Vikaindikointi

Keskijänniteverkon vianindikoinnilla pyritään nopeuttamaan vianpaikannusta. Via-nilmaisimien päätehtävä on täydentää johtolähdön relesuojausta eikä korvata sitä [33]. Vikaindikaattoreilla mitataan jännitettä sekä virtaa ja ne sijoitetaan verkkoon strategisesti niin, että niiden perusteella FLIR-algoritmia voidaan tehostaa vikapai-kan löytymistä. Vian sattuessa johtolähdön alussa mitattua vikavirtaa verrataan vikaindikaattoreiden mittaamiin arvoihin, joiden perusteella voidaan tehokkaasti rajata mahdollisia vikapaikkoja. Käytännössä FLIR-algoritmi pystyy päättelemään, onko vikavirta kulkenut tarkasteltavan ilmaisimen lävitse. Mikäli vianilmaisimella mitatut virrat ovat normaalin käyttötilanteen suuruisia, vikareitti kulkee jotain muu-ta kautmuu-ta verkossa. Keskijänniteverkon yleisimpiä vikoja on oikosulut ja maasulut.

Oikosulussa vaiheet ovat galvaanisesti yhdessä ilman maakosketusta, ja maasulussa vikavirta kulkee ainakin osittain tai kokonaan maan kautta [51]. Kuvassa 7 näkyy Nurmijärven Sähköverkko Oy:n jakelualueella vuonna 2019 tapahtuneet viat jaet-tuna kategorioihin. Kuvasta voidaan todeta, että oikosulut ja maasulut ovat yhtä yleisiä. Oiko- ja maasulut voidaan jakaa niiden luonteen mukaan symmetrisiksi- ja epäsymmetrisiksi vioiksi.

Kuva 7: Nurmijärven Sähköverkko Oy:n KJ-jakeluverkon pysyvät viat vuonna 2019.

Symmetriset viat näkyvät kaikissa vaiheissa samalla tavalla ja ne ovat yleises-ti helposyleises-ti havaittavissa ylivirran perusteella. Tällaisia vikoja ovat kolmivaiheinen oikosulku sekä kolmivaiheinen maasulku. Ongelmalliset viat eli epäsymmetriset viat ovat kuitenkin yleisempiä keskijänniteverkolle. Näihin vikoihin kuuluu yksi- ja kaksivaiheinen maasulku sekä kaksivaiheinen oikosulku. Epäsymmetrisissä vioissa vaihejännitteiden suuruudet, vaihekulmat ja sekvenssi saattaa poiketa toisistaan.

Analysoinnin helpottamiseksi käytetään symmetrisiä komponentteja eli mitatut jän-nitevektorit jaetaan symmetrisiin komponentteihin. Symmetrisien komponenttien avulla epäsymmetrinen järjestelmä voidaan kuvata symmetrisenä järjestelmänä kol-men komponentin avulla. Symmetristen komponentit ovat myötä- (positive), vasta-(negative) ja nollajärjestelmä (zero-sequence). Kuvassa 8 näkyy tasapainossa olevan järjestelmän vektorikaavio eli symmetrinen järjestelmä. Kaaviosta nähdään, että jokaisen vaiheen välinen kulma on 120^◦ ja jännitevektorien pituudet ovat yhtä suuret,

keskijänniteverkon tapauksessa tehollinen vaihejännite U_an = 11,547 kV. Kuvassa 9 on kuvattu samaa epäsymmetristä järjestelmää, jossa yksi vaihe, U_cn, täydelli-sessä maasulussa eli vikaresistanssi on nolla. Tämä tarkoittaa sitä, että maan ja nollapisteen välinen jännite, n’, nousee nollasta nimelliseen vaihejännitteeseen. Vas-taavasti terveiden vaiheiden jännitteet nousevat pääjännitteen suuruisiksi (20 kV).

Epäsymmetrisiä maasulkuja tarkastellessa hyödynnetään symmetristen komponent-tien nollajärjestelmää. Maasulun tapauksessa virtojen epäsymmetria kasvaa sekä nollapisteen jännite kohoaa (U₀). Maasulun mittaamiseen hyödynnetään nollavirtaa I₀ ja nollajännitettä U₀. I₀ lasketaan summaamalla kaikkien vaiheiden virtavektorit yhteen eliI₀ =I_a+I_b+I_c. Nollavirran suuruuden eli nollavektorin itseisarvon perus-teella voidaan määrittää vikaraja, jolla voidaan indikoida mahdollinen maasulkuvika.

Mikäli vian suuntaa halutaan indikoida vianilmaisimesta nähden, tulee mitata myös nollajännitettä sekä nollavirran ja -jännitteen välistä kulmaaϕ₀. [10]

Kuva 8: Symmetrinen kolmivaiheinen järjestelmä [52].

Kuva 9: Epäsymmetrinen kolmivaihei-nen järjestelmä: yksi vaihe täydellises-sä maasulussa. Muokattu: [52].

Vikaindikaattorin toimintaa kuitenkin vaikeuttaa se, mikäli keskijänniteverkkoa voidaan käyttää sammutettuna eli maasulkuvirtaa kompensoidaan. Kompensoinnin avulla kosketusjännitteet ja askeljännitteet pyritään pitämään pieninä vikapaikan läheisyydessä, mikä johtuu huonoista maadoitusolosuhteista. Tämä pienentää maasul-kuvirtaa, joten sitä on vaikeampi havaita yksinkertaisilla vikaindikaattoreilla. Kom-pensoinnin ansiosta maasulusta aiheutunut valokaari sammuu todennäköisemmin itsestään kuin tapauksessa, jossa maasulkuvirran suuruutta ei pienennetä. Epäsym-metrinen maasulku vaikuttaa myös terveisiin vaiheisiin. Koska keskijänniteverkossa tähtipistettä ei yleensä maadoiteta, sen jännite voi muuttua oleellisesti. Pahimmassa tapauksessa nollapisteen jännitteen muuttuminen johtaa siihen, että terveiden vaihei-den jännitteet lähestyvät pääjännitettä eli vaiheivaihei-den välistä jännitettä, joka saattaa johtaa laitteiden rikkoutumiseen. Kuvassa 9 esitelty vika vastaa edellä mainittua tilannetta. [51] [53] [10]

Tarkin vikavirtamittaus voidaan toteuttaa mittamuuntajilla. Mittamuuntajien toiminta perustuu keskijänniteverkon suureiden muuntamiseen pienempään tasoon, jotta suureen arvo olisi helpommin mitattavissa. Toinen tehtävä on suojella mittalai-tetta galvaanisesti erotetulla piirillä eli muuttuva magneettivuo ohjataan rautasydä-mellä mittakelan lävitse. Tällaisissa tapauksissa käytetään virta- ja jännitemuuntajaa.

Virta- ja jännitemuuntajan erona on se, että virtamittauksessa toisiokäämi on lähes oikosulussa ja jännitemuuntaja toisiokäämi on lähes tyhjäkäynnillä. Virtamuuntajien ensiö- ja toisiokäämien kierrosmäärien suhteella voidaan säätää haluttu mittausa-lue sopivaksi mittalaitteelle, jonka avulla voidaan käyttää standardoituja laitteita.

Mittamuuntajissa on myös usein väliottomahdollisuuksia, jotta mitta-alueen voi va-lita kytkemällä sen eri tavalla. Mittamuuntajan valinnassa tulee ottaa huomioon muuntajan rautasydämen magneettinen saturoituminen korkeilla kuormituksilla, sillä saturaatio vääristää mittaustuloksia. Ennen mittamuuntajan käyttöönottoa tulee ottaa huomioon muuntajan virta- ja vaihevirhe, jotka voidaan analysoinnissa korjata tarkemman mittaustuloksen saavuttamiseksi. [23]

Edullisempi mittausvaihtoehto mittamuuntajille on toteuttaa virranmittaus an-tureilla esimerkiksi Rogowski-keloilla. Kelan periaatteellinen rakenne on esitetty kuvassa10. Rogowski-kela koostuu toroidin muotoisesta kierretystä johtimesta. Ke-lan toiminta perustuu sähkövirran luomaan magneettikenttään. Amperén lain mu-kaan suljetun silmukan lävitse kulkema virta on yhtä suuri kuin magneettivuon tiheyden polkuintegraali. Kun tähän yhdistetään Faradayn laki saadaan johdettua jännitteen kaava Rogowski-kelalle. Rogowski-kelaan indusoitu jännite voidaan mi-tata mittalaitteilla, kunhan tiedetään kaikki kelan tiedot mahdollisimman tarkasti.

Rogowski-kelat ovat tyypillisesti rakenteeltaan halkaistavia, jonka avulla kelat voi-daan asentaa johdon päälle ilman kaapelipäätteen avaamista. Niissä ei myöskään ole rautasydäntä, joka voisi saturoitua eli mittaukset pystytään toteuttamaan laajalla alueella. Kun Rogowski-kelaa verrataan virtamuuntajaan niin, kelalla on huonom-pi herkkyys kuin virtamuuntajalla, mutta kustannukset ovat selvästi alhaisemmat.

Lisäksi Rogowski-kelloilla toteutettu virtamittauksien tarkkuudet ovat hyvin riippu-vaisia kalibrointikertoimista. Myös tilantarve on mittamuuntajiin verrattuna pieni.

Kuvassa11 näkyy Rogowski-kelat asennettuna puistomuuntamon erotinkennoon. [36]

[54]

Kuva 10: Rogowski-kelan periaatteelli-nen rakenne. [55]

Kuva 11: Rogowski-kelat asennettuna puistomuuntamon kennoon.

Rogowski-keloja käytetään tyypillisesti kaapeliverkossa, mutta anturitekniikkaa voidaan hyödyntää myös ilmajohtoverkossa. Tšekkiläisen IVEP:n valmistamassa via-nindikointikokonaisuudessa virta- sekä jännittemittaus suoritetaan yhdistelmäantu-rilla. Kuvassa12näkyy pylväserotin, jonka yhteydessä on virta- ja jännitemittaukset.

Mittatiedot välitetään Techsys Storm-03 vianindikointijärjestelmään pylvään alao-saan sijoitettuun laitekaappiin. Kuvassa13 näkyy esimerkki kyseisestä laitekaapista.

[56]

Kuva 12: IVEP:n kuormaerotin sekä KPG Intran jännite- ja virtasensorit.

Kuva 13: Kaukokäyttöerottimen ala-kaappi Techsys Storm-03 vianilmaisi-nyksiköllä.

Mittaukset voidaan toteuttaa myös kauempaa sähkö- ja magneettikentän avulla.

Tällaisia mittauksia voidaan tehdä ilmajohtoverkossa, jossa ilmaisin voidaan asentaa

pylvääseen ilmalinjan alapuolelle. Toiminta perustuu siihen, että normaalitilanteessa ilmalinjan eri vaiheiden sähkö- ja magneettikentät kumoavat toisensa. Kun verkkoon tulee vika, virran transientti eli nopea muutos virrassa aiheuttaa nopean muutoksen magneettikenttään, joka voidaan havaita ilmaisimella. Ilmaisimessa on keloja, joi-hin transientti indusoi sähkömotorisen voiman eli jännitteen. Esimerkki tuotteena mainitaan Nortroll:in valmistama LineTroll 3500, joka näkyy kuvassa14. Kyseinen vianilmaisin asennetaan ilmalinjan pylvääseen niin, että se on sähkölinjan alapuolella noin pylvään keskivaiheilla. Ilmaisin pystyy tunnistamaan vaiheiden väliset oikosulut sekä yksivaiheiset maasulut. Laitteelle asetetaan tietyt ehdot, jotka vian tulee täyttää, jotta vika ilmaistaan. Ilmaisin toimii itsenäisesti akun avulla, joka pitää ladata sen loppuessa. Sähkömagneettisen kentän mittaamisen huono puoli on se, että ympäristön aiheuttamat häiriöt saattavat laukaista ilmaisimen tai ainakin häiritä sen mittauksia.

Lisäksi edellä mainittu akkujen lataaminen lisää indikaattorin käyttökustannuksia huomattavasti, jos verkossa käytettäisi laajasti kyseisiä ilmaisimia. Pylväsasenteisten ilmaisimien lisäksi markkinoilla löytyy vaihtoehtoja, joissa ilmaisimet asennetaan roikkumaan ilmalinjan kaikkiin vaiheisiin. Kuvassa15 näkyy esimerkki laitteesta, joka asennetaan roikkumaan yhteen vaihejohtimeen. Kyseinen laite on Schneider Electric:in valmistama Flite 116 ilmalinjan vikailmaisin. Laitteita tarvitaan kol-me kappaletta per KJ-johtolähtö sekä G200-etävalvontayksikkö, johon kerätään ilmaisimilta saadut mittaukset. Laite lähettää mitatut tiedot eteenpäin SCADA-järjestelmälle. G200 hyödyntää matkapuhelinverkkoa SCADA-kommunikoinnissa.

Samankaltaisia vianilmaisimia on tarjolla markkinoilla pelkällä visuaalisella indikaat-torilla, mutta nykyaikaisten indikaattoreiden vaatimusten takia ne ovat jätetty pois tarkastelusta. [57]

Kuva 14: Ilmalinjan pylvääseen kiinni-tettävä Nortroll LineTroll 3500 vianil-maisin.

Kuva 15: Ilmalinjan johtimiin ripus-tettava vianilmaisin Schneider Electric Flite 116-SA. [57]

Taulukkoon5 on koottu markkinoilla olevien vianilmaisinkokonaisuuksien tekni-siä tietoja ja toimintaperiaatteita. Vertailtavat vianilmaisimet jakautuvat ilmalinjan vianilmaisimiin sekä puistomuuntamoihin asennettaviin vianilmaisimiin. Ilmalinjan

vianilmaisimet ovat Schneider Electricin Flite 116, Nortrollin LineTroll R400D se-kä, jo aiemmin mainittu, Techsys:n Storm-03 vianilmaisinyksikkö. Näistä kahden ensimmäisen mittaukset perustuvat magneettikentän muutoksiin. Techsys Storm-03 laitteisto hyödyntää sensoritekniikkaa mitaten vaihejännitettä sekä virtaa. Jäljellä olevat 2 vianilmaisinkokonaisuutta ovat tarkoitettu puistomuuntamotyyppiseen toteu-tukseen, jossa virranmittaus toteutetaan esimerkiksi Rogowski-keloilla. Netcontrollin FDM112:lle luvataan pienimmäksi havaittavaksi maasulkuvirraksi peräti 0,5 A kun ABB:n variaatiossa pienin havaittava maasulkuvirta on 4 A. Suurimmassa osassa markkinoilla olevissa vianilmaisinkokonaisuuksissa hyödynnetään nollajännitteen ja -virran mittaamista. Selvästi harvinaisemmat tavat mitata virtaa ovat virtamuuntajat ja magneettikentän muutokseen perustuvat mittaukset, johtuen joko investoinnin hinnasta tai mittaustarkkuuksista tai laitteiden integroitavuudesta osaksi nykyistä järjestelmää. Puistomuuntamoille asennettavat Netcon 100 ja ABB:n RIO600 tukevat mittamuuntajien hyödyntämistä sekä Rogowski-kelojen käyttöä. Vertailtavat laitteet vaativat jännitemittauksen toimintaansa pois lukien magneettikenttää hyödyntävät mittalaitteet. Tosin Flite 116 -ilmaisin tunnistaa, mikäli sähkölinja on jännitteetön.

Ilmaisimien toimintaperiaatteista ja mittauksien tarkkuuksista ja toimintaperiaatteis-ta on huonosti tietoa saatoimintaperiaatteis-tavilla verkossa, sillä valmistoimintaperiaatteis-tajat ymmärrettävästi haluavat suojella luomiaan teknologioita muilta markkinoilla olevilta kilpailijoilta. Tämän takia taulukosta puuttuu osa teknisistä tiedoista.

Taulukko 5: Markkinoilla saatavilla olevia vianilmaisimia ja niiden tietoja

Vianilmaisinkokonaisuus Pienin havaittava maasulkuvirta

Pienin havaittava

oikosulkuvirta Mittauksen

tarkkuus alueesta Jännitteenmittaus Virranmittaus NorTroll,

LineTroll R400D

[58] 2,5A 50A Ei saatavilla Ei Magneettikenttä

Schneider Electric,

Flite 116-SA 866 [57] Ei maasulun

tunnistusta 100A Ei saatavilla Ei, vain jännitteen

toteaminen Magneettikenttä Netcontrol,

Netcon 100: FDM112

[59], [47] 0,5A 10A Ei saatavilla Kyllä Rogowski tai

virtamuuntaja Techsys,

Storm-03 (IVEP)

[60], [56] 2,1A Ei saatavilla Laite:±0,5 %

Anturi:±2 % Kyllä Rogowski tai

virtamuuntaja ABB,RIO600: SIM4F

[50] 4A 50A 4-25A:±10 %

25-1000A:±1,5 % Kyllä Rogowski tai mittamuuntaja

Helen Sähköverkko Oy:n johtaja Osmo Siirto tutki väitöskirjassaan verkostoauto-maation ja itsekorjautuvan verkon vaikuttavuutta kaupunkimaiseen keskijänniteverk-koon. Siirron mukaan kustannustehokkain vianilmaisintekniikka saavutetaan, kun oikosulut ja vaikeat maasulkuviat pystytään ilmaisemaan pelkkien virtamittauksien kautta. Tällöin ei ole tarvetta investoida jännitteen mittaukseen. Jotta vianilmaisimis-ta saadaan hyöty, niiden tulee olla edullisia, vianilmaisimis-tarkkoja sekä jälkiasennetvianilmaisimis-tavissa ilman suurempia kustannuksia. Siirto tutki myös vianrajausautomaation implementoin-nin laajuutta elinkaarikustannusten näkökulmasta kaupunkimaisessa jakeluverkossa.

Tuloksista selviää, että automaatiota tulee keskittää alueille, jossa on suuret kes-keytyskustannukset eli esimerkiksi ydin keskustaan Helsingin tapauksessa. Lisäksi vianindikoinnin laajuus tulisi olla sillä tasolla, että kokeilukytkentöjä tehdään mah-dollisimman vähän, muuten FLIR-järjestelmän hyöty tuhoutuu kokeilukytkennöissä.

[53]