Vaihekatkoksessa syntyvä ylijännite Y/D muuntajan navassa kuormituksen

Kuva 15. Jännite Y/D muuntajan navassa ennen ia jälkeen vaihekatkoksen (DeCasero et ai. 1993).

Muuntajan epälineaarisen induktanssin ja kaapelin kapasitanssin synnyttämää värähtelyä johdinkatkostilanteissa on tutkittu myös Suomessa. Maasta erotetussa ja resistanssilla maadoitetussa verkossa värähtely jäi jatkuvaksi, kun kaapelipituus oli riittävä ja jakelumuuntajan kuorma pieni. Sammutetussa verkossa ei simuloinnissa ilmennyt jatkuvaa värähtelyä. (Hakola 2004.)

Jos yksinapaisen jälleenkytkennän jälkeen johdolla on yhä vika, tehdään seuraavaksi kolmivaiheinen laukaisu (Blackburn 1998, 463) ja jälleenkytkennät yleensä lukitaan.

Vaihtoehtoisesti voidaan tehdä toinen tai useampikin jälleenkytkentä, mutta nämä ovat aina kolminapaisia. JK-automatiikassa tulee olla signaali “prepare three-phase trip” jolla yksinapaisen operaation jälkeen pakotetaan seuraava(t) laukaisut kolminapaisiksi.

(IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

On myös mahdollista, että yksinapaisen JK:n epäonnistuessa tehdään yksinapainen laukaisu, jolloin kaksi vaihetta jäisi yhä käyttöön (ks. Bishop, McCarthy & Josken n.d.).

Kolmivaihekuormille pitkäaikainen vajaanapainen toiminta voi olla haitallista, ja siksi yleensä yksinapaisia jälleenkytkentöjä (jos ne yleensä sallitaan) pitää seurata kolminapainen laukaisu (Dugan et ai. 1996a, 73).

Kolminapaisissa vioissa tehdään yleensä korkeintaan yksi laukaisu/jälleenkytkentä, tai usein vain pelkkä laukaisu. Kehittyneemmässä ratkaisussa tehdään myös kaksinapaisia operaatioita. (Blackburn 1998,463.)

3.5.1 Yksinapainen jälleenkytkennän edut ja haitat

Vajaanapaisen operaation etuina kolminapaiseen operaatioon verrattuna on

- että tehonsiirtokapasiteettia ei menetetä täysin (Elmoren (1994, 100) mukaan tyypillisesti vain noin 20 %), joten järjestelmän luotettavuus ja käytettävyys on parempi

- verkon parempi stabiilisuus, koska terveet vaiheet kykenevät yhä siirtä

mään tehoa

- pienemmät kytkentäylijännitteet

- pienempi rasitus verkolle ja voimantuotantogeneraattorei 1 le. (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

Vastaavasti löytyy myös haittoja:

- Katkaisijan tulee kyetä yksinapaiseen toimintaan.

- Suojauksen tulee kyetä tunnistamaan viallinen vaihe, mikä onnistuu vain pienillä vikaresistansseilla.

- Suojauksen pitää kyetä hoitamaan myös tilanne, jossa 1 -vaiheisen jälleenkytkennän aikana vika muuttuu 2- tai 3-vaiheiseksi.

- Yksi- ja kaksinapaisen toiminnan aikana, epäsymmetrisyydestä johtuen verkkoon syntyy vasta- ja nollakomponentit, ja tämän vuoksi joidenkin suojareleiden toiminta tulee lukita jälleenkytkennän ajaksi. Vasta- ja nollakomponentit aiheuttavat myös rasituksia verkon komponenteille

(esimerkiksi moottorien roottorien lämpenemistä).

- Terveiden vaiheiden keskeiskapasitanssin vaikutuksesta laukaistulle vaihejohtimelle indusoituu jännite, joka hidastaa valokaaren sam

mumista. Pahimmassa tapauksessa valokaari ei sammu ollenkaan. (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992; Blackburn

1998, 463; ks. myös distanssisuojauksesta Ziegler & Gerhard 1999, 55)

Yksinapaiset operaatiot ovat yleisiä Euroopassa, mutta käytetty harvemmin Yhdysvalloissa johtuen käytössä olevista katkaisijoista (Blackburn 1998, 463).

Tärkein sovellus yksinapaiselle toiminnalle on tilanne, missä pelkästään yksi siirtolinja yhdistää kaksi syöttävän verkon osaa, tai että verkkoja yhdistävä muu verkko on liian heikko ylläpitämään verkkoja samassa tahdissa. Yksi-ja kaksinapaisissa jälleenkytken- nöissä terveet vaiheet pystyvät pitämään verkot tahdissa sekä ylläpitämään riittävästi tehosiirtokapasiteettia niin ettei stabiilisuus vaarannu (Blackburn 1998, 464).

3.5.2 Kaksinapaiset viat

Kaksinapaisia ohimeneviä vikoja ovat lähinnä johdinten hetkellinen kosketus toisiinsa (esimerkiksi myrskyllä tai lumi/jääkuorman irrotessa). Jos viassa ei ole mukana

maakontaktia, riittää, että vain toinen oikosulussa olevista vaiheista laukaistaan ja yksivaiheinen jälleenkytkentä käynnistetään. Suojareleessä voi olla myös valinta kumpi (pyörimisjärjestyksen mukaan) vaiheista laukaistaan. (Ziegler & Gerhard 1999, 55).

3.5.3 Siirtolinjan pituus

Terveiden vaiheiden keskeiskapasitanssin vaikutuksesta yksinapaisesti laukaistulle vaihejohtimelle indusoituu jännite, joka hidastaa valokaaren sammumista. Valokaarta ylläpitävä virta on verrannollinen siirtolinjan pituuteen. Tilanne pahenee linjapituuden kasvaessa, jolloin jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan pituutta pitää vastaavasti kasvattaa. Zieglern (1999) mukaan (jäykästi maadoitetuissa siirtoverkoissa) valokaari sammuu jos sen virta

I

amc <43х(*дг-0,2), (2)

missä

I

arc on valokaaren virta ampeereina ja

tor

jälleenkytkennän jännitteetön väliaika sekunteina (Ziegler & Gerhard 1999, 54).

Pidemmillä linjoilla joudutaan valokaaren virran pienentämiseksi käyttämään kompensointikuristimia (taulukko 1) (Ziegler & Gerhard 1999, 54).

Taulukko 1, Hyväksyttävät linjapituudet (Ziegler & Gerhard 1999, 54)

Siirtolinjan jännite

Kompensointia ei tarvita

Valokaaren sammuminen epävarmaa ilman

kompensointia

230 kV 0- 430 km 480- 800 km

345 kV 0- 230 km 230- 420 km

500 kV 0-100 km 100-160 km

765 kV 0- 80 km 80-130 km

3.5.4 Hybridi-skeema

Yksinapaisessa jälleenkytkennässä ongelmana oleva sekundaarisen valokaaren huonompi sammuminen on hybridi-skeemassa ratkaistu laukaisemalla jälleenkytkennän

jännitteettömän väliajan (50-60 verkkojaksoa) lopussa ensin terveetkin vaiheet ja

kytkemällä katkaisijan sitten pienen viiveen (10-15 jaksoa) jälkeen kolminapaisesti kiinni (kuva 16). Etuna on nopeampi ja varmempi valokaaren sammuminen puhtaaseen yksinapaiseen JK:ään verrattuna, sekä pienempi verkolle ja sen komponenteille aiheutettu rasitus puhtaaseen kolminapaiseen JK:ään verrattuna. (Ahn, Kim, Aggarwal

& Johns 2001; IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

CB CB

Quenching

~ Secondary Arc

CB CB

I Closed Breaker П Opened Breaker

• Primary Arc occur

• Primary Arc is eliminated

• Secondary Arc occur

• Secondary Arc extinguished Trips the Faulted

Phase

Trips the Remaining Two Phases

Recloses All Three Phases

quickly Fault Inception

Kuva 16. Hybridi -skeeman toimintajärjestys (Ahn, Kim, Aggarwal & Johns 2001).

3.5.5 Jännitteet yksinapaisessa operaatiossa

Yksinapaisen laukaisun jälkeinen tilanne voidaan jakaa ajallisesti kahteen osaan: aikaan jossa pieni-impedanssinen maasulku (valokaari) on yhä olemassa ja valokaaren

sammumisen jälkeiseen aikaan.

Maasulun ollessa yhä olemassa, jos kuormitus olisi yksivaiheista ja jakelumuuntajat tähti/tähti-kytkentäisiä voitaisiin todeta, että kolmivaiheiseen operaatioon verrattuna vain yksi kolmasosa kuluttajista kokee jälleenkytkennän aiheuttaman keskeytyksen.

Yleensä jakelumuuntajat ovat kuitenkin kolmio/tähti-kytkentäisiä. Silloin muuntajan vaikutuksesta yksi kolmasosa yksivaiheisista kuluttajista ei havaitsisi mitään, ja loput

kaksi kolmasosaa yksivaihekuluttajista

kokisi

jännitekuopan (jännite putoaa 58

prosenttiin nimellisestä, vaihekulma muuttuu 30°, kuva 17). Yksinapaisessa jälleenkytkennässä jännitekatko Dy-muuntajan vuoksi näkyykin jännitekuoppana

(Bollen 2000, 127-129).

Kuva 17. Pääjännitteet Dy-muuntajan takana yksivaiheviassa.

Kun valokaari vikapaikassa sammuu, muuttuu maasulku kuormituksen kannalta katsottuna vaihekatkokseksi. Bollen (2000, 129-134) on analysoinut tilannetta symmetristä järjestelmää käyttäen ja toteaa viallisen vaiheen jännitteen suhteellisarvon olevan arvioitavissa

U =

1--- --- ,

ЗУ..

У + У + У

missä

Yu, Y

^¿2 ja

Y

lo ovat kuorman (katkaisijan johdon puoleisen pään) myötä-, vasta-ja nolla-admittanssien suhteellisarvot. Tähteen kytketyllä staattisella kuormalla (

Y

li =

Y

- Y

^lo

)

jännite on nolla ja Dy-muuntajan takaisella staattisella kuormalla

(Y

^li =

Y

^l²

, Y

^lo

~

°o) jännite on 50 % ja vastakkaisvaiheinen. Moottorikuorma Dy -muuntajan takana vaikuttaa siten, että alussa viallisen vaiheen jännite on 25-75 % nimellisestä ja moottorien hidastuessa muuttuu vastakkaisvaiheiseksi arvoon 50 %. (Bollen 2000,

129-134.)

(3)

3.5.6 Virrat yksinapaisessa operaatiossa

Vikapaikan jännite ei laske yksivaiheisessa laukaisussa täysin nollaan, eikä silloin vikavirtakaan laske nollaan. Tämä vaikeuttaa valokaaren sammumista. Bollenin (2000,

135) mukaan vikavirran suhteellisarvo yksivaiheisen laukaisun jälkeen on laskettavissa

I=\zLl~(ZL%+ZL6),

(4)

missä

Zu

Z

l2 ja Z¿0 ovat kuorman (katkaisijan johdon puoleisen pään) myötä-, vasta- ja nollaimpedanssien suhteellisarvot (Bollen 2000, 135).

3.6 Jälleenkytkentöjen määrä

Siirtoverkoissa käytetään yleensä vain yhtä, korkeintaan kahta jälleenkytkentää. Sitä vastoin jakeluverkoissa käytetään pääsääntöisesti kahta tai useampaa jälleenkytkentää, koska toisen (tai kolmannen) yrityksen onnistumismahdollisuudet ovat vielä kohtalaisen hyvät. Eri yritysten onnistumistodennäköisyys riippuu monesta tekijästä, kuten sähköverkon rakenteesta, ja säästä (myrskyt, ukkoset jne.). Esimerkiksi alueilla, joissa ukkospäivien määrä on pieni voi käytössä olla vain yksi jälleenkytkentä koska oletetaan tai tiedetään että viat ovat yleensä pysyviä (Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 58).

Jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys pienenee nopeasti sekvenssin edetessä (kuva 18). Mitään selkeää sääntöä suositeltavien jälleenkytkentöjen määrästä ei ole helppo antaa, mutta seuraavat asiat tulisi ottaa huomioon tarkastelussa:

- Katkaisijan asettamat rajoitukset: montako peräkkäistä (nopeaa) jälleen

kytkentää voidaan tehdä?

- Jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys: usean JK:n käyttäminen voi olla perusteltua esimerkiksi metsäisellä alueella (puiden oksat lentävät linjalle) tai lintujen muuttoaikana (lintujen törmääminen linjoihin) koska tällaiset viat voidaan usein ‘polttaa’ pois.

- Miten (useimmiten toisen tai kolmannen jälleenkytkennän aikana toimivat) verkossa olevat sulakkeet ja automaattisia kytkentälaitteet (mm.

pole mounted reclosers, sectionalisers) tulee koordinoida keskenään.

Kuva 18. Esimerkki jälleenkytkentöjen onnistumistodennäköisyyksistä (Elmore 1994, 334).

3.7 Jälleenkytkentöjen määrän vähentäminen

Onnistuessaan jälleenkytkentä lyhentää ehkä pitkänkin syöttökatkoksen muutamien sekuntien tai minuuttien pituiseksi. Vieläkin parempaa tietenkin olisi, jos jälleen- kytkentöjä ei tarvittaisi ollenkaan tai että ainakin niiden määrä voitaisiin minimoida.

Suoritettujen jälleenkytkentöjen määrä on kiinteästi sidoksissa vikojen määrään, mihin on mahdollista vaikuttaa muun muassa seuraavilla tavoilla:

- Korvaamalla avojohdot päällystetyllä johdolla (PAS) tai maanalaisella kaapelilla.

- Puuston ja vierusmetsän kunnosta huolehtiminen. Varttunut puusto ja metsän epätasaisuus vaikuttaa selvästi mm. myrskytuhoihin (puiden kaatumiseen linjalle jne).

- Eläinsuojien lisääminen paljaisiin jännitteisiin osiin.

- Ylijännitteiden rajoittaminen (ukkosjohtimet, venttiilisuojat).

- Kipinävälisuojien muuttaminen venttiilisuojiksi.

- Lumikuorman vähentäminen.

- Eristimien puhdistus (kosteassa rannikkoilmastossa tai pölyisessä ilmastossa likaantuneet eristeet voivat aiheuttaa ylilyöntejä jo leudossa myrskyssä tai sateessa (Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 77).

- Pylväiden maadoituksien parantaminen (vaikuttaa ukonilman aikana takaiskujen määrään) (Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 77; ks. myös Ziegler & Gerhard 1999, 58).

- Verkon sammutus (tähtipisteen maadoitus induktiivisen reaktanssin kautta).

Vioilta ei voida täysin välttyä, mutta myös kuluttaja pystyy suojautumaan lyhytaikaisia katkoksia vastaan tekemällä järjestelmänsä ja prosessinsa immuuneiksi katkoksille (kahdennettu syöttö eri lähteistä ja nopea kiskonvaihto, UPS laitteet, sähkövarastot, varavoima, inverttereiden DC-välipiirin kapasitanssin kasvatus) ja oikealla

varautumisella syötön palautumiseen (hallitsemattomien käynnistysten esto).

Suojareleen laukaisuajan lyhentäminen ei vähennä katkosten määrää, mutta pienentää vian aiheuttamia rasituksia. Maasulkutapauksissa voidaan tällä tavoin myötävaikuttaa siihen, ettei maasulku muutu kaksi- tai kolmivaiheiseksi oikosuluksi. Toisaalta osa vioista on sellaisia, jotka palavat pois, ja silloin liian lyhyt laukaisuaika voi johtaa epäonnistuneeseen jälleenkytkentään.

Yksi mahdollinen syy jälleenkytkentöihin on vielä mainitsematta, nimittäin virheellisesti (turhaan) tehdyn suojareletoiminnat. Nämä ovat tavallisesti sympatialaukaisuja, toisin sanoen suojarele on laukaissut viasta, joka on ollut jossain

muualla verkossa.

3.7.1 Epäonnistuneiden jälleenkytkentöjen määrän vähentäminen

Jälleenkytkentä on luonteeltaan ollut hyvin pitkälle yrityksen ja erehdyksen menetelmä:

jos PJK ei onnistu, yritetään AJK:ää ja vasta sitten luovutaan.

Epäonnistuessaan jälleenkytkentä aiheuttaa alkuperäisen vikarasituksen toistumisen.

Optimaalinen tilanne olisi silloin, jos ennen jälleenkytkentäyritystä voitaisiin nähdä tai edes kohtuullisen luotettavasti ennustaa onko vika jo poistunut ts. tuleeko

jälleenkytkentä onnistumaan. Tällöin turhat yritykset voitaisiin välttää.

Varsinkin yksinapaisia jälleenkytkentöjä varten (siirtoverkot) on tutkittu ja kehitelty tällaisia erilaisia menetelmiä, perustuen muun muassa neuroverkkojen käyttöön. Näissä kaikissa pyritään mittauksilla päättelemään, onko vika luonteeltaan pysyvä tai ohimenevä, sekä milloin kiinniohjaus voidaan tehdä niin että jälleenkytkentä onnistuu.

Seuraavaksi esitettävässä kahdessa menetelmässä esitetään, miten kiinniohjaus voidaan tehdä vaiheittain. Mikäli mittauksin jossain vaiheessa todetaan, että vika ei ole poistunut, kiinniohjaus keskeytetään ja perutaan.

3.7.2 Kolminapainen laukaisu, vaihe kerrallaan kiinniohjaus

Tässä menetelmässä kolminapaisen laukaisun jälkeen kytketään katkaisija yksi- napaisesti, vaihe kerrallaan kiinni. Ensiksi kytketään se vaihe, missä todennäköisemmin

ei ole vikaa (kolmivaihevian ollessa kyseessä kytketään satunnaisesti mikä vaihe tahansa). Tämän jälkeen voidaan jännitemittauksin (vian puolelta, kuva 19) päätellä yhtä tapausta lukuunottamatta onko vika yhä päällä. Mikäli näyttää siltä, että vika olisi poistunut, kytketään seuraava vaihe kiinni. Nyt tarvitaan enää yksi mittaus, ja jos vika näyttää poistuneen voidaan kytkeä viimeinenkin vaihe kiinni. (El-Serafi & Faried 1994;

Horowitz, Phadke & Thorp 1988.)

Kuva 19. Jännitemittauksen periaatekaavio (El-Serafi & Faried 1994).

Kuva 20 esittää jännitteiden indusoitumista eri tilanteissa: yksinapainen maasulku (tapaukset a, e ja g), kolminapainen maaoikosulku (tapaus b), kaksinapainen maaoiko- sulku (tapaukset c, d ja f), kaksinapainen oikosulku (tapaukset h, i, 1 ja m), kolmi

napainen oikosulku (tapaus j) ja poistunut vika (tapaukset k ja n). Kuvassa 21 esitetään

katkaisijan kiinniohjaus vaiheittain ja suoritettavat mittaukset. (El-Serafi & Faried

1994).

Kuva 20. Jännitteiden indusoituminen eri tilanteissa (El-Serafi & Faried 1994).

Fault exists

Trip phase A and block reclosing of phases В and C

Reclose the third phase (C) at

Trip phases A and В and block reclosing

of phase C Reclose the phase

least likely to have

Reclose a second phase (B) at

Kuva 21. Katkaisijan kiinniohjauksen eteneminen vaiheittain. tr on jälleenkytkennän jännitteetön väliaika ja Atr yksinapaisten kiinniohjausten välinen aika (El-Serafi &

Faried 1994).

3.7.3 Testikatkaisijan käyttö

Muun muassa Ruotsin rautatie käyttää jälleenkytkennöissä kahta katkaisijaa. Ensin

ohjataan kokeeksi kiinni katkaisija, joka kytkee jännitteet virtaa rajoittavien impedanssien kautta. Jos mittauksin todetaan, että vika on poistunut voidaan ohjata pääkatkaisija kiinni (ohittaa impedanssit). Jos vika ei ole poistunut, laukaistaan testikatkaisija. Silloin ehkä halutaan jatkaa suoraan seuraavalle jälleenkytkennälle, koska oletetaan että vika poistuisi pidemmällä katkolla. Näin jatketaan, kunnes kaikki ohjelmoidut JK:t on käyty läpi (Einarsson 2002).

3.8 Tahdissaolon valvonta

Tahdissaolon valvonta (synchrocheck) tarkoittaa katkaisijan yliolevien jännitteiden jännite-, taajuus- ja vaihekulmaerojen tarkistusta. Vain mikäli molemmilla puolilla on

jännite, ja edellä mainitut erot ovat alle aseteltujen raja-arvojen sallitaan kiinniohjaus.

Tahdissaolon tarkistusta ei kuitenkaan vaadita, jos jälleenkytkentä tehdään yksivaiheisesti tai verkkoa syötetään vain yhdestä suunnasta. Tahdissaolon tarkistus voidaan jättää tekemättä myös kolmivaiheisilla jälleenkytkennöillä, jos jälleenkytkentä on niin lyhyt, ettei verkkojen epätahtiin menemisen vaaraa ole.

Usein tahdissaolon valvontaan katsotaan kuuluvan myös jännitteellistäminen (voltage check) silloin kun katkaisijan toinen (tai molemmat puolet) ovat jännitteettömiä.

Esimerkiksi siirtojohdolta, joka on laukaistu molemmista päistä, sallitaan toisen (syöttävän) pään ohjata kiinni mikäli johto on jännitteetön (ts. jännitetarkistuksen, ei tahdissaolon valvonnan perusteella) ja toisen pään vasta, kun johto on sekä jännitteinen että tahdissa.

Kiinniohjaustapoja on kaksi: lupaohjaus (kuva 22), missä tahdistuksen/jännitteen valvonta antaa lupatietoa sekä käskyohjaus (kuva 23), missä JK-automatiikka antaa kiinniohjauskäskyn tahdistuksen valvonnalle joka sitten joko suorittaa tai jättää suorittamatta kiinniohjauksen.

SC Tahdissaolon valvontarele CM Ohjausyksikkö

Klinniohjauslupa

--->

Kii n n iohjauskåsky

Kuva 22. Tahdissaolon valvonta lupaohjauksessa, CM- J К-automatiikka (ABB Substation Automation 1998).

SC Tahdissaolon valvontarele CM Ohjausyksikkö

Kuva 23. Tahdissaolon valvonta käskyohjauksessa, CM= JK-automatiikka (ABB Substation Automation 1998).

Yleensä jos verkot eivät ole tahdissa, lukitaan JK-automatiikka ja katkaisija jää auki.

Jos laukaistulla johdolla on pyörivää kuormaa tai vaikka pieni generaattori, mikä pyrkii ylläpitämään jännitettä PJK:n aikana ei PJK-ajan jälkeinen tahdissaolon valvontarele anna lupaa kiinniohjaukseen. Asia hoituu käyttämällä pidempää PJK-aikaa, mutta myös toisenlaisia ratkaisuja löytyy. Jos tahdissaolon valvonta ei anna kiinniohjauslupaa, voidaan käynnistää AJK ohjaamatta katkaisija välillä kiinni (Lindblad, Koivisto &

Pottonen

2002).

Tämän menetelmän käyttäminen

perustuu

ajatukseen, että

AJK:n jälkeen tahdissaolon tarkistuksen onnistumiselle on jo paremmat mahdollisuudet.

3.9 Jälleenkytkennät eri kiskojärjestelmissä

Tähän mennessä on yksinkertaisesti oletettu, että johtolähtö saadaan virrattomaksi ohjaamalla yksittäistä katkaisijaa. Näin tilanne onkin muun muassa yksikisko- tai kisko- apukiskojäijestelmissä. Monimutkaisemmissa järjestelmissä (kuva 24), kuten kaksi- katkaisija- eli duplex-järjestelmässä johtolähdön ohjaaminen virrattomaksi vaatii kahden katkaisijan avaamista.

Kuva 24. Erilaisia kiskojärjestelmiä: a) kaksoiskatkaisijajärjestelmä (duplex), b)

VA

- katkaisijajärjestelmä ja c) rengaskiskojärjestelmä (Elovaara & Laiho 1988, 306).

Kaksikatkaisijajärjestelmässä johtolähtö voi olla kytkeytyneenä katkaisijoidensa kautta jompaan kumpaan tai samanaikaisesti kumpaankin kiskoon. Suojareleistyksen havai

tessa vian johtolähdöllä on selvää, että molemmat katkaisijat tulee laukaista, mutta kumpi katkaisija tulisi ohjata kiinni jälleenkytkentäyrityksessä?

Rengaskiskoissa ja puolitoista katkaisijajärjestelmissä joudutaan aivan samalla lailla ohjaamaan kaksi katkaisijaa auki, mutta nyt toinen katkaisija on yhteinen viereisen

johtolähdön kanssa

Yksinkertainen automatiikka duplex-jäijestelmää varten saadaan siten, että JK-rele muistaa, mikä katkaisija viimeksi on ollut kiinni ja ohjaa kiinniohjausyritykset tälle katkaisijalle. Jos molemmat katkaisijat olivat kiinni ennen laukaisua, on muistissa joko tieto satunnaisesti toisesta katkaisijasta, tai siitä kumpi katkaisijoista viimeksi oli ohjattu kiinni (kuva 25).

AND Reset

RS-kiikku

Q1 aktiivinen

Q2 aktiivinen

Kuva 25. Yksinkertainen logiikka aktiivisen (kiinniohjattavan) katkaisijan valintaan.

Kuvassa 26 on edellistä logiikka yksinkertaistettu niin, että aktiiviseksi katkaisijaksi valitaan aina Q1 jos se on kiinni. Tällainen logiikka sopii esimerkiksi puolitoista- katkaisijajärjestelmiin.

RS-kiikku

Set Q

ma Q1 JKlllV lllvll

—C

02 tila AND Reset Q --- Q2 aktiivinen

Kuva 26. Logiikka, missä katkaisija Ql on priorisoitu.

Edellä esitetyissä ratkaisuissa oleellista on se, että katkaisijaa joka oli ennen JK- sekvenssiä auki ei ohjata kiinni. Ja vaikka molemmat katkaisijat olivat alun perin kiinni ohjataan niistä kuitenkin vain toinen JK-yrityksessä kiinni toisen jäädessä auki.

Automatiikka voidaan tietenkin rakentaa myös sellaiseksi, että toinenkin katkaisija ohjataan automaattisesti takaisin kiinni, mutta vasta pienen viiveen jälkeen. Viiveellä varmistetaan se, että ensinnä ohjattu katkaisija pysyy kiinni, toisin sanoen vika on poistunut.

Edellä esitetyn ohjauslogiikan lisäksi automatiikan tehtävänä on muodostaa jälleenkytkentää varten katkaisijan tilatieto. Käytännössä tämä tarkoittaa aktiivisena olevan katkaisijan tilatiedon valitsemista ja viemistä eteenpäin jälleenkytkentä- automatiikkaa varten.

3.10 Kahdennettu suojaus

Tärkeissä kohteissa on luotettavuuden lisäämiseksi suojareleistys kahdennettu. Jos

molemmat suojareleet toimivat samanarvoisina rinnakkain ja myös jälleenkytkentä- toiminnat on kahdennettu, pitää JK-automatiikkojen toiminta koordinoida yhteen.

Koordinointilogiikan tehtävänä on estää jälkimmäisen automatiikan käynnistyminen silloin, kun ensimmäisen automatiikan jännitteetön väliaika käynnistyy. Lisäksi molemmissa tulee käyttää samaa palautumisaikaa. (Ungrad, Winkler & Wiszniewski

153.)

Jos toista relesuojausta käytetään pääsuojauksena ja toista vain varasuojauksena, käytetään jälleenkytkentöjä (jos ne yleensä on käytössä) vain pääsuojauksen yhteydessä.

4. JÄLLEENKYTKENTÄSEKVENSSIN OPTIMOINTI

Jos tarkastellaan yksinkertaista suojausta ja siihen liitettyä kahden JK:n jälleenkytkentä- automatiikkaa (kuva 27) on toiminta perustapauksessa seuraava:

- Vika syntyy, suojarele laukaisee asetellun toimintahidastuksen jälkeen.

- Ensimmäinen jälleenkytkentä käynnistyy, ja ohjaa asetellun ajan kuluttua katkaisijan takaisin kiinni.

- Suojarele laukaisee uudestaan saman toimintahidastuksen jälkeen.

- Toinen jälleenkytkentä.

- Suojarele laukaisee vielä kerran (ns. lopullinen laukaisu) saman toimintahidastuksen jälkeen.

X

^A.

A

A ^Laukaisu

-► Katkaisijan laukaisu

Käynnistys

JK-automatiikka

Kuva 27. Yksiportainen ylivirtasuojaus ja jälleenkytkentäautomatiikka.

Huomion arvoista tässä esimerkissä on se, että vian syntymisestä tai katkaisijan kiinni- ohjauksesta kestää aina yhtä pitkään ennenkuin rele laukaisee katkaisijan (kuva 28).

Tämä yleensä ei ole paras (optimaalinen) tapa tehdä jälleenkytkentöjä.

Katkaisijan asento

Kiinni

Auki

Vian syntyhetki

UK 2.JK

Aika Kuva 28. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, jokaisen laukaisun toimintahidastus on sama.

Riippumatta siitä, onko vika ohimenevä tai pysyvä tehdään lähtökohtaisesti ainakin yksi JK valokaaren sammuttamiseksi vikapaikassa. Ensimmäisessä laukaisussa ei haluta hidastella, odotellessa vika voi jopa pahentua. Toisen ja sitä seuraavien jälleen-

kytkentöjen osalta ajatellaan, että

parempi pitää vikaa pidempään päällä

yrittää

“polttaa” se pois. Toista tai kolmatta jälleenkytkcntää käytään myös sulakkeiden ja/tai

automaattisten kytkinlaitteiden ja sähköaseman jälleenkytkennän väliseen koordinoin

tiin. Tästä lisää myöhemmin.

Erilaisten laukaisuaikojen tarve on johtanut kahteen täysin erilaiseen jälleenkytkentöjen ajattelu- ja toteutustapaan. Ensimmäisenä esitellään periaate kaksiportaisesta suojauk

sesta, missä nopea suojausporras lukitaan JK:n käynnistyttyä. Tämä tapa on hyvin suosittu, tosin ei pohjoismaissa. Toinen tapa on käyttää suojareleen havahtumis- signaaleja JK:n käynnistykseen.

4.1 JK:n käynnistys laukaisusta, nopean portaan lukitus

Tässä menetelmässä jälleenkytkentäreleen työ alkaa vasta silloin, kun suojaus on

antanut katkaisijalle laukaisukäskyn. JK-rele saa käynnistyssignaalinsa suojareleen laukaisusta, eikä siis osallistu millään tavoin katkaisijan avaamiseen.

Tavanomainen tapa toteuttaa suojaus ja saada ensimmäisen jälleenkytkennän käynnistys nopeaksi on käyttää kahta erillistä suojausporrasta (kuva 29): toinen näistä on nopea, usein viiveetön (hetkellinen, instantaneous) ja toinen hidastettu. Ensimmäisen jälleen- kytkentäyrityksen (PJK) jälkeen nopea porras lukitaan, jolloin sekvenssin muut laukaisut tulee hidastetulta suojausportaalta. Lukitus poistuu automaattisesti jälleen

kytkennän palautumisajan käytyä loppuun.

■> Katkaisijan laukaisu

> Käynnistys

Lähtevä lukitus

JK-automatiikka

Kuva 29. Kaksiportainen ylivirtasuojaus ja jälleenkytkentäautomatiikka.

Usein suojareleen laukaisuajat ovat käänteisaikaisia, mutta sama ajattelu toimii myös vakioaikaisen suojauksen yhteydessä. Sekvenssin aika-tilakaavio on esitetty kuvassa 30.

Katkaisijan asento

Kiinni Auki

Vian syntyhetki

Nopea laukaisu ja JK:n käynnistys

àS

UK 2.JK

Aika Kuva 30. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, ensimmäinen laukaisuaika on lyhyt.

4.2 JK:n käynnistys havahtumisesta

Edellisessä menetelmässä JK käynnistyy aina ja vain laukaisusta. Toinen tapa on käynnistää jälleenkytkennät havahtumisesta (kuva 31). Voidaan tehdä myös niin, että vain ensimmäinen JK käynnistyy suojareleen havahtumisesta, ja toinen JK laukaisusta.

Tästä syntyy tärkeä ero edelliseen menetelmään: kun JK käynnistetään havahtumisesta, täytyy JK-automatiikan ohjata katkaisija myös auki, eikä ainoastaan kiinni. (Koska havahtumissignaalia ei sellaisenaan voida käyttää aukiohjaukseen.)

Laukaisu > Katkaisijan laukaisu

Havahtuminen

> Käynnistys Aukiohjaus

JK-autoniatiikka

Kiinniohjaus

Kuva 31. Havahtumissignaalin käyttäminen jälleenkytkennän käynnistykseen.

JK:n käynnistäminen suoraan havahtumista olisi kuitenkin ongelmallista, sillä suoja

releen havahtuminen on monesti liian nopea ja PJK käynnistyisi silloin liian herkästi.

Lisäämällä havahtumisen ja JK:n käynnistyksen väliin sopiva viive, päästään JK:n käynnistys ja “havahtumisherkkyys” asettelemaan tarpeen mukaan. Sillä, toteutetaanko

viivästäminen itse havahtumissignaalin viivästämisenä suojareleessä, vai

JK:n

käynnistyksen viivästämisenä JК-automatiikassa ei ole juurikaan merkitystä. Käytännön releratkaisuissa on päädytty jälkimmäiseen toteutustapaan.

Tämä menetelmä sopii hyvin tilanteisiin, missä suojauksen toiminta-ajat ovat vakio- aikaisia. Menetelmää voi käyttää käänteisaikaisten suojareletoimintojen kanssa vain,

mikäli jälleenkytkentä saa käynnistystietoina sekä suojareleen havahtumis-, että laukaisutiedon. Muuten vaarana on, että suojarele laukaiseekin jo ennen havahtumisesta käynnistykselle asetettua viivettä, eikä JK-automatiikka tunnista tilannetta oikein.

Menetelmä on hyvin yleinen Suomessa ja monissa itä-euroopan maissa. Voidaan sanoa, että muualla päin maailmaa tämä menetelmä on kutakuinkin täysin tuntematon.

4.3 Nopea lopullinen laukaisu

Kahdessa edellä esitetyssä menetelmässä on vielä se epäoptimaalinen tekijä, että

viimeisen jälleenkytkentäyrityksen jälkeen, kun katkaisija pitää vielä kerran laukaista (ns. lopullinen laukaisu) on JK-automatiikka jo poissa pelistä ja joudutaan odottamaan suojan toimintahidastusta. Samalla kuitenkin tiedetään, että vika on erittäin toden

näköisesti pysyvä eikä odottamisesta ole enää mitään hyötyä. Parasta siis olisi vain todeta, onko tilanne näin (eli onko vika pysyvä) ja ohjata katkaisija välittömästi auki.

Ensin esitellyssä menetelmässä (JK:n käynnistys laukaisusta) ei ole mitään käytössä olevaa ratkaisua esitettyyn optimointi-ongelmaan, ellei sitten nopean portaan lukitussignaalia pystytä muuttamaan sellaiseksi, että se palautuu jo viimeisen JK:n aikana.

Sitävastoin kotimaisiin JK-releisiin on kehitetty erityinen nopean lopullisen laukaisun

toiminto (fast trip to lockout). Vaikka jälleenkytkennät lukitaankin viimeisen JK- yrityksen jälkeen, kykenee JK-automatiikka vielä tekemään havahtumissignaaliin perustuvan laukaisun (kuva 32).

Katkaisijan

asento Vian syntyhetki Kiinni.

Auki

Nopea laukaisu У

2-JK O !

--- ► Aika

Kuva 32. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, viimeisen laukaisun aika on myös lyhyt.

Tämä menetelmä tuli käyttöön ensimmäisen kerran 1990-luvun alussa. Sitä ei kuitenkaan käytetä joka paikassa. Syynä tähän todennäköisesti on vanhat tottumukset ja se, että samalla sähkölaitoksella on käytössä eri aikakauden releitä. Kun kaikissa ei ole

In document The Development of an automatic reclosing function for protection relays in distribution and transmission power networks (sivua 36-0)