon, jonka jälkeen suojaus tulee toteuttaa keskitetysti [59].
Hajautettu, esimerkiksi tuotantolaitoskohtainen, suojausrakenne suojaa paikallisesti tehok-kaasti eikä tietoliikenneyhteyksiä suojausten osalta vaadita, koska jokainen laitos toimii it-senäisesti [71]. Tämä vähentää riskiä laajamittaisiin epätoivottuihin suojauksen toiminta-häiriöihin. Paikallinen suojauslaitteisto ei voi kuitenkaan yhteyksien puuttuessa ottaa huo-mioon muuhun verkkoon vaikuttavia tekijöitä [71]. Tämä saattaa esimerkiksi johtaa tilan-teeseen, jossa useampi tuotantolaitos saattaa toimia itsenäisesti verkkoa häiritsevästi, mikä voi aiheuttaa ketjureaktion irrottaen useita tuotantolaitoksia verkosta vaikkei olisi tarpeen.
Hajautettu suojausrakenne on myös kokonaisuutena joustamattomampi, sillä kaikki suo-jaukseen liittyvät muutokset tulee tehdä tuotantolaitoskohtaisesti.
Toiminnallisesti sekä hajautetun että keskitetyn suojausrakenteen yhdistävää hybridiraken-netta voidaan pitää toimivimpana. Hybridisuojaus on joustava kuten keskitetty suojausra-kenne ja uusia toiminnallisuuksia voidaan ottaa käyttöön keskusyksikön kautta [70]. Lisäksi koko verkon tila tulee otettua keskusyksikön kautta huomioon, mutta tuotantolaitosten au-tonomia myös säilyy, mikäli tietoliikenneyhteyksissä esiintyy ongelmia. Koska suojauksen hybridirakenteessa on komponentteja sekä hajautetusta ja keskitetystä suojauksesta, myös kokonaishinta on korkeampi.
Yleisemmin kuvattuna aurinkosähköjärjestelmien yhteisen solmupisteen muuhun verkkoon ei tarvitse sijaita pääkeskuksessa [73]. Invertterin ja sen liittymäpisteen sijoittaminen voi-daan toteuttaa esimerkiksi sitä varten tarkoitetussa aurinkosähkökeskuksessa, muussa eril-lisessä ryhmäkeskuksessa tai missä tahansa kytkentäpisteessä, johon tulee riittävän vahva kaapelointi [73]. Useamman pien- tai mikrotuotantolaitoksen yhteinen suojaus on helppo toteuttaa tuomalla kytkentäkaapeli yhteiseen keskustilaan, jossa suojalaitteisto sijaitsee.
Kuvassa 17 on esitetty standardissa SFS-EN 50549-1 esimerkkinä käytetty kaaviokuva pien-tuotantolaitoksen kytkemisestä verkkoon, ja kuinka suojakytkimet ja -releet tulee sijoittaa [59]. Useamman tuotantolaitoksen tapauksessa keskitettyä suojausratkaisua tavoiteltaessa yhteisen liittymäpisteen tulisi sijaita ennen suojareleen ohjaamaa kytkintä. Jokaisella sa-maan pisteeseen kytketyllä tuotantolaitoksella tulee tämän lisäksi kuitenkin olla oma erilli-nen kytkin. Isoissa rakennuskokonaisuuksissa, joissa on useampia mikro- tai
pientuotantolaitteistoja, keskitetyn suojauksen ja sähkökeskusten sijainti kannattaa miettiä tarkkaan, koska esimerkiksi kaapelivedot saattavat kasvaa helposti hyvin pitkiksi.