The Development of an automatic reclosing function for protection relays in distribution and transmission power networks

Veikko Lehesvuo

RELEEN JÄLLEENKYTKENTÄTOIMINTOJEN KEHITTÄMINEN SÄHKÖN JAKELU- JA

SIIRTOVERKKOJA VARTEN

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi- insinöörin tutkintoa varten Espoossa 10.5.2004

Työn valvoja Matti Lehtonen

Työn ohjaaja Kimmo Rauhaniemi

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Diplomityön tiivistelmä

Tekijä: Veikko Lehesvuo

Työn nimi: Releen jälleenkytkentätoimintojen kehittäminen sähkön jakelu- ja siirtoverkkoja varten

Päivämäärä: 10.5.2004 Sivumäärä: 99 + liitteitä 20 s.

Osasto: Sähkö-ja tietoliikennetekniikan osasto

Työn valvoja: Professori Matti Lehtonen Työn ohjaaja: Professori Kimmo Kauhaniemi

Nykyaikaiset sähköverkot ovat hyvin luotettavia. Luettavuuden jatkuvasta parantamisesta huolimatta erilaisia vikaantumisia ei kuitenkaan voida koskaan täysin estää tai ennakoida.

Vikojen havaitsemiseen käytetään suojareleitä. Releen tehtävänä on nopeasti ja varmatoimisesti erottaa viallinen osa verkkoa, ennenkuin vika ehtii laajeta tai synnyttää suurempia vaurioita.

Tiedetään, että valtaosa avojohtoverkon vioista on luonteeltaan ohimeneviä tai ne poistuvat itsestään lyhyen ajan kuluttua. Tällaiset viat vaativat vain hetkellistä vika-alueen verkon jännitteettömäksi tekemistä. Katkosajan minimoimiseksi syötön palautus tehdään automaat­

tisesti erillisellä jälleenkytkentäreleellä, tai suojareleen jälleenkytkentätoiminnolla.

Tässä opinnäytetyössä on tutkittu ja kehitetty suojareleen jälleenkytkentätoimintoja sähkön jakelu- ja siirtoverkkoja varten. Työssä on kehitetty uudentyyppisiä ratkaisuja jälleenkytkentä- toimintojen toteuttamiseksi nykyaikaisilla numeerisilla suojareleillä. Esitetyillä ratkaisuilla toteutettua jälleenkytkentätoimintoa voidaan käyttää sekä sähkön jakelu-, että siirtoverkoissa, kun perinteisesti kummallekin verkolle on ollut omat releensä. Lisäksi jälleenkytkentätoiminnot ovat esitettyjä ratkaisuja käyttämällä entistä monipuolisempia, joustavampia ja adaptiivisempia.

Aluksi kirjallisuuskatsauksessa on selvitetty jälleenkytkentöjen perusajatusta, syitä, hyötyjä ja haittoja. Edelleen on esitetty, millaisia erilaisia jälleenkytkentäsekvenssejä yleisesti käytetään ja miten suojareleiden ja jälleenkytkentöjen välinen koordinointi ratkaistaan. Tavoitteena on luoda hyvä ja vankka tietämys jälleenkytkennöistä.

Seuraavaksi on kyselytutkimuksen ja muiden tietojen pohjalta tutkittu millaisia jälleen- kytkentöjä, ja niihin liittyviä käytäntöjä eri maissa käytetään. Tämän jälkeen on tutkittu ja kehitetty uusia tapoja jälleenkytkentätoimintojen toteuttamiseksi. Näistä tärkeimpinä ovat käynnistykseen liittyvän logiikan ja ajastuksen kehittäminen, sekä jälleenkytkentäsekvenssin monipuolisuuden, joustavuuden ja adaptiivisuuden lisääminen. Adaptiivisuuden lisäämistä erilaisille olosuhteille kuten säätilalle on myös tarkasteltu.

Lopuksi on esitetty jälleenkytkentätoiminnan ominaisuusluettelo, mitä voidaan käyttää tarkistuslistana ja esisuunnitelmana suunniteltaessa suojareleen jälleenkytkentätoimintoja.

Avainsanat: Jälleenkytkennnät, suojareleet, sähkölaitosautomaatio

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Abstract of the master’s thesis

Author: Veikko Lehesvuo

Name of the thesis: The development of an automatic reclosing function for protection relays in distribution and transmission power networks.

Date: 10.5.2004 Number

of

Faculty: Department of Electrical and Communications Engineering

Supervisor: Professor Matti Lehtonen Instructor: Professor Kimmo Kauhanicmi

Modem electric power systems can deliver energy to users very reliably. However, in spite of attempts to maintain reliability, faults will and do occur. For detecting failures or abnormalities in the system, protection relays play an important role. The role of the protection relay is to quickly isolate the defective element before excessive damage or possible power system collapse occur. On the other hand, in an overhead line network, the majority of the line faults are transient by nature. These faults are automatically cleared by momentarily de-energising the power line. To minimise interruptions of power system service and to bring power back on-line quickly and effortlessly, automatic reclosing is needed.

In this thesis, a new type of automatic reclosing implementation and methods for a micro­

processor-based numerical protection relays has been developed. In comparison to the present solutions, the new design highly improves flexibility and is suitable for both distribution and transmission power networks, whereas most present solutions are dedicated for either network type.

First, in the theoretic part of the work, the basic concept and principles of automatic reclosing are investigated. The common need for automatic reclosing, advantages and drawbacks, and physical network phenomena affecting automatic reclosing are presented Furthermore, several existing automatic reclosing philosophies and methods for both distribution and transmission networks are investigated. The objective of this study was to provide a good and solid knowledge of automatic reclosing in general and in various power system networks. Next, with an Internet-based survey the existing automatic reclosing methods and practices in various countries is examined. The survey is supplemented with data from the literature etc. Next, a new design principles for automatic reclosing function is presented. The prime innovation is to organise reclosing shots in a form of a flexible and configurable matrix. The rows and columns in the matrix are initiation signals and sequence order steps, respectively. The matrix allows configuring individual automatic reclosing sequences for each type of a network fault. For example, earth-fault and overcurrent-fault can have one short and one long auto-reclosing shot, whereas a short-circuit fault will have one medium time shot only. Finally, for purpose of relay design the characteristics of modern automatic reclosing function is listed.

Keywords: Automatic reclosing, protection relays, network automation

ALKULAUSE

“Ei tämä uusi näkökanta ole ilmaiseksi tullut, monta yötä on aivo saanut jauhaa urakkatyötä ja aamulla on päätä huimannut.” sanoo nasevasti kirjailija Veikko Huovisen luoma ikivihreä “Havukka-ahon ajattelija”. Ja samoin on tässä työssä saanut aivo jauhaa. Ongelmista ehkä suurin on ollut ensin ajatuksellisesti päästä eroon totutuista tavoista ajatella jälleenkytkentöjä. Jotkin asiat ovat vaatineet lähes vuoden kypsyttelyä, ennenkuin aikaisemmin “mahdoton” onkin muuttunut mahdolliseksi.

Eräässä mielessä tämän työn juuret juontavat ajassa taaksepäin aina vuoteen 1993, jolloin ensimmäisen kerran osallistuin ABB:n uuden johdonsuojareleen jälleenkytkentä- toimintojen spesifiointiin ja hetkeä myöhemmin myös suunnitteluun ja testaukseen. Nyt oli jälleen kerran tullut aika miettiä ja suunnitella seuraavan sukupolven releisiin tulevaa jälleenkytkentätoimintaa.

Jälleenkytkentöihin liittyvä tieto tuntuu olevan kovin hajanaista ja pirstaleista, mistä yhtenä todistuksena on työn pitkä lähdeluettelo. Työn ensimmäisenä haasteena onkin ollut eri tiedon pirstaleiden sovittamineen yhteen ja mielekkääksi kokonaisuudeksi.

Haastavaa on myös ollut löytää keinoja ja uusia ajatuspolkuja tehdä asiat paremmin kuin ennen: siis kehittää jälleenkytkentätoimintoja. Yhtenä tämän työn epävirallisista tavoitteista oli dokumentoida vuosien varrella kokemuksen myötä “nahkakansiin”

karttunut tieto. Hyvä niin, mutta tämän työn kuluessa on “nahkakansissakin” oleva tieto paisunut ainakin toisen mokoman verran lisää.

Tämä diplomityö on tehty ABB Oy, Sähkönjakeluautomaatio -yksikössä opinnäytetyöksi TKK:n Sähkö- ja tietoliikenneosastolle. Työn valvojana on toiminut professori Matti Lehtonen ja ohjaajana professori Kimmo Kauhaniemi, joita lämpimästi kiitän. Kiitokseni hyvästä yhteistyöstä ja monista antoisista hetkistä haluan välittää

erityisesti opiskelukavereilleni, jotka koko koulutuksen ajan ovat omalla

Vaasassa 10.5.2004

Veikko Lehesvuo

SISÄLLYSLUETTELO

TIIVISTELMÄ i

ABSTRACT ii

ALKULAUSE iii

SISÄLLYSLUETTELO iv

KUVAT 1

TAULUKOT 4

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET 5

1. JOHDANTO 7

2. PERUSTEET JA KÄSITTEET 9

2.1 Jälleenkytkentään liittyvät käsitteet 11

2.2 Verkkoon liittyvät käsitteet 13

2.3 Automaattiset kytkentälaitteet 14

2.4 Suojareleisiin liittyvät käsitteet 17

2.5 Katkaisijaan liittyvät käsitteet 18

3. JÄLLEENKYTKENNÄT SÄHKÖVERKOSSA 20

3.1 Jälleenkytkennän edut ja haitat 21

3.1.1 Moottorit 22

3.1.2 Voimantuotantogeneraattorit 23

3.1.3 Tehomuuntajat 24

3.1.4 Kaapelit 24

3.2 Jälleenkytkentäsekvenssi 24

3.3 Jälleenkytkennät jakelu-ja siirtoverkoissa 26

3.4 De-ionisoitumisaika 27

3.5 Yksinapainen jälleenkytkentä 29

3.5.1 Yksinapainen jälleenkytkennän edut ja haitat 30

3.5.2 Kaksinapaiset viat 32

3.5.3 Siirtolinjan pituus 32

3.5.4 Hybridi-skeema 33

3.5.5 Jännitteet yksinapaisessa operaatiossa 33

3.5.6 Virrat yksinapaisessa operaatiossa 35

3.6 Jälleenkytkentöjen määrä 35

3.7 Jälleenkytkentöjen määrän vähentäminen 36

3.7.1 Epäonnistuneiden jälleenkytkentöjen määrän vähentäminen 37 3.7.2 Kolminapainen laukaisu, vaihe kerrallaan kiinniohjaus 38

3.7.3 Testikatkaisijan käyttö 41

3.8 Tahdissaolon valvonta 41

3.9 Jälleenkytkennät eri kiskojärjestelmissä 42

3.10 Kahdennettu suojaus 44

4. JÄLLEENKYTKENTÄSEKVENSSIN OPTIMOINTI 45 4.1 JK.:n käynnistys laukaisusta, nopean portaan lukitus 46

4.2 JK:n käynnistys havahtumisesta 47

4.3 Nopea lopullinen laukaisu 48

4.4 Vikatyypin vaikutus JK-sekvenssiin 49

4.4.1 Oikosulkuviat 50

4.4.2 JK-sekvenssin lyhentäminen vikavirran suuruuden perusteella 50

4.4.3 Herkkä maasulkusuojaus 51

4.4.4 Hälyttävä maasulkusuojaus 52

5. SUOJAUSKOORDINAATIO 53

5.1 Sulakkeen säästö-metodi 53

5.2 Verkon automaattinen jakaminen osiin 54

5.3 Pumppauksen esto 55

5.3.1 Pumppauksen estoautomatiikka 56

5.3.2 Lukituksen katkaisu 57

5.4 Koordinointi-automatiikat 57

5.5 Jälleenkytkentä johdon kummassakin päässä 59

5.6 Siirtolinjan distanssisuojaus ja jälleenkytkennät 60

5.6.1 Nopean portaan yliulottaminen 60

5.6.2 Laukaisusignaali kommunikaatiokanavaa pitkin 62

6. ERITYISKYSYMYKSIÄ JA ERILAISIA TOTEUTUSTAPOJA 63

6.1 Jälleenkytkennän toiminta-ajoista 63

6.1.1 Jälleenkytkennän aika 63

6.1.2 Palautumisaika 64

6.2 Jälleenkytkennän esto alijännitteestä 65

6.3 Yksinapaiset jälleenkytkennät 66

6.4 Jälleenkytkentäohjelmat siirtoverkossa 66

6.5 Rekisteröintitoiminnot 68

6.6 Katkaisijan pumppaamisen estäminen 68

6.7 Kiinniohjaus käsin 69

6.8 JK:n onnistumisen tai epäonnistumisen määrittely 69

7. TUTKIMUSONGELMAT JA TUTK1MUSTRATEG1A 70

8. ERI MAISSA KÄYTETTÄVIÄ JÄLLEENKYTKENTÄTAPOJA 72

8.1 Suomi- jakeluverkko 73

8.2 Suomen kantaverkko, Fingrid Oyj 74

8.3 Kanada ja Tunisia-jakeluverkko 74

8.4 USA-jakeluverkko 75

8.5 Australia - jakeluverkko 75

8.6 Etelä-Afrikka 76

9. JÄLLEENKYTKENTÄTOIM1NTOJEN KEHITTÄMINEN 77

9.1 Jälleenkytkennän käynnistyslogiikan parantaminen 77

9.1.1 Nykyisten tapojen haitat 78

9.1.2 Uudenlainen JK:n käynnistyslogiikka 79

9.1.3 Uuden logiikan toiminta ja edut 80 9.2 JK-sekvenssin joustavuuden ja adaptiivisuuden lisääminen, matriisimalli 84

9.2.1 Nykyiset tavat 84

9.2.2 Uudenlainen sekvenssin muodostusmalli 85

9.2.3 Sekvenssin ohjaaminen, toiminto-osoitin 87

9.2.4 Matriisi-ajattelun etuja ja haittoja 88

9.3 Jälleenkytkentäajan adaptiivisuuden lisääminen 89 9.4 Olosuhteisiin perustuvan adaptiivisuuden lisääminen 91

9.4.1 Säätila 91

9.4.2 Palautumisaika 91

9.4.3 Toimintafilosofian valitseminen ajanhetken perusteella 92

9.4.4 Agenttien käyttö 93

9.5 Rekisteröintien kehittäminen 94

9.6 Jälleenkytkentäreleen ominaisuusluettelo 94

10. YHTEENVETO JA LOPPUSANAT 95

KUVAT

Kuva 1. Jälleenkytkentäsekvenssin etenemisen systeemikaavio... 10

Kuva 2. Kolme erilaista jälleenkytkentäsekvenssiä: a) ensimmäinen JK onnistuu, b) vasta toinen JK onnistuu, ja c) molemmat JK:t epäonnistuu... 10

Kuva 3. Täydennetty systeemikaavio... 11

Kuva 4. Katkaisijan auki-ja kiinniohjautuminen... 13

Kuva 5. Esimerkki section,aliser-laitteiden käytöstä johtolähdöllä... 15

Kuva 6. Sectionalizer-laitteen toiminta (erottimen ohjaus) jälleenkytkentäsekvenssissä. ... 16

Kuva 7. Pylvääseen asennettavia moderneja jälleenkytkentälaitteita ja ohjauskaappi (Nu-Lec Industries 2000)... 17

Kuva 8. Suojareleportaan (ylivirta) yksinkertaistettu esitys...17

Kuva 9. Ylivirtareleen toiminta-karakteristikoita... 18

Kuva 10. Katkaisijan koskettimet: 1 on pääkoskettimet, 2 ja 3 asentotiedon apukoskettimet ja 4 kiinniohjaustilan valmiutta osoittava kosketin (jousi virittynyt)... 19

Kuva 11. Jälleenkytkennän palautumisajan vaikutus: a) seuraava laukaisu tulee ennen palautumisajan umpeutumista, ja sekvenssi jatkuu eteenpäin, b) toinen laukaisu tulee vasta palautumisajan umpeuduttua jolloin sekvenssi alkaakin uudelleen alusta... 26

Kuva 12. Vikojen prosentuaalinen osuus siirtoverkon eri jännitetasoilla: HV-jännitettä ei ilmoitettu, EHV=500kV (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992)... 27

Kuva 13. Eri lähteiden antamia arvoja de-ionisoitumisajoille ja jännitteettömälle väliajalle...28

Kuva 14. Vaihekatkoksessa syntyvä ylijännite Y/D muuntajan navassa kuormituksen funktiona (DeCasero et al. 1993)... 29

Kuva 15. Jännite Y/D muuntajan navassa ennen ja jälkeen vaihekatkoksen (DeCasero et ai. 1993)... 30

Kuva 16. Hybridi -skeeman toimintajärjestys (Ahn, Kim, Aggarwal & Johns 2001).. 33

Kuva 17. Pääjännitteet Dy-muuntajan takana yksivaiheviassa...34

Kuva 18. Esimerkki jälleenkytkentöjen onnistumistodennäköisyyksistä (Elmore 1994, 334)... 36

Kuva 19. Jännitemittauksen periaatekaavio (El-Serafi & Faried 1994)... 38

Kuva 20. Jännitteiden indusoituminen eri tilanteissa (El-Serafi & Faried 1994)... 39

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

Serafi & Faried 1994)... 40

Kuva 22. Tahdissaolon valvonta lupaohjauksessa, CM= JK-automatiikka (ABB Substation Automation 1998)... 42

Kuva 23. Tahdissaolon valvonta käskyohjauksessa, CM= JK-automatiikka (ABB Substation Automation 1998)... 42

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

VA -

Kuva 25. Yksinkertainen logiikka aktiivisen (kiinniohjattavan) katkaisijan valintaan. 43 Kuva 26. Logiikka, missä katkaisija Q1 on priorisoitu...44

Kuva 27. Yksiportainen ylivirtasuojaus ja jälleenkytkentäautomatiikka... 45

Kuva 28. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, jokaisen laukaisun toimintahidastus on sama. ... 45

Kuva 29. Kaksiportainen ylivirtasuojaus ja jälleenkytkentäautomatiikka... 46

Kuva 30. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, ensimmäinen laukaisuaika on lyhyt... 47

Kuva 31. Havahtumissignaalin käyttäminen jälleenkytkennän käynnistykseen... 47

Kuva 32. JK-sekvenssin aika-tilakaavio, viimeisen laukaisun aika on myös lyhyt...49

Kuva 33. Diskriminointiajan käyttöesimerkki... 51

Kuva 34. Avojohtoverkon suojaus sulakkeilla ja sähköaseman releistyksellä... 53

Kuva 35. Esimerkki kahden portaan ylivirtasuojauksen ja sulakkeen toiminta-ajoista. 56 Kuva 36. Kaksi peräkkäistä suojausta samalla johtolähdöllä (ABB Inc 2002, 13-14.) 57 Kuva 37. Esimerkki koordinointiportaan virta-asettelusta... 58

Kuva 38. Master-slave menetelmä siirtojohdon jälleenkytkennöissä... 59

Kuva 39. Distanssisuojan ajoituskaavio: a) osa siirtoverkkoa b) yliulottuman poisto c) ulottuman pidennys. (Ungrad, Winkler & Wiszniewski, 151)... 62

Kuva 40. Yleisimmät USA:n line-recloser ja sähköasemakatkaisijan JK-sekvenssit sekvenssit (Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 60)... 75

Kuva 41. Miellekartta jälleenkytkentöjen eri käynnistystavoista...78

Kuva 42. Käynnistyslogiikka suojausportainen ja JK:n välissä...79

Kuva 43. Käynnistyslogiikan yksittäinen kanava...80

Kuva 44. Käynnistyslogiikan kanavan käyttö yksittäisen suojausportaan kanssa... 80

Kuva 45. Kanavan käyttö kaksiportaisen suojauksen kanssa... 82

Kuva 46. Miellekartta uudesta JK:n käynnistysperiaatteesta...83

Kuva 47. Yksinkertainen kolmen JK:n sekvenssi... 84

Kuva 48. Kolmen JK:n sekvenssi, jossa PJK:lle kaksi vaihtoehtoa... 84

Kuva 49. Matriisimalli...86

Kuva 50. Esimerkkikonfiguraatio: kolme (erimittaista) PJK:ää ja yksi yhteinen AJK. 86 Kuva 51. Toiminta-osoitin... 87 Kuva 52. Esimerkki uudenlaisesta tavasta käyttää diskriminointiaikaa... 92

TAULUKOT

Taulukko 1. Hyväksyttävät linjapituudet (Ziegler & Gerhard 1999, 54). 32 Taulukko 2. Jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan pituuden adaptiivinen säätö. 90

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET

AJK Aikajälleenkytkentä

AND Looginen JA-operaatio

ANSI Amerikkalainen standardointijärjestö

CM Katkaisijan ohjausyksikkö, esimerkiksi jälleenkytkentärele

D Kolmiokytkentä

Dy Kolmio-tähtikytketty muuntaja

DAR Aikajälleenkytkentä (Delayed auto-reclosing) DC Tasasähkö (Direct Current)

EHV Jännite, joka on välillä 360 kV .. 750 kV (Extra High Voltage) HSAR, HSR Pikajälleenkytkentä (High-Speed Auto-Reclosing)

HV Jännite, joka on välillä 45 kV .. 220 kV (High voltage) I>, 1» Suojareleen ylivirtaporras, tai portaan havahtumisarvo

I Virta

•arc Valokaaren virta

l.D.M.T. Käänteisaikahidasteinen (Inverse Definite Minimum Time) suojarele IEC International Electrotechnical Commission. Standardointijärjestö IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., Amerikkalainen

sähköinsinööri- ja standardointijärjestö

JK Jälleenkytkentä

MV Keskijännite (1 kV .. 45 kV, Medium Voltage)

OR Looginen TAI-operaatio

PAS Päällystetty avojohto

PJ к

Q1,Q2 RS SC SEF SFS SOTF SPAR t toi, tr Atr U

UA, Ub, Uc

U, UPS Y

Yli, Yl2, Ylo

Y/D

Pikajälleenkytkentä Katkaisija

Looginen muistipiiri, kaksivakaa kiikku (Reset-Set -flip-flop) Tahdissaolon valvontarele

Sensitive Earth-Fault protection, herkkä maasulkusuojaus Suomen Standardoimisliitto SFS ry.

Katkaisijan kiinniohjaus vikaa vastaan (Switch On To Fault) Yksinapainen jälleenkytkentä (Single Pole Auto-Reclosing)

Aika (sekunteina, ellei toisin mainittu), suoj are leen toimintahidastus Jälleenkytkennän jännitteetön väliaika

Yksinapaisten kiinniohjausten välinen aika Jännite, pääjännite ellei toisin mainittu Pääjännitteet

Indusoitunut jännite

Katkoton sähkönsyöttöjärjestelmä Tähtikytkentä

Myötä-, vasta-ja nolla-admittanssi Tähti-kolmiokytketty muuntaja Zu, Zl2, Zlo Myötä-, vasta- ja nollaimpedanssi

1. JOHDANTO

Sähkön siirto- ja jakeluverkoissa esiintyy erilaisia vikatilanteita, vaikkakin verkkojen luotettavuutta jatkuvasti pyritään parantamaan. Vioista aiheutuu häiriöitä, ja jos niille ei tehdä mitään myös vaurioita sekä itse vikakohteessa, että myös muussa osassa verkkoa.

Suojausjäijestelmillä, joista suojareleet muodostavat tärkeän osan pyritään eri vikatilanteet tunnistamaan mahdollisimman aikaisessa vaiheessa ja erottamaan vikaantunut osa verkkoa nopeasti ja luotettavasti.

Kokemuksesta kuitenkin tiedetään, että valtaosa avoj ohto verkon vioista niin sähkön jakelu- kuin siirtoverkoissa on ilmastollisten ja ympäristöntekijöiden aiheuttamia valokaarivikoja. Suurin osa näistä vioista on ohimeneviä, tai poistuvat itsestään, kun vikapaikka tehdään lyhyeksi hetkeksi virrattomaksi. Tällaisia vikoja ei siis tarvitse korjata, vaan sähkön syöttö voidaan palauttaa lyhyen hetken kuluttua suojareleen toiminnasta. Verkon palautus automaattisesti vikaa edeltävään tilaan tehdään jälleenkytkentäautomatiikalla, joka on yleensä toteutettu erillisellä jälleenkytkentä-

releellä tai itse suojareleeseen integroidulla jälleenkytkentäfunktiolla.

On sanottu, että erilaisia jälleenkytkentätapoja on lähes yhtä monia kuin käyttäjiäkin.

Vaikka jälleenkytkentä peruskäsitteenä on yksinkertainen, paljastuu asiaa syvemmin katsottaessa hyvin rikas erilaisia menetelmiä ja filosofioita sisältävä maailma. Tässä työssä tarkastellaan, ja käydään läpi yleisimpiä ja perustavaa laatua olevia jälleenkytkentäfilosofioita. Pääpaino on jakeluverkkojen jälleenkytkennöissä, mutta

työssä on tarkasteltu tilannetta myös siirtoverkoissa.

Työn lähtökohtana on tarve parantaa ja kehittää nykyisiä jälleenkytkentätoimintoja tulevaisuuden suojareleisiin. Lähtöajatuksena ja ratkaisua hakevana oletuksena on, että sähkön jakelu- ja siirtoverkoille suunnitellut (aluksi hyvinkin erilaisilta vaikuttavat) jälleenkytkentätoiminnot on yhdistettävissä yhteiseksi, molempiin verkkoihin

soveltuvaksi toiminnallisuudeksi.

Työn tarkoitus on siis kehittää nykyisten suojareleiden jälleenkytkentätoimintoja yleensä ja erityisesti siten, että samaa toiminnallisuutta voidaan käyttää niin sähkön jakelu-, kuin siirtoverkoissa. Käsi kädessä tämän työn kanssa, löydettyjä tietoja ja tehtyjä havaintoja hyödyntäen on kehitetty toimivaa uutta jälleenkytkentä-toimilohkoa seuraavan sukupolven suojareleissä käytettäväksi. Kyseinen kehitystyö on rajattu tämän työn ulkopuolelle, mutta kaikilla tärkeimmillä esitetyillä ajatuksilla on kuitenkin kehitystyön kautta jo vankka toteutunut todellisuus.

Tämän opinnäytetyön tarkoitus pyritään saavuttamaan kolmen tavoitteen kautta:

- Ensimmäisenä tavoitteena on yleiskuvan luominen jälleenkytkennöistä käsitteiden määrittelyn ja jälleenkytkentöjen perusteiden esittelyn kautta.

Tässä yhteydessä esitetään myös millaisia vaikutuksia sähköverkolle, ja sen eri komponenteille jälleenkytkennöillä on. Lukijalta edellytetään sähköverkkojen ja suojarelesuojauksen perusteiden ymmärtämistä.

- Toisena tavoitteena on luoda katsaus erilaisiin käytössä oleviin jälleenkytkentätapoihin ja -filosofioihin sekä toteutusratkaisuihin.

- Kolmantena tavoitteena on pohtia, voidaanko erilaisia toimintatapoja yhdistää ja miten jälleenkytkentätoimintoja voidaan nykyisestään kehittää.

Ensimmäinen ja suurelta osalta myös toinen tavoite voidaan esittää tutkimus­

kysymyksinä eli -ongelmina seuraavasti:

1. Mitkä ovat jälleenkytkennän peruskäsitteet ja -periaatteet, millaisissa tilanteissa jälleenkytkentöjä tehdään, mitkä ovat niiden vaikutukset sähköverkolle, verkon

komponenteille ja sähkö laatuun?

2. Millaisia erilaisia jälleenkytkentäsekvenssejä yleisesti käytetään, ja miten suojareleiden ja jälleenkytkentöjen välinen koordinointi ratkaistaan?

Näihin kysymyksiin pyritään vastaamaan kirjallisuuskatsauksen avulla, ja samalla pyritään itse jälleenkytkentä-toiminta kuvaamaan kokonaisuudessaan.

Vaikeinta tutkimusongelmien määrittelemisessä on se, että niiden pitäisi ohjata tutkimusta ja ajattelua, mutta ei liikaa. Määritteleminen on yleensä myös inkrementaalinen, muutoksessa oleva prosessi. (Åhman, Helena 2003, 141). Siksi tässä työssä, työn aikana tavoitteista lopulliseen asuunsa muotoutuvat jatkotutkimusongelmat onkin esitetty vasta kirjallisuuskatsauksen jälkeen.

2. PERUSTEET JA KÄSITTEET

Rakenteeltaan sähkön siirrossa ja jakelussa käytettävät johdot jaetaan ilmajohdoiksi ja kaapeleiksi, llmajohdot ripustetaan pylväiden varaan, ja niiden välisenä eristys­

materiaalina on ulkoilma. Kaapelit taas upotetaan maahan tai veteen. Avojohto on erikoisnimitys ilmajohdolle, jossa jokainen johdin on erikseen kiinnitetty eristimiin tai muihin kiinnikkeisiin. (Elovaara & Laiho 1988, 351.)

Sähköverkossa vikojen itsetoimivalla ja nopealla poistamisella on keskeinen merkitys sähkötoimituksen turvallisuudelle ja luotettavuudelle. Tässä tarkoituksessa siirto- ja jakeluverkot varustetaan suojausjärjestelmillä (suojareleillä), jotka ohjaavat lähinnä vikaa olevan katkaisijan auki. (Elovaara & Laiho 1988, 389.) Kokemuksesta kuitenkin tiedetään, että valtaosa avojohtoverkon vioista on luonteeltaan ohimeneviä ja että ne korjaantuvat itsestään tekemällä vikapaikka hetkeksi jännitteettömäksi.

Automaattisella jälleenkytkennällä (JK) tarkoitetaan toimenpidettä, missä (suojareleen tekemän katkaisijan laukaisun jälkeen) katkaisija ohjataan automaattisesti uudelleen kiinni asetellun ajan kuluttua. Primaaritavoite jälleenkytkentöjen käytössä on palauttaa verkko automaattisesti vikaa edeltäneeseen tilaan, toisin sanoen palauttaa sähkön syöttö.

Tämä onnistuu tietenkin vain, jos vika poistuu jälleenkytkennän aikana.

JK on luonteeltaan pitkälti yrityksen ja erehdyksen menetelmä, sillä katkaisijaa kiinni ohjattaessa ei yleensä tiedetä onko vika poistunut vai ei. Tehdään siis kiinniohjausyritys.

Jos vika on poistunut, on verkko saatu palautettua normaalitilaan ja tilanne normalisoitua. Mikäli vika ei ole poistunut seuraa kiinniohjausta uusi suojareletoiminta ja mahdollisesti toinen jälleenkytkentä. Toiminta jatkuu edellä kuvatulla tavalla, kunnes vika poistuu tai suurin sallittu määrä jälleenkytkentöjä tulee tehdyksi. Mikäli vika on pysyvä, ja kun kaikki jälleenkytkentäyritykset on käytetty suojarele laukaisee katkaisijan vielä kerran ja sekvenssi päättyy siihen. Kuva 1 esittää jälleenkytkentä- sekvenssin etenemisen systeem¡kaaviona.

Kuva 2 esittää puolestaan kolmen erilaisen JK-sekvenssin etenemistä katkaisijan aika- tilakaavioina. Ylimmässä kuvassa sähköverkossa oleva vika poistuu jo ensimmäisellä jälleenkytkentäyrityksellä, kun taas keskimmäisessä tehdään kaksi yritystä. Alimmassa kuvassa ei vika ole poistunut toisenkaan yrityksen jälkeen, ja koska tässä esimerkissä enempiä yrityksiä ei ole sallittu, jätetään katkaisija auki.

Verkon normaalitila Vika on

poistunut

Katkaisijan automaattinen kiinniohjaus (JK)

Suojareletoiminta (katkaisijan laukaisu)

Jälleenkytkentä käynnissä (vikapaikka virraton)

Ei jälleenkytkentää, katkaisija jää auki

Cuva 1. Jälleenkytkentäsekvenssin etenemisen systeemikaavio.

Katkaisijan asento

k a)

kTiin, Auki

i JK käynnissä

--- ► Aika

Katkaisijan asento

1 b)

Auki 1 JK käynnissä] | Toinen JK käynnissä

Aika

Katkaisijan asento

1 C)

Kiinni Auki

i JK kaynnissj™™i Toinen JK käynnissä i J "Lopullinen laukaisu”

—►

Aika

Kuva 2. Kolme erilaista jälleenkytkentäsekvenssiä: a) ensimmäinen JK onnistuu, b) vasta toinen JK onnistuu, ja c) molemmat JK:t epäonnistuu.

Silloin kun kaikki sekvenssiin ohjelmoidut jälleenkytkennät epäonnistuvat (tai jos jälleenkytkennät on otettu pois käytöstä) vaaditaan verkon palauttamiseksi käyttö­

henkilökunnan toimenpiteitä. Kuva 3 esittää tältä osin täydennettyä systeemikaaviota.

Joissain tilanteissa on epäonnistuneiden jälleenkytkentöjen jälkeen sallittua yrittää heti manuaalista kiinniohjausta. Yleensä pyritään kuitenkin ensin joko korjaamaan vika tai erottamaan se pois muusta verkosta (verkossa olevilla erottimilla). Käsin tehtävän (manuaalisen) kiinniohjauksen mahdollisesti epäonnistuessa (toisin sanoen vika ei ole poistunut) suojarele laukaisee katkaisijan. Tästä ei käynnistetä uutta jälleenkytkentää.

_ Katkaisijan kiinniohjaus Verkon

normaalitila

Vika on poistunut

— 1ikä ti ta — —.

Katkaisijan automaattinen

kiinniohjaus

Suojareletoiminta (katkaisijan laukaisu)

Vian paikallistaminen ja korjaus tai erotus

Jälleenkytkentä käynnissä

- e Ei jälleenkytkentää, _ katkaisija jää auki

Kuva 3. Täydennetty systeemikaavio.

2.1 Jälleen kytkentään liittyvät käsitteet

Jälleenkytkentään liittyvissä käsitteissä esiintyy eri puolilla maailmaa ja eri sovellusalueilla määrittelyeroja. Tässä työssä on käytetty pääsääntöisesti SFS-IEC 60050-448 standardin termejä.

Jälleenkytkentä, jälleen kytken täyritys (auto-reclosing) on toimenpide, missä katkaisija ohjataan automaattisesti uudelleen kiinni asetellun ajan kuluttua suojareleen (vian seurauksena) tekemästä katkaisijan aukiohjauksesta.

Jälleen kytken täsekvenssillä (auto-reclosing sequence) tarkoitetaan samasta verkon viasta tehtyjä peräkkäisiä toimenpiteitä. Tähän voi kuulua yksi, kaksi tai useampi jälleenkytkentäyritys, lopullinen laukaisuja hälytys.

Nopea laukaisu (fast trip) on lähinnä ulkomailla käytetty termi, millä viitataan ensimmäisen jälleenkytkennän käynnistävän suojarelelaukaisun nopeuteen. Toinen (ja mahdollisesti useammat) jälleenkytkennät käynnistetään sitten yleensä vasta pienen viiveen jälkeen.

Lopullinen laukaisu (final trip to lockout, definite trip). Mikäli verkon vika on pysyvä, lukkiutuu (lock-out) jälleenkytkentärele viimeisen jälleenkytkentäyrityksen jälkeen.

Suojarele havahtuu, ja katkaisijan ohjataan vielä kerran auki (joko suojareleen tai jälleenkytkentäreleen ohjaamana). Tätä viimeistä, pysyvää aukiohjausta nimitetään

lopulliseksi laukaisuksi.

Yksinapainen, yksivaiheinen jälleenkytkentä (single-pole, single-phase reclosing) on sellainen, missä ainoastaan yksi vaihe “osallistuu” jälleenkytkentään muiden vaiheiden pysyessä jatkuvasti kiinni ja käytössä (1EC 1995).

Kolminapainen, kolmivaiheinen jälleenkytkentä (three-pole, three-phase reclosing) on kyseessä silloin, kun vikatyypistä (esimerkiksi yksinapainen maasulkuvika) riippumatta jälleenkytkentä tehdään kolmivaiheisesti (1EC 1995).

Kertajälleenkytkennässä (single-shot reclosing) tehdään vain yksi jälleenkytkentä- yritys (IEC 1995).

Moninkertaisessa jälleenkytkennässä (multiple-shot reclosing) tehdään tarvittaessa kaksi, kolme tai useampia jälleenkytkentäkokeiluja, mikäli primaariverkon vika ei ole edellisten kokeilujen aikana vielä poistunut (IEC 1995).

Jälleenkytkennän aika (dead time, shot time, reclosing time) on aika katkaisijan aukiohjauksesta katkaisijan kiinniohjaukseen.

Jännitteetön aika, virraton aika (open time, dead time) on se aika, jolloin linja tai yksittäinen vaihe ei ole kytketty (kummastakaan suunnasta) jännitteiseksi.

Jännitteettömän ajan ja jälleenkytkennän ajan välinen ero muodostuu pääasiassa katkaisijan toimintanopeuksista (kuva 4) (IEC 1995).

<D

*3

G 3 :C0 33 CO CO >

CO JO

’o <D

E

СЛ

3 ‘5

CO <D

2?.o O

-23 :C0

< Он

3 3

3S

:cO

JO

*3

¿4

3Л 5*_о

с3 33

^53о

о

^5:-О Он

Сg 12g

>s

:с0

а>

£

<L>

О :с0:с0 Он

Katkaisijan toiminta

lili il

! 1 1 i h-f

Jännitteetön väliaika I

К--- н*

Jälleenkytkennän aika

1

Kuva 4. Katkaisijan auki-ja kiinniohjautuminen.

Jälleenkytkentää sanotaan pikajälleenkytkennäksi, PJ K (high-speed auto-reclosing, HSAR, HSR) kun jännitteetön aika on lyhyt: tyypillisesti 0,2-2 sekuntia.

Jälleenkytkentää sanotaan aikajälleenkytkennäksi, AJK (delayed auto-reclosing, DAR, low-speed auto-reclosing) kun jännitteetön aika on edellistä pidempi: tyypillisesti 10-180 sekuntia.

Jälleenkytkennän palautumisaika, toipumisaika, lukitusaika (reclaim time, reset time) on aika, jonka kuluttua katkaisijan edellisestä kiinniohjauksesta vian oletetaan poistuneen tai suojareleen toimineen uudelleen (IEC 1995). Lukitusaika voidaan käynnistää myös esimerkiksi silloin, kun jälleenkytkennät halutaan väliaikaisesti ottaa pois käytöstä.

2.2 Verkkoon liittyvät käsitteet

Pysyvä vika (permanent fault) vaatii korjaamista, eikä poistu itsestään. Vian voi synnyttää läpilyönti eristeessä, eristimen hajoaminen, johtimen hajoaminen tai vierasesineen pysyvä kosketus johtimeen.

Ohimenevä vika (transient fault, semitransient fault) ei vaadi korjaamista, vaan vika poistuu itsestään palamalla tai siirtymällä (vierasesine) sekä kytkemällä johto hetkeksi jännitteettömäksi. Ohimenevät viat voidaan jakaa kestoltaan lyhytaikaisiin (transient), jotka ovat usein ylijännitteiden synnyttämiä läpilyöntejä sekä hieman pitempikestoisiin (semitransient), joissa vika yleensä johtuu vierasesineen (eläin, puun oksa tms.) koskettamisesta linjaan. (GEC Measurements 1987.)

Kehittyvä vika (developing fault, evolving fault) on sellainen vika, joka alkaa yleensä yksivaiheisena maasulkuvikana ja muuttuu (kehittyy) kaksi tai kolmivaiheiseksi viaksi (oikosuluksi tai kaksoismaasuluksi) (1EC 1995). Kehittyminen tapahtuu yleensä lyhyehkössä ajassa.

Primaarinen valokaari (primary arc) on vikapaikassa johtimen ollessa jännitteellisenä palava valokaari (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992).

Sekundaarinen valokaari (secondary arc) on linjan jännitteettömäksi teon jälkeen vikapaikassa palava valokaari. Yksivaiheisessa jälleenkytkennässä tätä valokaarta ylläpitää viereisten, terveiden johtimien jännitteiden kapasitiivinen kytkeytyminen vialliseen vaihejohtimeen. (IEEE Power System Relaying Committee Working Group 1992.)

De-ionisoitumisaika on aika, joka vaaditaan että valokaaren ionisoima ilma ehtii hajota/de-ionisoitua niin, että valokaari ei syty uudestaan kun jännitteet kytketään takaisin (GEC Measurements 1987).

Palaava jännite (recovery voltage) on valokarikanavan yli esiintyvä jännite sen jälkeen, kun valokaari on sammunut (IEEE Power System Relaying Committee

Working Group 1992).

2.3 Automaattiset kytkentälaitteet

Tässä työssä on rajoituttu tarkastelemaan pelkästään sähköasemalla tehtäviä jälleen- kytkentöjä, mutta jakeluverkoissa käytetään myös muunlaisia automaattisia kytkentä­

laitteita.

Sähköasemalla tehtäviä automaattisia jälleenkytkentöjä varten tarvitaan katkaisija, suojareleistys ja jälleenkytkentäautomatiikka. Kun suojattavassa johtolähdössä

havaitaan vika, laukaistaan sähköasemalla lähdön katkaisija ja silloin koko johto-osuus kokee katkoksen. Katkosalueen pienentämiseksi on johdon varrella ja sen haarautumakohdissa erottimia tai katkaisijoita, joilla verkko voidaan jakaa osiin ja vika- alue rajata mahdollisimman pieneksi.

Erottimet

voivat olla käsikäyttöisiä, mutta silloin paikalle tarvitaan vikapartio

Erotin voi olla myös varustettu sellaisella automatiikalla, että se laskee vikavirran synnyttämiä virta- tai jännitepulsseja ja avautuu automaattisesti määrätyllä hetkellä (sähköaseman) jälleenkytkentäsekvenssiä. Tällaisesta erottimesta käytetään englannin kielessä nimitystä sectionaliser. (Lakervi & Holmes 1989, 137). Näitä laitteita ei käytetä Suomessa, mistä johtunee vakiintuneen suomenkielisen nimityksen puute.

Sectionaliser-laitteessa asetellaan vikapulssien tunnistusta varten ratkaisutaso ja jälleen­

kytkentäsekvenssiä varten pulssiluku.

Kuva 5 esittää tilannetta, missä vika syntyy johtohaaralla S2:n (sectionaliser) takana.

Sähköaseman suojaus havaitsee vian, ja jälleenkytkentäsekvenssi käynnistyy. Oletetaan että vika on pysyvä. Silloin jokainen JK-yritys saa aikaan uuden vikavirran synnyttämän pulssin. Kun ohjelmoitu määrä pulsseja on tunnistettu, erotin ohjautuu automaattisesti auki (jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan kuluessa) (kuva 6). Koska tämä toimen­

pide erottaa vian, tulee menossa oleva jälleenkytkentä onnistumaan, ja sen seurauksena vain viallinen johtohaara jää jännitteettömäksi muun verkon palautuessa.

Vikapaikka

Aseman jälleen- kytkentärele Sähköasema

MV-johto

Johtohaara

Kuva 5. Esimerkki section,aliser-laitteiden käytöstä johtolähdöllä.

Asento

Aseman katkaisija

Erotin

Vikapulssit

4 4 4

---►

Aika

Kuva 6. Sectionalizer-laitteen toiminta (erottimen ohjaus) jälleenkytkentäsekvenssissä.

Elovaara ja Laiho toteavat vuonna 1988 kiijohetussa kirjassaan, että Suomessa 20 kV säteittäisverkossa on alettu jonkin verran käyttää ns. taukoerottimia häiriöalueen minimoimiseksi (Elovaara & Laiho 1988, 404.) Tämä tekniikka ei kuitenkaan ole saanut jalansijaa, vaan on jäämässä/jäänyt pois käytöstä. Taukoerotin tunnistaa aseman jälleenkytkennät verkon jännitteestä mutta ei tiedä, missä vika sijaitsee. AJK:n aikana kaikki jännitekatkon kokevat erottimet ohjautuvat auki. Jälleenkytkentä onnistuu ja jännitteiden palautuessa taukoerottimet ohjautuvat yksitellen kiinni oman aika- asettelunsa perusteella. Kun erotin, minkä johto-osuudella vika on, ohjautuu kiinni aiheutuu tästä uusi jälleenkytkentäsekvenssi ja taas AJK:n aikana kaikki erottimet ohjautuvat auki. Nyt kuitenkin se erotin, joka tunnisti vian omakseen (ts. uusi jälleenkytkentä käynnistyi heti erottimen sulkeutumisen jälkeen) lukitaan. Muut erottimet ohjautuvat edellä kuvatulla sekvenssillä takaisin kiinni. (Elovaara & Laiho

1988,404.)

Scktionalizer-laitteiden ohella toinen, hyvin paljon käytetty ratkaisu (tosin ei pohjoismaissa) on pylvääseen asennettava automaattinen katkaisija/jälleenkytkentälaite (Pole Mounted Reelosers) (kuva 7). Alunperin nämä laitteet olivat hydraulisia ja verraten yksinkertaisia. Nykyiset laitteistot ovat jo elektronisia ja mikroprosessori­

pohjaisia.

Kuva 7. Pylvääseen asennettavia moderneja jälleenkytkentälaitteita ja ohjauskaappi (Nu-Lec Industries 2000).

2.4 Suojareleisiin liittyvät käsitteet

Moderneissa suojareleissä on samaan pakettiin integroitu useita suojausportaita. Tässä työssä nimityksiä suojarele ja suojausporras käytetään kuitenkin keskenään vaihto­

kelpoisina.

Kun suojareleen tarkkailema suure releen toimintatarkoituksessa ylittää (poikkeuksena alitoimintaiset releet) suojausportaalle asetellun toiminta-arvon, suojausporras havahtuu. Tyypillinen havahtumiseen tarvittava aika on 40 ms.

Suojareleen tai suojausportaan toiminta voi olla hetkellinen (instantaneous) eli viiveetön, jolloin katkaisijan laukaisukäsky annetaan suoraan portaan havahtumisesta.

Monissa tarkoituksissa halutaan laukaisua kuitenkin viivästää (kuva 8). Viive voi olla vakio-aikainen tai käänteisaikainen. Jälkimmäisellä tarkoitetaan sitä, että toiminta- hidastuksen kesto riippuu tarkkailtavan suureen sen hetkisestä amplitudista. Kuvassa 9 on esitetty ylivirtaportaan erityyppiset toimintakarakteristikat.

Havahtumiselin Aikapiiri

^ Havahtumissignaali

> Laukaisusignaali

Kuva 8. Suojareleportaan (ylivirta) yksinkertaistettu esitys.

Vakioaikaylivirtaporras

Käänteisaikaylivirtaporras

Hetkellinen ylivirtaporras

Vikavirran amplitudi

Kuva 9. Ylivirtareleen toiminta-karakteristikoita.

2.5 Katkaisijaan liittyvät käsitteet

Ennen perehtymistä jälleenkytkentään tarkemmin on syytä lyhyesti esitellä myös tyypillisen katkaisijan toimintaperiaatetta. Ohjausmekaniikat voidaan jakaa kolmeen ryhmään: hydrauliset, pneumaattiset ja jousiviriteiset. Tällä hetkellä jousiviriteinen menetelmä lienee suosituin, toimintavarmin ja vähiten huoltoa vaativin. Markkinoille on tulossa myös uusia ratkaisuja.

Katkaisijoilta vaaditaan muun muassa suurta toimintanopeutta (esimerkiksi 40-50 ms), minkä vuoksi toiminta perustuu ohjausmekanismiin ennalta varastoidun energian vapauttamiseen. Jousiviriteisissä katkaisijoissa on kaksi, normaalisti täydessä viritys- tilassa olevaa jousta:

- aukiohjausjousi, joka vapautettaessa kykenee avaamaan katkaisijan - edellistä voimakkaampi kiinniohjausjousi, joka vapautettaessa kykenee

sekä sulkemaan katkaisijan että täysin virittämään aukiohjausjousen.

Katkaisijan asentoa (auki tai kiinni) ohjataan kahdella ohjauskelalla (aukiohjauskela ja kiinniohjauskela). Katkaisijan asennon muuttamiseen riittää lyhyt (usein 100-200 ms) ohjauspulssi. Merkille pantavaa on se, että ohjauskelojen kanssa on aina sarjassa,

monesti katkaisijan sisäisenä kytkentänä, asentotiedon apukosketin. Apukoskettimen tehtävänä on katkaista ohjauspiiriltä jännite, kun katkaisija on vaihtanut asentoaan.

Kiinniohjauskelan kanssa sarjassa on yleensä myös katkaisijan valmiustilaa kertova yksi tai useampi apukosketin (kuva 10).

Kuva 10. Katkaisijan koskettimet: 1 on pääkoskettimet, 2 ja 3 asentotiedon

apukoskettimet ja 4 kiinniohjaustilan valmiutta osoittava kosketin (jousi virittynyt).

Katkaisijan perusperiaatteisiin kuuluu, että katkaisija kykenee koska tahansa suorittamaan aukiohjauksen. Jousiviriteisessä katkaisijassa tämä on toteutettu siten, että kiinniohjaus aina samalla virittää aukiohjausjousen. Jokaisen kiinniohjauksen jälkeen pitää kuitenkin kiinniohjausjousi virittää uudelleen, ja se tehdään viritysmoottorilla.

Tyypillinen jousen viritysaika on 5-15 sekuntia.

Mitä tällä sitten on tekemistä jälleenkytkentöjen kanssa? Normaalisti katkaisijan ollessa kiinni ovat sekä auki- että kiinniohjausjouset vireessä. Katkasijalla on valmius tehdä aukiohjaus, kiinniohjaus ja vielä kerran aukiohjaus (koska kiinniohjaus virittää uudelleen aukiohjausjousen). Tämä ainoastaan mahdollistaa hyvin nopean jälleen- kytkennän tekemisen. Seuraavaksi on viritettävä kiinniohjausjousi (moottorilla), joten toinen ja kolmas jälleenkytkentä eivät koskaan saa, eivätkä voi toimia ennenkuin jousi on ehditty virittää. Tämän asian varmistamiseksi katkaisijalta otetaan apukosketintieto

“jousi virittyy” estämään kiinniohjaus vajaaviriteisessä tilassa.

Katkaisijan apukoskettimien ANSI-koodit ovat 52a (kosketin on kiinni silloin kun katkaisija on kiinni) ja 52b (kosketin on kiinni silloin kun katkaisija on auki).

3. JÄLLEENKYTKENNÄT SÄHKÖVERKOSSA

Avojohtoverkon vikatapauksista valtaosa, noin 80-90 % on valokaarimaasulkuja.

Valokaariviat syntyvät ilmastollisten ylijännitteiden synnyttämistä ylilyönneistä, tuulen aikaansaamista puukosketuksista, eläinten pääsystä johtimien ja/tai maapotentiaalin väliin, johtimien koskettaessa toisiaan tuulen tai lumikuorman vuoksi jne.

Av oj oh dolía eristysaineena on ilma. Ohimenevissä vioissa vikapaikan valokaari sammuu, ja jännitelujuus palautuu nopeasti ja luonnostaan ennalleen valokaarikanavan de-ionisoituessa. Parhaimmillaan valokaari sammuu itsestään jopa ennen kuin suojareleet ehtivät toimia. Jälleenkytkennöillä pyritään hoitamaan syötön palautus niissä vioissa, jotka aiheuttavat suojareleiden laukaisutoiminnan. (Mörsky 1992, 295-338.) Suojareleen laukaisun jälkeen valokaari sammuu, kun vikapaikka tulee jännitteettömäksi. Sammumiseen vaadittava pienin ionisaation poistumisaika ilmassa on lähinnä verkon jännitetasosta riippuen oikosulkuvioille 0,07 sekuntista (20 kV) 0,5 sekuntiin (500 kV) (Paavola & Halme 1979, 142; GEC Measurements 1983, 243).

Pitämällä verkko lyhyen aikaa jännitteettömänä voidaan useimmissa tapauksissa olettaa vian poistuneen ja tilanteen normalisoituneen. Suojareleen toiminnasta käynnistetty (ensimmäinen) jälleenkytkentä ohjaa asetellun lyhyen ajan kuluttua katkaisijan automaattisesti takaisin kiinni palauttaen verkon vikaa edeltäneeseen tilaan.

Ensimmäisen jälleenkytkennän kesto on usein alle kaksi tai kolme sekuntia. Suurin osa vioista poistuu ensimmäisellä jälleenkytkennällä, eikä enempiä yrityksiä tarvitse tehdä.

Osa vioista, kuten useimmat puukosketukset sekä osa pieneläinten aiheuttamista vioista poistuvat itsestään kuitenkin vain joko palamalla tai sitten pidemmän ajan kuluessa.

Ensimmäinen jälleenkytkentä ei riitä vian poistamiseen, ja kiinniohjauksen jälkeen suojarele havahtuu uudestaan.

Jotta vialla olisi enemmän aikaa palaa pois, tehdään toinen laukaisu usein pidemmällä viiveellä. Laukaistusta käynnistyvän toisen JK:n aika on sekin pidempi, koska pidemmän ajan toivotaan parantavan JK.:n onnistumismahdollisuuksia (esimerkiksi tuuli kuljettaa puuoksan pois linjalta). Toinen maailmalla (ei niinkään Suomessa) yleinen syy tehdä pidempikestoinen jälleenkytkentä ensimmäisen nopean jälkeen on ajan antaminen muiden (verkossa syvemmällä olevien) suojalaitteiden toiminnalle.

Yleisesti tehdään kaksi tai kolme perättäistä jälleenkytkentäyritystä. Vaikeampien vikojen tapauksessa tehdään kaikki jälleenkytkentäyritykset ennalta ohjelmoidun

sekvenssin mukaisesti, kunnes vika joko poistuu tai kaikki yritykset on tehty. Pysyvien vikojen tapauksessa tehdään viimeisen yrityksen jälkeen vikapaikka vielä kerran virattomaksi, ja jälleenkytkennät lukitaan. Vikapaikka jää silloin virattomaksi, ja tilanne vaatii käyttöhenkilökunnan toimenpiteitä. Suomessa hyvin tyypillinen ensimmäisen JK:n (PJK) aika on 0,3 sekuntia ja toisen (AJK) vaihtelee 15 sekunnista kahteen tai kolmeen minuuttiin. Hyvin harvoin käytetään enempää kuin kahta jälleenkytkentää.

Kaapelissa tilanne on aivan eri kuin avojohdolla, koska läpilyönti aiheuttaa aina vaurioita eristykselle. Tästä johtuen kaapeliverkossa viat ovat pysyviä, eikä jälleenkytkentää yleensä käytetä. Johdolla jossa on sekä avojohtoa, että kaapelia jälleenkytkentää käytetään yleensä silloin kun avojohdon osuus on suurempi. (Lehtonen

& Hakola 1996, 63-64; Blackburn 1998, 491.) Myös suoritettavien jälleenkytkentöjen määrää muutetaan sekaverkossa avoj ohto/kaapeli-suhteen mukaan: esimerkiksi kaapeliverkon pituuden ollessa alle 30 % lähdön kokonaispituudesta käytetään kahta, ja yli 30 % osuuksilla vain yhtä jälleenkytkentää (Oh, Yun, Kim, Kim, & Ahn, 1999).

Paras tilanne on silloin, kun suojareleistys (esimerkiksi distanssisuojaus) kykenee laskemalla vian etäisyyden estämään jälleenkytkennät vian ollessa kaapeliosuudella.

Jälleenkytkentä edellyttää tahdistuksen tarkistusta, paitsi jos syöttö on vain toisesta suunnasta, tai muu yhteen kytketty verkko kykenee pitämään katkaisijan laukaisussa erotetut verkon osat tahdissa (Blackburn 1998, 490).

3.1 Jälleenkytkennän edut ja haitat

Automaattista jälleenkytkentää käytetään yleisesti sekä jakelu-, että siirtoverkossa.

Samoja periaatteita on tosin sovellettu jopa pienjänniteavojohtoverkossa (De la Rosa et

Aikaisemmin jo todettiin, että jälleenkytkentätoiminnoissa ensisijainen tavoite on palauttaa verkko nopeasti vikaa edeltävään tilaan ohjaamalla lauennut katkaisija automaattisesti takaisin kiinni, ja näin minimoida kuluttajalle näkyvä katkosaika.

Jälleenkytkennöissä saavutetaan myös muita etuja:

- Jälleenkytkentä palauttaa verkon tehosiirtokyvyn nopeasti takaisin ennalleen (positiivinen vaikutus siirtoverkon stabiiliisuuteen).

- Katkosaika

(-

- Myrskyjen ja muiden laajojen häiriöiden aikana automaattinen jälleenkytkentä nopeuttaa verkon palauttamista ja helpottaa verkko-

operaattorin työtä. (Horowitz, Phadke & Thorp 1988.)

Jälleenkytkennän vaikutus syötön jatkuvuuteen ja sitä kautta sähkön laatuun on hyvin selväpiirteinen. Jännitteettömänä väliaikana kuluttaja on ilman sähköä, mutta onnistuessaan JK mahdollistaa syötön jatkuvuuden lyhyen katkon jälkeen.

Monesti jälleenkytkentöjä käytettäessä tehdään ensimmäinen laukaisu, ja samalla ensimmäisen JK:n käynnistys hyvin nopeasti (hetkellislaukaisuna). Nopeasta laukaisusta koituu lisäetuja pieni-impedanssisesti maadoitetuissa verkoissa:

- Vika-aika lyhenee, jolloin on pienempi mahdollisuus että vika muuttuisi pysyväksi. Myös Elmore (1994, 334) korostaa samaa nimenomaan siirtoverkon suojauksessa.

- Lyhyempi vika-aika merkitsee pienempää rasitusta verkolle ja rajoittaa mahdollisia vaurioita.

- Vaadittava de-ionisoitumisaika pienenee. (GEC Measurements 1983, 238.)

Maadoittamattomassa tai kompensoidussa verkossa maasulkuvirta on puolestaan yleensä pieni, eikä jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys riipu kovin paljoa siitä, kuinka nopeasti suojarele laukaisee vian pois (Lehtonen & Hakola 1996, 63).

Jälleenkytkennöistä aiheutuu luonnollisesti myös haittoja, joista ehkä pahimpana on turhien (epäonnistuvien) kiinniohjausyritysten teko vian ollessa pysyvä. Tämä vain rasittaa verkkoa ja sen komponentteja lisää. Lisäksi vaikka jännitteetön väliaika on lyhyt, on siitä johtuvat vaikutukset kuluttajille yleensä paljon pidempikestoisia:

tuotannon seisahtuminen, tietokoneiden työmuistin sisällön menetys jne. Lyhytaikainen katkos voi olla ongelmallinen myös silloin, kun siitä seuraa esimerkiksi koneiden ja prosessien kontrolloimaton käynnistyminen.

3.1.1 Moottorit

Jos moottori (epätahti-, tai tahtikone) kytketään uudelleen verkkoon ennen kuin kone on ehtinyt pysähtyä voi tuloksena olla suuri hetkellinen vääntömomentti ja koneen vaurioituminen (Blackburn 1998, 379). Jos moottorin jännite ei ole vielä laskenut

riittävän alas, ja on jälleenkytkentähetkellä vaiheoppositiossa voi seurauksena olla myös ylijännitteestä johtuva eristinvaurio (GEC Measurements 1983, 238).

Epätahtimoottorei 11a moottorin jännitteen tulisi antaa pudota alle 33 % nimellisestä ennen jälleenkytkentää (Blackburn 1998, 379; ks. myös Faiz, Ghaneei & Keyhani

1999).

Tahtimoottoreilla jälleenkytkentää ei sallita ilman synkronointia, ja siksi tahtimoottori- käytöt tulee nopeasti kytkeä irti syötön kadotessa. Jälleenkytkennän aika tulee olla riittävän pitkä, niin että alijännite- tai alitaajuustietoon perustuva tahtimoottorien irtikytkentä ehtii tapahtua luotettavasti. (Blackburn 1998, 379.)

3.1.2 Voimantuotantogeneraattorit

Johdolle kytketyt pienet tahti- ja epätahtigeneraattorit, kuten esimerkiksi tuulivoima- generaattorit kykenevät ylläpitämään JK:n aikana jännitettä useita minuutteja. Mikäli generaattorilla ei ole automaattista jännite- ja taajuussäätäjää voi jännite ja taajuus ajautua nimellisarvoistaan paljonkin ja johtaa vakaviin vaurioihin. Siksi tällaiset generaattorit tulee varustaa suojalla, joka kytkee generaattorin automaattisesti irti jännitteen tai taajuuden poiketessa liiaksi nimellisestä. (Bollen 2000, 120.)

Generaattorin suojauksen yhtenä osana, varsinkin hajautetussa voimantuotannossa (distributed generation) voi olla eroonkytkentäsuojaus (loss-of-grid). Eri syistä johtuen generaattorin irrottamista verkosta ja niin sanottua saareke-käyttöä ei sallita, vaan generaattori halutaan laukaista. Laukaisun tulee ehtiä tapahtua jälleenkytkennän jännitteettömän väliajan kuluessa. (Jenkins, Allan, Crossley, Kirschen & Strbac 2000,

16

El-Serafi:n ja Faried:n (1994) mukaan katkaisijan toiminnat vian erottamisen yhteydessä tai jälleenkytkennässä voivat aiheuttaa turpiini-generaattori-akselille suuremman vääntörasituksen (roottorirasitus) kuin kolmivaiheinen oikosulku generaattorin navoissa. Nopeassa jälleenkytkennässä vian ja laukaisun aiheuttama akselin värähtely ei ehdi vaimentua ja rasitus voi vielä kumuloitua. (El-Serafi & Faried 1994.) Siksi esimerkiksi siirtolinjoilla, jotka ovat lähellä suuria voimantuotanto- yksiköitä, ei sallita kuin yksinapainen jälleenkytkentä (Ungrad, Winkler &

Wiszniewski, 152). Useampinapaisesta viasta tehdään kolminapainen laukaisu ilman jälleenkytkentää.

3.1.3 Tehomuuntajat

Tehomuuntajan läpimenevät (ulkopuoliset) viat synnyttävät suuria mekaanisia voimia käämityksissä ja niiden välillä. Tämä synnyttää liikettä ja toistuvat liikkeet (kumulatiivinen vaikutus) voivat synnyttää vaurioita. Varsinkin iäkkäät paperieristeiset muuntajat ovat vaarassa, sillä paperieriste haurastuu ja sen mekaaninen lujuus vanhetessaan heikkenee selluloosakuitujen katkeillessa.

3.1.4 Kaapelit

Yksinomaan kaapeliverkkoa käsittävissä jakeluverkoissa ei jälleenkytkentä ole hyödyllinen, sillä kaapeliverkossa viat ovat yleensä pysyviä. Lisäksi kaapelissa itsessään tapahtuva läpilyönti aiheuttaa aina vaurioita eristykselle, jolloin jälleenkytkennät vain pahentavat vikaa.

Sekaverkoissa, missä on sekä kaapeli-, että avojohto-osuuksia jälleenkytkentöjen käyttö ja lukumäärä valitaan sen mukaan kuinka suuri osa verkosta on avojohtoa.

Sekaverkoissa on huomattava, että oikosulun jälkeen kaapeliosuudet jäähtyvät hitaammin kuin avojohto-osuudet (Suomen Sähkölaitosyhdistys r.y. 1994, 18).

Kaapeleillä on myös pienempi reaktanssi kuin avojohdoilla, mistä johtuen oikosulkuteho ei juurikaan laske kaapeliosuudella. Jälleenkytkentöjen kannalta ongelmallinen on esimerkiksi tilanne, missä vika syntyy avojohtoverkon alussa olevalla kaapeliosuudella.

3.2 Jälleenkytkentäsekvenssi

Ensimmäinen jälleenkytkentä voi olla joko välitön tai viivästetty. Tarkasti ottaen välitön (instantanous) jälleenkytkentä tarkoittaa sitä, että katkaisijan kiinniohjausta ei ole hidastettu lainkaan, vaan katkaisijan kiinniohjauskelalle syötetään ohjausjännite hyvin lyhyen ajan kuluttua aukiohjauksen alkamisesta. Tämä saavutetaan käyttämällä katkaisijassa nopeaa apukosketinta (ANSl-koodi: 52bb), joka sulkeutuu mahdollistaen kiinniohjauksen jo heti kun katkaisijan mekanismi on lähtenyt liikkeelle auki-asentoa kohti. Reletoiminnan kannalta välittömässä JK:ssa aktivoidaan samanaikaisesti sekä auki-, että kiinniohjaus. Jännitteetön väliaika riippuu pelkästään katkaisijan toiminta- nopeudesta. (Blackburn 1998, 490; ks. myös Elmore 1994, 336.)

Sekä käytännössä, että myös kirjallisuudessa (esimerkiksi Dugan, McGranghan & Beaty 1996a, 72) välittömällä jälleenkytkennällä useimmiten kuitenkin tarkoitetaan lyhyttä, korkeintaan kaksi tai kolme sekuntia kestävää jälleenkytkentää. Suomessa pikajälleen- kytkennäksi (PJ K) sanotaan noin 0,2-3 sekunnin pituista jälleenkytkentää. Dugan et ai. (1996a, 72) mukaan 2 sekuntia oli standardi jännitteetön väliaika hydraulisille recloser-laitteille, ja se selittänee miksi joissain maissa edelleen sitkeästi pidetään kiinni 2-3 sekunnin pituisesta väliajasta.

Jos ensimmäinen jälleenkytkentäyritys epäonnistuu, ja suojareleistys havahtuu uudelleen voi tätä seurata vielä yksi tai useampi viivästetty jälleenkytkentäyritys.

Viivästettyjä jälleenkytkentöjä kutsutaan aikajälleenkytkennöiksi (AJK).

Kun kaikki ennalta ohjelmoidut yritykset on tehty, lukkiutuu jälleenkytkentä- automatiikka (lock-out) estäen uusien yritysten tekemisen. Lukitustilasta palautuminen voi tapahtua joko manuaalisesti tai automaattisesti tietyn viiveen jälkeen. Automaattisen palautumisen viive (reclaim time, reset time) on usein aseteltava ja siitä käytetään myös nimityksiä lukitusaika ja toipumisaika.

Palautumisajalla hoidetaan myös se, että JK-automatiikka ei voi vian ollessa pysyvä aloittaa kiinniohjausyrityksen jälkeen sekvenssiä uudestaan alusta, vaan jatkaa eteenpäin seuraavaan yritykseen (kuva 11). Automatiikka palautuu kuitenkin palautumisajan kuluttua edellisestä jälleenkytkentäyrityksestä, jos vika on poistunut eikä uutta laukaisua/jk-käynnistystä tule. Joissain releissä on joka jälleenkytkentä- yritykselle erikseen asteltavat palautumisajat.

Katkaisijan asento

Kiinni Auki

K l.JKrn palautumisaika

a)

>1

.JK 2. JK

K

Aika Katkaisijan

asento Kiinni

Auki

b)

* palaulurnisaika H

UK

'« palautumisaika >'

l.JK 2.JK

--- ►

Aika Kuva 11. Jälleenkytkennän palautumisajan vaikutus: a) seuraava laukaisu tulee ennen palautumisajan umpeutumista, ja sekvenssi jatkuu eteenpäin, b) toinen laukaisu tulee vasta palautumisajan umpeuduttua jolloin sekvenssi alkaakin uudelleen alusta.

Lähes aina, kun kyseessä on pysyvä vika, tehdään JK-automatiikan viimeisen jälleenkytkentäyrityksen jälkeen ja JK-automatiikan lukkiuduttua katkaisijan lopullinen aukiohjaus. Tästä tuleekin englanninkielinen nimitys lock-oz//. Jokseenkin harvoin näkee tehtävän myös niin, että jälleenkytkentäkokeilujen jälkeen katkaisijan jätetään kiinni. Tällaisesta tilanteesta täytyy kuitenkin saada hälytys. Tätä menetelmää voidaan käyttää esimerkiksi maasulkuvioissa, joissa vika kyllä yritetään jälleenkytkennöillä saada poistumaan, mutta jotka eivät vaadi laukaisua (ns. hälyttävä maasulku - periaate).

3.3 Jälleenkytkennät jakelu- ja siirtoverkoissa

Jälleenkytkennän onnistumiseen vaikuttaa muun muassa se, kuinka nopeasti vika

& Hakola 1996, 63.) Samalla vaadittava de-ionisoitumisaika pienenee ja mahdollisuus, että vika muuttuu pysyväksi on pienempi (GEC Measurements 1983, 238).

Maadoittamattomassa tai kompensoidussa verkossa maasulkuvirta on sitä vastoin yleensä pieni, eikä jälleenkytkennän onnistumistodennäköisyys riipu kovin paljoa siitä, kuinka nopeasti suojarele laukaisee vian pois. (Lehtonen & Hakola 1996, 63.)

Kompensoidussa verkossa on lisäksi maadoittamatonta verkkoa pienempi toden­

näköisyys, että maasulkuvika kehittyy oikosulkuviaksi. Valokaaren leviämis­

mahdollisuus pienenee kun tehonkulutus ja palaminen vikapaikassa on kompensoinnin vuoksi pienempää. Lisäksi kompensoidussa verkossa käyttötaajuinen palaava jännite kasvaa hyvin hitaasti, ja valokaariviat sammuvat paremmin kuin samalla virralla maasta erotetussa verkossa (Mörsky 1992,295-338).

Siirtoverkoissa suuremmasta käyttöjännitteestä johtuen vaihejohtimien etäisyys toisistaan on pidempi kuin jakeluverkossa. Mitä suuremmasta jännitteestä on kysymys, sitä suurempi osuus vioista on yksinapaisia maasulkuja. Kuva 12 esittää vikojen jakautumisen eri jännitetasoilla. (IEEE Power System Relaying Committee Working

Group 1992.)

100

Yksinapaiset (maasulku)

Kaksinapaiset viat

Kaksois-

maasulku Kohnivaiheviat

□ HHV

Kuva 12. Vikojen prosentuaalinen osuus siirtoverkon eri jännitetasoilla: HV-jännitettä ei ilmoitettu, EHV=500kV (IEEE Power System Relaying Committee Working Group

1992).

3.4 De-ionisoitumisaika

Jälleenkytkennän ajan tulee olla vähintään niin pitkä, että vikapaikassa mahdollisesti palava valokaari ehtii sammua ja jännitelujuus palautua. Tähän vaadittava valokaari- kanavan de-ionisoitumisaika vapaassa ilmassa riippuu piirin jännitteestä, kohtioiden välisestä etäisyydestä, vikavirran amplitudista, tuulen nopeudesta ja yksinapaisissa jälleenkytkennöissä vielä muiden johtimien kapasitiivisesta kytkeytymisestä

(GEC

Measurements 1983,243).

Eri kirjallisuuslähteissä on de-ionisoitumisajalle ja pienimmälle mahdolliselle jännitteet- tömälle väliajalle annettu hivenen erilaisia arvoja. Paavolan ja Halmeen (1979, 142) mukaan, amerikkalaisiin tietoihin perustuen pienin ionisaation poistumisaika ilmassa on 95 % varmuudella 23 kV:n jännitteellä 70 ms, 115 kV:n jännitteellä 140 ms ja 230 kV:n jännitteellä 300 ms. Tämä käy yhteen GEC Measurements:n (1983, 243) tietojen kanssa (kuva 13). Nämä ajat pätevät oikosulkuvioille, ja vain kolminapaiselle laukaisulle. Maasulkuvioissa, joissa vikavirran amplitudi on pienempi, ajat ovat lyhyempiä. Yksinapaisessa laukaisussa puolestan terveiden vaiheiden keskeis- kapasitanssin kautta pääsee vikapaikassa kulkemaan virtaa, joka vaikeuttaa valokaaren sammumista. Yksinapaisissa laukaisuissa tarvittava aika on arviolta kaksi kertaa suurempi kuin kolminapaisissa laukaisuissa. (Ahn, Kim, Aggarwal & Johns 2001.)

J К-releen kannalta katsottuna jännitteetön väliaika, releen jälleenkytkennän aika- asetteluna, on määritelty katkaisijan aukiohjauskäskyn ja kiinniohjauskäskyn välisenä aikana. Katkaisijalla on oma luontainen toimintahitautensa, eikä virtakaan katkea heti kun koskettimet alkavat avautua. Tästä johtuen JK-automatiikalle aseteltavan JK-ajan pitää aina olla pidempi kuin de-ionisoitumisaika.

Elmoren (1994, 334) mukaan, perustuen 40 vuoden kokemukseen, minimiaika jännitteettömälle väliajalle voidaan laskea kaavalla

r = 10,5-1--- jaksoa, 34,5

missä

U

(1)

-O- Paavola & Halme -Л- Elmore (kaava), 60Hz -O—GEC Measuremnts

43- Elmore (kaava), 50Hz 500

«Г 300 5 200

Jännite (kV)

Kuva 13. Eri lähteiden antamia arvoja de-ionisoitumisajoille ja jännitteettömälle väliajalle.

3.5 Yksinapainen jälleenkytkentä

Koska suuri osa siirtoverkon vioista on maasulkuvikoja, riittää kun viallinen vaihe laukaistaan, muiden vaiheiden jäädessä käyttöön. Tätä tekniikkaa kutsutaan yksinapaiseksi tai yksivaiheiseksi (single-pole, single-phase) laukaisuksi ja jälleen-

Yksinapaista laukaisua ja jälleenkytkentää käytetään yleisesti siirtoverkoissa, mutta ainakin tällä hetkellä vielä erittäin harvoin jakeluverkoissa. Yksinapaisen jälleen- kytkennän tekeminen on mahdollista vain, jos suojareleistys kykenee tunnistamaan viallisen vaiheen ja katkaisijaa voidaan ohjata yksinapaisesti auki ja kiinni. Toinen välttämätön ehto on, että vikapaikassa palava valokaari sammuu jännitteettömänä väliaikana. Viallisen (laukaistun) ja terveiden (jännitteellisten) vaiheiden välinen kapasitiivinen ja induktiivinen kytkentä pyrkii ylläpitämään valokaarta vikapaikassa ja näin heikentää jälleenkytkennän onnistumismahdollisuuksia. Verkon tähtipisteen

maadoitustavalla on suuri merkitys valokaaren sammumiselle.

Bishop, McCarthy ja Josken (n.d.) ovat tutkineet sähkön laadun parantamista jakeluverkossa (USA, pieni-impedanssisesti maadoitetut verkot, yksivaiheista kuormaa) käyttämällä kolminapaisen JK:n sijasta yksinapaista. He toteavat, että johtolähdön ollessa raskaasti kuormitettu kolmivaihekuormalla ja -muuntajilla on kolmivaiheinen JK kuitenkin toivottavampi ratkaisu. Tätä on perusteltu (ks. DeCasero et ai. 1993) sillä, että maadoittamattoman Y/D jakelumuuntajan “avonaisessa navassa” jännitteen hetkellisarvo voi nousta jopa 2,6 kertaiseksi (kuvat 14 ja 15), vahingoittaen muuntajan napoihin kytkettyä venttiilisuojaa. (Bishop, McCarthy & Josken n.d.).

No Load

i---1---1-

200*4

Kuva 14. Vaihekatkoksessa syntyvä ylijännite Y/D muuntajan navassa kuormituksen

funktiona (DeCasero et al. 1993).

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

- 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).