akustisiin, sähkömagneettisiin ja sähköisiin mittauksiin perustuvien menetelmien avulla
Tuukka Syrjänen
Sähkötekniikan korkeakoulu
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 29.7.2021.
Työn valvoja
Prof. Matti Lehtonen
Työn ohjaaja
DI Juhani Tammi
Tekijä Tuukka Syrjänen
Työn nimi Kaapelipäätteiden osittaispurkauksien tunnistaminen akustisiin, sähkömagneettisiin ja sähköisiin mittauksiin perustuvien menetelmien avulla
Koulutusohjelma Automation and Electrical Engineering
Pääaine Translational Engineering Pääaineen koodi ELEC3023 Työn valvoja Prof. Matti Lehtonen
Työn ohjaaja DI Juhani Tammi
Päivämäärä 29.7.2021 Sivumäärä 100 Kieli Suomi
Tiivistelmä
Osittaispurkaukset ovat sähköverkon komponenttien eristeitä rappeuttava ilmiö ja ne voivat pahimmassa tapauksessa rikkoa sähköverkon komponentin ennenaikaisesti aiheuttaen vaaratilanteita ja taloudellisia tappioita. Osittaispurkaukset synnyttävät sähkömagneettista säteilyä ja ääntä, minkä vuoksi niitä voidaan mitata. Osittais- purkauksien mittaaminen kaapelipäätteistä mahdollistaa niiden käytönaikaisen ja jatkuva-aikaisen kunnonvalvonnan ja näin ollen aktiivisia osittaispurkauksia syn- nyttävään kaapelipäätteeseen voidaan kohdistaa korjaavia toimenpiteitä ennen sen lopullista hajoamista.
Tässä diplomityössä tutkitaan keski- ja suurjännitekaapelipäätteiden osittaispur- kauksien tunnistamista äänikameralla ja kahdella eri RFI-mittauslaitteella (radio- frequency interference). Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää, voidaanko tutkimuk- sen mittauslaitteistolla tunnistaa kaapelipäätteistä osittaispurkauksia luotettavasti ja samalla validoida mittauslaitteet kaapelipäätteiden kunnonvalvontaan. 24 kV lämpökutistekaapelipäätteisiin ja 123 kV öljyeristeisiin kaapelipäätteisiin luodaan keinotekoisesti sisäisiä osittaispurkauksia, pinta- ja koronapurkauksia aiheuttavia asennusvirheitä, joita mitataan tutkimuksen mittauslaitteilla suurjännitelaborato- rioissa.
Laboratoriomittauksien perusteella mittauslaitteet ja -menetelmät ovat soveltuvia kaapelipäätteiden osittaispurkauksien tunnistamiseen. Mittauslaitteissa ja niiden tuloksissa on kuitenkin merkittäviä eroavaisuuksia, minkä vuoksi toiset laitteet so- veltuvat paremmin tiettyjen osittaispurkaustyyppien tunnistamiseen kuin toiset.
Osittaispurkauksien tunnistaminen mittaustuloksista ei kuitenkaan ole yksiselit- teistä ilmiön monimutkaisuuden vuoksi. Diplomityön johtopäätöksissä pohditaan tarkemmin mittauslaitteiden soveltuvuutta kaapelipäätteiden kunnonvalvontaan ja esitellään kehitysideoita.
Avainsanat osittaispurkaus, kaapelipääte, RFI, radiotaajuinen
osittaispurkausmittaus, akustinen osittaispurkausmittaus, äänikamera
Author Tuukka Syrjänen
Title Identification of Partial Discharges in Cable Terminations using Methods Based on Acoustic, Electromagnetic and Electrical Measurements
Degree programme Automation and Electrical Engineering
Major Translational Engineering Code of major ELEC3023 Supervisor Prof. Matti Lehtonen
Advisor MSc (Tech.) Juhani Tammi
Date 29.7.2021 Number of pages 100 Language Finnish
Abstract
Partial discharges are a deteriorating phenomenon in the insulation of power grid com- ponents and, in the worst case scenario, partial discharges can break the component prematurely, causing dangerous situations and financial losses. Partial discharges emit electromagnetic radiation and sound and therefore they can be measured. Measuring partial discharges from cable terminations allows for active condition monitoring and thus preventive actions can be targeted to a cable termination that shows aggressive partial discharge activity before its complete failure.
This thesis investigates the identification of partial discharges in medium and high voltage cable terminations with an acoustic camera and two different RFI survey- ing tools (radio-frequency interference). The purpose of the study is to determine whether the measuring devices of the study can reliably identify partial discharges from cable terminations and at the same time validate the measuring devices for condition monitoring of cable terminations. Artificial installation errors causing internal partial discharges, surface discharges and corona discharges are created for 24 kV heat shrink cable terminations and 123 kV oil-filled cable terminations which are measured with the measuring devices of the study in high voltage laboratories.
Based on the laboratory measurements, the measuring devices and methods are suitable for identifying partial discharges in cable terminations. However, there are significant differences in the measuring devices and in their results, which makes some devices more suitable for identifying partial discharges than others. The identification of partial discharges from the measurement results is not unambiguous due to the complexity of the phenomenon. The conclusions of the thesis consider the suitability of the measuring devices for the condition monitoring of cable terminations in more detail and present ideas for further development.
Keywords partial discharge, cable termination, RFI, radio-frequency partial
discharge measurement, acoustic partial discharge measurement, acoustic camera
Esipuhe
Maailmassa vallitseva koronatilanne aiheutti hieman huolia diplomityön kokeellisen osion suorittamisen kannalta, minkä lisäksi OTC-123 kaapelipäätteiden toimitukses- sa Alankomaista oli riskinä kestää toivottua pidempään. Kaikki päättyi kuitenkin onnellisesti ja diplomityön kokeellinen osuus päästiin suorittamaan aikataulun ja suunnitelmien mukaisesti.
Haluan esittää kiitokset Fingridille mielenkiintoisen diplomityöaiheen tarjoamises- ta ja sen suorittamisen tukemista. Suurimmat kiitokset haluan kuitenkin esittää ohjaajalleni Juhani Tammelle, joka avusti minua pitkäjänteisesti ja ansiokkaasti diplomityön tekemisessä.
Tämän lisäksi haluan kiittää erityisesti Tampereen yliopiston Kari Lahtea, NL Acous- ticsin Robert Albrechtia, Sulaonin Marko Mattilaa ja useita Prysmianin edustajia kaapelipäätteiden mittauksien avustamisesta ja asiantuntijuutensa tarjoamisesta.
Kiitos myös Matti Lehtoselle diplomityön valvomisesta ja arvokkaista kommenteista ja kehittävistä ehdotuksista diplomityöhön.
Espoo, 29.7.2021
Tuukka V. V. Syrjänen
Sisällys
Tiivistelmä III
Tiivistelmä (englanniksi) IV
Esipuhe V
Sisällys VI
Symbolit ja lyhenteet VIII
1 Johdanto 1
2 Osittaispurkaukset 4
2.1 Sähkökenttä eristysrakenteessa . . . 4
2.2 Osittaispurkaustyypit ja niiden syntyminen . . . 6
2.2.1 Ontelopurkaukset . . . 7
2.2.2 Pintapurkaukset . . . 8
2.2.3 Koronapurkaukset . . . 10
2.2.4 Osittaispurkauksien PRPD-kuviot . . . 11
2.3 Ympäristön vaikutus osittaispurkausilmiöihin . . . 12
2.3.1 Vaikutus korona- ja pintapurkauksiin . . . 12
2.3.2 Vaikutus ontelopurkauksiin . . . 13
2.4 Osittaispurkauksien suureet . . . 14
2.5 Osittaispurkauksien synnyttämä sähkömagneettinen säteily ja ääni . . 15
2.5.1 Sähkömagneettisen säteilyn ja äänen eteneminen . . . 18
3 Kaapelit ja kaapelipäätteet 21 3.1 Kaapelin rakenne . . . 21
3.2 Kaapelipäätteen toiminta ja rakenne . . . 23
3.2.1 Keskijännitekaapelipäätteet . . . 25
3.2.2 Suurjännitekaapelipäätteet . . . 26
3.3 Kaapelipäätteiden vikatilastoja ja yleisimpiä vikoja . . . 28
3.3.1 Kaapelipäätteiden vikojen syyt . . . 29
3.3.2 Kaapelipäätteiden vikatilastoja . . . 30
4 Mittauslaitteet ja -menetelmät 32 4.1 Näennäisvarauksen mittaaminen . . . 32
4.2 RFI - mittausmenetelmä . . . 33
4.3 Akustisen emission mittaaminen . . . 37
4.4 Mittauslaitteet . . . 38
4.4.1 NL Camera . . . 39
4.4.2 PDS100 . . . 40
4.4.3 RFI IoT . . . 41
4.4.4 Muut laitteet . . . 42
4.5 RFI - mittauslaitteiden eroavaisuudet . . . 43
5 Keskijännitekaapelipäätteiden laboratoriomittaukset 45
5.1 Mittausjärjestelyt ja niiden toteutus . . . 45
5.2 Koekappaleet . . . 46
5.3 Mittaustulokset . . . 50
5.3.1 Pääte A . . . 53
5.3.2 Pääte B . . . 55
5.3.3 Pääte C . . . 58
5.3.4 Pääte D . . . 61
5.3.5 Pääte E . . . 63
5.3.6 Pääte F . . . 66
5.3.7 Pääte G . . . 68
6 Suurjännitekaapelipäätteiden laboratoriomittaukset 71 6.1 Mittausjärjestelyt ja niiden toteutus . . . 71
6.2 Koekappaleet . . . 72
6.3 Mittaustulokset . . . 75
6.3.1 Pääte 1 . . . 78
6.3.2 Pääte 2 . . . 81
6.3.3 Pääte 3 . . . 81
6.3.4 Pääte 4 . . . 83
7 Tulokset ja johtopäätökset 88 7.1 Tuloksien yhteenveto . . . 88
7.2 Johtopäätökset . . . 91
8 Yhteenveto 95
Viitteet 97
Symbolit ja lyhenteet
Symbolit
F voima
D sähkövuon tiheys
E sähkökentän voimakkuus B magneettivuon tiheys
H magneettikentän voimakkuus J sähkövirran tiheys
µ permeabiilisuus
µ0 tyhjiön permeabiilisuus µr suhteellinen permeabiilisuus ε permittiviteetti
ε0 tyhjiön permittiviteetti εr suhteellinen permittiviteetti q näennäisvaraus
qi sähkövaraus ρ varaustiheys f taajuus e Neperin luku C kapasitanssi R resistanssi Z impedanssi U jännite
Ub läpilyöntijännite Ui syttymisjännite Ue sammumisjännite p paine
V tilavuus T lämpötila I purkausvirta w purkauksen energia P purkauksen teho Tt jaksonaika
v sähkömagneettisen säteilyn nopeus d, r etäisyys, paksuus
δ tunkeutumissyvyys f taajuus
σ johtavuus η aaltoimpedanssi LR heijastuskerroin k skaalauskerroin
kc Coulombin vakio k1 liukupurkauskerroin τ aikavakio
α kulma
hf Fresnelin ellipsoidin säde λ aallonpituus
Operaattorit
|A| Luvun A itseisarvo
∂
∂t Osittaisderivaatta muuttujan t suhteen
∇ ×B VektorinB roottori
∑︁
i Summa indeksin i yli
Lyhenteet
RFI Radiotaajuinen häiriö (Radio Frequency Interference) GIS Kaasueristeinen kojeisto (Gas Insulated Switchgear) IoT Esineiden internet (Internet of Things)
PRPD Jännitteen vaiheeseen suhteutettu osittaispurkaus (Phase-Resolved Partial Discharge) HF Suuret taajuudet (High Frequency, 3−30 MHz)
VHF Hyvin suuret taajuudet (Very High Frequency, 30−300 MHz) UHF Ultrakorkeat taajuudet (Ultra High Frequency, 0,3−3 GHz) EPDM Eteenipropeenikumi, terpolymeeri
PE Polyeteeni
XLPE Ristisilloitettu polyeteeni SiR Silikonikumi
EPR Eteenipropeenikumi, kopolymeeri
AIS Ilmaeristeinen kojeisto (Air Insulated Switchgear) SF6 Rikkiheksafluoridi
CIGRE The International Council on Large Electric Systems (Conseil International des Grands Réseaux Electriques) FFT Nopea Fourier-muunnos (Fast Fourier Transform) MEMS Mikrosysteemi (Micro-Electromechanical System) DAB Digitaalinen radiolähetys (Digital Audio Broadcasting)
GSM Digitaalinen matkapuhelinjärjestelmä (Global System for Mobile Communications) ISM Maailmanlaajuisesti vapaa taajuuskaista tieteen, lääketieteen
ja teollisuuden käyttöön (Industrial, Scientific and Medical)
1 Johdanto
Suurien jännitteiden vaikutus sähköverkon komponenttien eristysrakenteisiin on mer- kittävä, minkä seurauksena niiden eristeet on suunniteltava kestämään vaativatkin olosuhteet. Eristeisiin kohdistuu suuria jänniterasituksia, jotka niiden tulee kestää vaurioitumatta koko sähköverkon komponentin elinkaaren ajan. Kuitenkin pienet poikkeamat eristeessä, kuten asennusvaiheessa eristeen pintaan syntynyt naarmu, voivat aiheuttaa haitallisia osittaispurkauksia.
Osittaispurkaukset ovat paikallisia sähköpurkauksia eristeessä, mitkä eivät aiheuta läpilyöntiä elektrodien välillä, vaan tapahtuvat esimerkiksi eristeen sisälle jäänees- sä hiukkasessa tai kaasukuplassa, joiden permittiviteetti ja jännitekestoisuus ovat huomattavasti pienemmät kuin sitä ympäröivän eristeen. Osittaispurkaukset lyhentä- vät sähköverkon komponenttien elinikää huomattavasti ja pahimmassa tapauksessa voivat aiheuttaa esimerkiksi läpilyönnin eristeessä rikkoen laitteen lopullisesti. Tois- tuvat osittaispurkaukset rappeuttavat eristettä ajan myötä ja aiheuttavat laitteen ennenaikaisen vikaantumisen tai jopa räjähdyksen.
Osittaispurkauksissa siirtynyt varaus aiheuttaa virtapulssin eristeessä, minkä takia osittaispurkauksen näennäisvaraus voidaan mitata eristysrakenteen liittimistä. Sähkö- varauksen kiihtyvä tai hidastuva liike synnyttää myös sähkömagneettista säteilyä sekä ääntä, minkä seurauksena osittaispurkauksia voidaan mitata myös etäisyyden päästä ilman kontaktia laitteeseen. Näin ollen ääni ja sähkömagneettinen säteily ovat varoit- tavia merkkejä osittaispurkausaktiviteetista ja niitä voidaan mitata esimerkiksi ääni- kameralla tai radiotaajuisen häiriön mittaamiseen perustuvalla RFI-mittauslaitteella (radio-frequency interference). Mittaamalla sähköverkon komponentteja ennakoivana toimenpiteenä voidaan osittaispurkaukset tunnistaa ja niihin voidaan puuttua ajoissa ennen laitteen rikkoutumista.
Kaapelipäätteet ovat laitteita, joilla päätetään voimakaapeli ja muunnetaan se esi- merkiksi ilmajohdoksi. Kaapelipäätteen suunniteltu käyttöikä on noin 40 vuotta [1], mutta osittaispurkaukset voivat lyhentää laitteen eliniän jopa puoleen. Osittaispur- kauksia mahdollistavat olosuhteet syntyvät kaapelipäätteisiin esimerkiksi asennusvir- heen, valmistusvirheen, ympäristön tai mekaanisen rasituksen takia. Kaapelipäätteen asentaminen on manuaalinen prosessi, jonka aikana voi sattua asennusvirheitä, ja keskimäärin 50 % kaikista kaapelipäätteissä sattuneista vioista on syntynyt asennus- virheiden takia [2, 3]. Kaapelipäätteiden osuus kaikista kaapelisysteemien vioista on 18−34 % riippuen tarkasteltavasta laitepoolista [3, 4, 5], mikä ilmaisee tarpeen kaape- lipäätteiden kunnonvalvontamenetelmien parantamiselle. Osittaispurkausmittauksia on tehty kaapelipäätteille ja muille sähköverkon komponenteille jo vuosikymmeniä ja niistä on diagnosoitu osittaispurkauksia, mutta kustannustehokkaat ja skaalautuvat jatkuva-aikaisesti mittaavat ratkaisut laajan omaisuusmassan valvontaan ovat vielä- kin harvinaisia.
Sähkönsiirron tarve Suomessa kasvaa jatkuvasti esimerkiksi hiilineutraaliustavoitteen 2035, uusiutuvan energian määrän kasvun ja liikenteen sähköistymisen takia, minkä
seurauksena kantaverkkoyhtiö Fingrid investoi kantaverkkoon noin kolme miljardia euroa vuosien 2020−2035 aikana vastatakseen kysyntään [6]. Tämän lisäksi kaape- liyhteyksien yleistyminen ja jakeluverkkojen kaapelointi käyttö- ja säävarmemman sähköverkon saavuttamiseksi kasvattaa kaapelipäätteiden määrää Suomessa kiihty- vällä tahdilla. Erityisesti kaasueristeisten GIS-kojeistojen (gas insulated switchgear) yleistyminen vaikuttaa kaapelipäätteiden määrän kasvuun kantaverkossa, sillä GIS- kojeistojen ja ilmajohtojen väliset liitynnät on useimmiten teknillistaloudellisesti kannattavinta tehdä kaapeliyhteyksin. Kaapelipäätteiden määrän kasvun takia niiden kunnonvalvontamenetelmien parantaminen on erityisen tärkeää sekä taloudellisesti että käyttövarmemman kantaverkon puolesta, sillä kaapelipäätteen vikaantuminen aiheuttaa keskimäärin kolmen viikon siirtokeskeytyksen [4].
Tässä diplomityössä tutkitaan Fingridin toimeksiannosta skaalautuvaa, kustannuste- hokasta ja jatkuva-aikaista kunnonvalvontamenetelmää kaapelipäätteille. Tutkimuk- sen tarkoituksena on selvittää, saadaanko tutkimuksen mittauslaitteilla tunnistettua luotettavasti osittaispurkauksia keski- ja suurjännitekaapelipäätteistä, sekä samalla validoida mittauslaitteet osittaispurkauksien tunnistamiseen. Fingridillä ei ole tällä hetkellä toimivaksi osoitettua kunnonvalvontamenetelmää kaapelipäätteille, joten tutkimuksesta saatujen tuloksien perusteella tullaan arvioimaan menetelmien käyttö- kelpoisuutta Fingridin kaapelipäätteiden kunnonvalvonnassa tulevaisuudessa.
Osittaispurkauksien mittaamiseen käytetään Doblen PDS100 RFI-mittauslaitetta, Prysmianin Pry-Camia, NL Acousticsin äänikameraa sekä Sulaonin jatkuva-aikaisen RFI-mittauksen mahdollistavaa RFI IoT -päätelaitetta (Internet of Things). Pry- Camin mittaukset suoritetaan referenssimittauksiksi Prysmianille, eikä niitä käsitellä tässä diplomityössä. Mittauksia suoritetaan keskijännitekaapelipäätteille Tampereen yliopiston suurjännitelaboratoriossa ja suurjännitekaapelipäätteille Prysmianin teh- taan korkeajännitehallissa Kirkkonummella. Keski- ja suurjännitekaapelipäätteisiin luodaan keinotekoisesti asennusvirheitä ja ympäristöllisiä olosuhteita jäljitteleviä tilanteita, jotka aiheuttavat kaapelipäätteissä osittaispurkauksia. Viallisten kaa- pelipäätteiden mittaamisen jälkeen voidaan sanoa riittävällä tarkkuudella, ovatko mittausmenetelmät soveltuvia kaapelipäätteiden osittaispurkauksien tunnistamiseen.
Diplomityö koostuu osittaispurkauksia, kaapeleita ja kaapelipäätteitä käsittelevästä teoriaosuudesta sekä laboratoriomittauksia sisältävästä kokeellisesta osiosta. Toises- sa luvussa syvennytään tarkemmin osittaispurkauksien teoriaan, missä tarkastelun kohteena ovat osittaispurkauksien syntyminen, osittaispurkaustyypit, ympäristön vaikutus osittaispurkausaktiviteettiin ja sähkömagneettisen säteilyn sekä äänen synty ja eteneminen. Kolmannessa luvussa esitellään kaapeleiden ja kaapelipäätteiden rakennetta ja keskeisimpiä eroja keski- ja suurjännitetasojen välillä. Tämän lisäksi luvussa tutkitaan kirjallisuudesta löytyviä tietoja kaapelipäätteiden vikaantumisesta ja etsitään yleisimpiä syitä niille. Neljännessä luvussa esitellään kokeellisessa tutki- muksessa käytettävät mittausmenetelmät ja mittauslaitteet. Viides ja kuudes luku sisältävät laboratorioissa tehdyt mittaukset kaapelipäätteille sekä niiden tuloksien analysoinnin. Seitsemännessä luvussa käsitellään tutkimuksen tuloksien pohjalta johtopäätöksiä mittausmenetelmien soveltuvuudesta kaapelipäätteiden osittaispur-
kausien tunnistamiseen. Kahdeksas luku on yhteenveto diplomityöstä.
2 Osittaispurkaukset
Osittaispurkaukset ovat laaja-alainen käsite, joihin liittyy useita eri mekanismeja ja ilmiöitä. Tässä luvussa esitellään osittaispurkauksien syntymisen teoreettinen tausta, jotta lukija saisi riittävän ymmärryksen osittaispurkauksista ilmiönä ja mitkä tekijät vaikuttavat niiden syntymiseen. Lisäksi luvussa käsitellään miten ympäristö vaikuttaa osittaispurkausaktiviteettiin ja miten osittaispurkauksien synnyttämä sähkömagneettinen säteily sekä ääni syntyy ja etenee väliaineessa.
2.1 Sähkökenttä eristysrakenteessa
Sähkökenttä syntyy pistevarauksen ympärille, kahden sähköisesti varautuneen kappa- leen välille tai esimerkiksi muuttuvan magneettikentän takia. Pistevaraus synnyttää ympärilleen joka puolelle säteilevän sähkökentän, kun taas kahden pistevarauksen välille syntyy näiden kahden kentän vuorovaikutuksen takia toisiinsa vaikuttava sähkökenttä. Kahden varauksen välillä vaikuttaa Coulombin lain mukaisesti voima F [7, 8] ja se ilmaistaan skalaarimuodossa yhtälöllä
F =kc|q1q2| r2 = 1
4πε0
|q1q2|
r2 , (1)
missäq1 jaq2 ovat varauksien sähkövaraukset,ron niiden välinen etäisyys,kcon Cou- lombin vakio jaε0 on tyhjiön permittiviteetti 8,85·10−12 V mAs. Varauksen synnyttämä sähkökenttä voidaan todeta asettamalla erillinen koevarausqk sen muodostamaan sähkökenttään ja mittaamalla siihen vaikuttava voima Fk. Sähkökentän voimakkuus E saadaan laskettua yhtälöstä
E= Fk
qk . (2)
Sähkövuon tiheysD on suure, jolla voidaan tutkia sähkökentän ja väliaineen yhteis- vaikutusta. Väliaineen ollessa homogeeninen ja isotrooppinen, eli sen koostumuksen ollessa kaikkialla samanlainen ja siihen vaikuttavan sähkövuon ja sähkökentän ol- lessa saman suuntaiset, voidaan todeta sähkövuon tiheyden olevan verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen. [9, 10] Sähkökentän aiheuttama sähkövuon tiheys on väliaineesta riippuvainen ja se määritellään sähkökentän väliaineyhtälön
D =εE (3)
mukaisesti. Suureellaε kuvataan sähkökentän läpäisevyyttä eli permittiviteettiä ja se määräytyy väliaineen ominaisuuksien mukaan. Väliaineen permittiviteetti ilmaistaan suhteellisena permittiviteettinä
εr = ε
ε0 , (4)
missä ε0 on tyhjiön permittiviteetti ja ε on väliaineen permittiviteetti. Väliainei- den suhteellisia permittiviteettejä ovat esimerkiksi ilmalla 1,0006, posliinilla 5−6,5 ja muuntajaöljyllä 2,2−2,5 [10]. Koska permittiviteetti kuvaa miten väliaine kyke- nee heikentämään ulkoista sähkökenttää, materiaalia, joka kykenee heikentämään
sähkökenttää hyvin ja omaa suuren permittiviteetin, kutsutaan eristeeksi. Eristeet ovat kiinteitä aineita, nesteitä tai kaasuja, joilla on suuri resistiivisyys, mutta pie- ni sähkönjohtavuus. Ideaalinen eriste ei johda ollenkaan sähköä, mutta todellisuu- dessa eristeen läpi kulkee aina jonkin verran vuotovirtaa sen ollessa jännitteisenä. [11]
Eristeiden sähköä eristävä ominaisuus on peräisin niiden atomien rakenteista. Eriste- materiaalin atomien positiivisesti varattuja ytimiä ympäröi elektronikuoret, jotka koostuvat negatiivisesti varatuista elektroneista. Kun atomin elektronikuori on täyn- nä elektroneita, se muodostaa positiivisen ytimen kanssa kokonaisvarauksen, jonka suuruus on nolla. Tällöin elektronit eivät pääse liikkumaan vapaasti aineessa ja täl- laisesta atomista virran kuljettamiseen tarvittavan elektronin irrottaminen vaatii erittäin paljon energiaa, minkä takia se on hyvä eriste. Johteiden tapauksessa uloim- malla elektronikuorella liikkuu vapaita elektroneita, minkä takia tarvittava energia energiatilan muuttamiseen on pienempi. Tämän ominaisuuden takia sähkökenttä kykenee irrottamaan johteesta varauksenkuljettajia, kun taas eristeissä se onnistuu vain, jos sen yli vaikuttava sähkökenttä on tarpeeksi suuri ylittääkseen eristeen jän- nitekestoisuuden. [10] Jännitekestoisuudella tarkoitetaan suurinta jännitettä, jonka materiaali todennäköisimmin kestää ilman läpilyöntiä. Jännitelujuudesta puhutaan, kun kyseessä on esimerkiksi laboratoriokoe, jossa koestetaan materiaalia normaalista poikkeavissa olosuhteissa.
Eristeen yli vaikuttavan sähkökentän kasvaessa tarpeeksi suureksi, eristeessä saattaa syntyä sähköpurkauksia osittaispurkauksien, läpi- tai ylilyönnin muodossa. Tällaiset purkaukset eivät ole toivottuja, sillä ne aiheuttavat sähkölaitteiden eliniän lyhene- mistä tai pahimmassa tapauksessa laitteen tuhoutumisen. Läpilyönnillä tarkoitetaan kahden elektrodin välistä täydellistä purkausta eristeen läpi ja ylilyönnillä eris- teen pinnan yli tapahtuvaa täydellistä purkausta. Osittaispurkaus ei ole täydellinen purkaus ja se voi tapahtua esimerkiksi eristeen sisällä olevan kaasukuplan sisällä paikallisessa sähkökentän tihentymässä. [10]
Todellisuudessa suurjännitelaitteiden eristeet saattavat koostua useammasta eri materiaalikerroksesta, joilla kullakin on eri permittiviteetit. Jos eristeessä vaikuttava sähkökenttä kohtaa eristeiden rajapinnan muussa kuin 90o kulmassa, tapahtuu sähkökentän taipumista. Jos eriste oletetaan ideaaliseksi, eli siinä ei olisi lainkaan johtavuutta, sähkökentän taipumista voidaan kuvata permittiviteettien suhteena
ε1
ε2 = tan α1
tan α2 , (5)
missäα1 on sähkökentän tulokulma materiaalin ε1 ja ε2 rajapintaan jaα2 on taipu- neen sähkökentän suunta. Taipuminen voi olla haitallinen ilmiö, sillä se voi aiheuttaa sähkökentän tihentymiä ja rasituskeskittymiä eristeeseen. Pahimmassa tapauksessa sähkökentän tihentymä voi johtaa eristeen jännitekestoisuuden ylittämiseen, jonka seurauksena voi syntyä osittaispurkauksia tai läpilyönti. Sähkökentän taipumista voidaan käyttää myös hyödyksi muotoilemalla eristeen rakenne sellaiseksi, että eris- tysrakenteen heikoista kohdista ohjataan sähkökenttä muualle vahvempaan eristys- rakenteeseen. [10] Sähkökentän taipuminen on erityisen tärkeää ottaa huomioon
esimerkiksi kaapelin ja kaapelipäätteen eristeiden rajapinnassa, jossa eristeen epäjat- kuvuuskohta voi aiheuttaa haitallisia sähkökentän tihentymiä. Näissä tapauksissa sähkökenttää pyritään ohjaamaan erillisillä kentänvoimakkuuden tasaajilla [12], jotka esitellään tarkemmin luvussa 3.2.
2.2 Osittaispurkaustyypit ja niiden syntyminen
Osittaispurkaukset ovat siis sähköpurkauksia, jotka syntyvät, kun eristeen jännite- kestoisuus ylittyy paikallisesti. Osittaispurkaukset ovat erityisen haitallisia, sillä ne voivat aiheuttaa sähköverkon komponenttien hajoamisen käytössä ensimmäisen vii- kon jälkeen, kymmenen vuoden päästä tai ei koskaan laitteen eliniän aikana. Lisäksi niiden syntymisen ennustaminen on miltei mahdotonta. Ne voivat kuitenkin olla nii- den tyypistä riippuen melko vaarattomia tai erittäin haitallisia. Osittaispurkaustyypit voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään, jotka ovat eristeen sisäiset osittaispurkaukset, eli ontelopurkaukset, eristeen pinnalla tapahtuvat pintapurkaukset sekä johtimen pinnalla tapahtuvat koronapurkaukset. [10]
Osittaispurkauksien syntymekanismi on samankaltainen kuin kondensaattorin toi- minta, minkä takia osittaispurkauksia voidaan mallintaa kapasitanssimalleilla. Kol- mikapasitanssimallien tarkastelu helpottaa osittaispurkausten havainnollistamista sekä auttaa matemaattisten mallien luomisessa. Kuvassa 1 on esitetty eräs yksinker- tainen kolmikapasitanssimalli, jossaCa on eristeen elektrodien välinen kapasitanssi, Cc on esimerkiksi sisäisen kaasukuplan aiheuttama kapasitanssi ja Cb kuvaa eristeen loppuosan kapasitanssia kaasukuplan molemmin puolin. Osittaispurkaus tapahtuu tässä tapauksessa kapasitanssinCc yli. Osittaispurkauksien kolmikapasitanssimalleja esitellään tarkemmin osittaispurkaustyyppikohtaisesti seuraavissa luvuissa.
Kuva 1: Kolmikapasitanssimalli [10].
Osittaispurkaukset voivat tapahtua joko vaihto- tai tasajännitteillä, mutta haitalli- sempia ne ovat vaihtojännitteillä, jolloin ne toistuvat jaksoittain. Kokeellisessa tutki- muksessa tutkitaan kaapelipäätteitä vain vaihtojännitteillä, minkä takia seuraavissa kappaleissa keskitytään osittaispurkauksien syntyyn vain vaihtojännitteillä.
2.2.1 Ontelopurkaukset
Sisäiset osittaispurkaukset eli ontelopurkaukset tapahtuvat nimensä mukaisesti eris- teen sisälle syntyneissä kaasukuplissa eli onteloissa. Ontelo voi syntyä eristysraken- teeseen esimerkiksi valmistusvirheen, mekaanisen rasituksen tai asennusvirheen takia.
Erityyppisiä onteloita on esitetty kuvassa 2.
Kuva 2: Erilaisia onteloita a - c, sekä muita osittaispurkauksille vika-alttiita paikkoja d - e. a) erimuotoisia kaasuonteloita b) kaasuontelo elektrodin ja eristeen rajapinnalla c) kaasuontelo kahden eristeen rajapinnalla d) vieras hiukkanen eristeessä (metalli) e) kehittynyt sähköpuu [10].
Ontelon sisältämän kaasun permittiviteetti on pienempi kuin sitä ympäröivän eris- teen, jolloin sähkökentän voimakkuus ontelossa on suurempi. Suuremman jännitera- situksen takia paikallinen osittaispurkaus ontelossa on mahdollinen. Ontelopurkaus syttyy, kun eristeen yli vaikuttava sähkökenttä on tarpeeksi suuri ylittääkseen kaasun, muttei eristeen jännitekestoisuutta. Tällöin kaasu muuttuu hetkellisesti ei johtavasta materiaalista johtavaksi, eli ionisoituu, ja varaus purkautuu ontelon toiselta reunalta toiselle. Tämän takia sähkökenttä ontelon sisällä pienenee hetkellisesti ja purkautu- misen jälkeen se palaa takaisin samalle tasolle, kuin sitä ympäröivän eristeen. [13, 10]
Ontelopurkauksen kolmikapasitanssimalli on esitetty kuvassa 3.
Kuva 3: Ontelopurkauksen kolmikapasitanssimalli. [10] Vasemmalla puolella on kuvattu ontelo eristeessä ja oikealla puolella on kuvattu sitä vastaavat komponentit kolmikapasintanssimallissa.
Ontelopurkaukset voivat olla erittäin haitallisia sähköverkon komponenteille, kuten
kaapelipäätteille, kunnonhallinnan kannalta, sillä jatkuvat osittaispurkaukset voivat johtaa laitteen rikkoutumiseen. Jatkuvat osittaispurkaukset eristeen sisällä aiheutta- vat kemiallista rappeutumista ja kaasujen syntymistä, minkä takia ontelopurkaukset ovatkin haitallisin osittaispurkauksien muoto, sillä niiden vaikutuksia ei voida nähdä visuaalisesti. Kemiallinen rappeutuminen heikentää eristeen ominaisuuksia, minkä seurauksena eristeen jännitekestoisuus laskee. Kaasujen syntyminen voi suurentaa olemassa olevia onteloita ja näin ollen heikentää eristettä edelleen. [14, 10]
Jatkuvat sisäiset osittaispurkaukset aiheuttavat myös sähköpuiden (treeing) synty- mistä. Sähköpuu on sisäisien osittaispurkauksien johdosta hitaasti syntynyt johtava kanava, mikä saa yleensä alkunsa ontelon reunalta. Sähköpuiden syntyminen on erittäin haitallista, sillä niiden kasvaessa tarpeeksi suuriksi, mahdollisuus johtavan kanavan syntymiseen elektrodien välille kasvaa, ja näin ollen myös mahdollisuus läpilyöntiin. Sähköpuu eristeessä esitettiin kuvassa 2. [14, 10]
Ontelopurkauksille on tyypillistä, että ne toistuvat sinimuotoisen vaihtojännitteen jokaisella jaksolla. Kuvassa 4 on esitetty jännitteen käyttäytyminen ontelon yli, kun ua on eristeen yli vaikuttava jännite ja uc on ontelon yli vaikuttava jännite. Kuvasta huomataan, että ontelon jännite ylittää syttymisjännitteetUi+ jaUi− yhteensä kaksi kertaa ensimmäisen puolijakson aikana ja kaksi kertaa toisen puolijakson aikana, eli osittaispurkauksia tapahtuu yhteensä neljä kertaa. Mikäli eristeen yli vaikuttaisi vieläkin suurempi jännite, voisi purkauksia tapahtua useampi kuin kaksi puolijaksossa.
Jos jännite ua ei ylittäisi syttymisjännitettä, ei ontelopurkauksia syntyisi ollenkaan.
[10]
Kuva 4: Jännite kaasuontelon yli [10].
2.2.2 Pintapurkaukset
Pintapurkauksia tapahtuu kiinteän eristeen ja nesteen tai kaasun rajapinnalla. Ne syntyvät, kun eristeen pinnalla vaikuttaa tarpeeksi voimakas pinnan suuntainen säh- kökenttä. Yksi olennaisin ja myös haitallisin pintapurkauksen muoto on liukupurkaus ja sen esiintyminen on tavallista kiinteän eristeen jännitekestoisuutta huomattavasti pienemmillä arvoilla. [15] Kaapelipäätteet sekä läpivientieristimet ovat olennaisimpia
liukupurkausrakenteita [10]. Liukupurkaukset ovat ontelopurkauksien tavoin haital- lisia suurjännitelaitteelle, sillä ne kuluttavat erityisesti orgaanisen eristeen pintaa.
Niiden syttymisjännite riippuu kiinteän eristeen suhteellisesta permittiviteetistäεr ja eristekerroksen paksuudesta d. Liukupurkauksen syttymisjännitettä Ui voidaan approksimoida kokeellisella yhtälöllä
Ui ≈k1(d εr
)0,45 , (6)
missäk1 on liukupurkauskerroin. [10] Liukupurkauksien synnyttämä virta eristeen pinnalla lämmittää sitä ja liukupurkauksien toistuessa, ne voivat luoda pieniä rakoja eristeen pintaan. Näiden kapeiden rakojen yli vaikuttaa erittäin voimakas sähkökenttä kaavan
E = U
d (7)
mukaisesti, mikä kasvattaa pintapurkausaktiviteettia, sillä purkauksien syntyminen rakojen yli on mahdollista. Erityisesti jos eriste on hiilipohjainen, tämä ilmiö voi muodostaa pysyviä sähköisesti johtavia hiilipuita eristeen pinnalle hiiltymisen johdos- ta ja tämä puolestaan kiihdyttää osittaispurkausaktiviteettia. [16] Liukupurkauksen kolmikapasitanssimalli ja sen syntymismekanismi on esitetty kuvassa 5.
Kuva 5: Pintapurkauksen kolmikapasitanssimalli [10].
Liukupurkauksien haitallisia vaikutuksia voidaan lieventää esimerkiksi eristeen pin- nan muodoilla ja pintamatkan (creepage distance) kasvattamisella, eli pidentämällä lyhyintä elektrodien välistä etäisyyttä. Pintamatkasta käytetään myös termiä ryö- mintämatka. Tämän toteuttamiseksi käytetään kaapelipäätteiden pinnoilla kuvan 6 kaltaisia laippamaisia muotoja, jotka ovat tehokkain tapa kasvattaa pintamatkaa.
Kuitenkin tärkein menetelmä liukupurkauksien ja niiden vaurioiden estämiseksi on homogenisoida ympäröivää sähkökenttää. Tämä voidaan toteuttaa lisäämällä muo- toiltuja, johtavia tai puolijohtavia kalvoja eristeen sisään. Näiden avulla luodaan kapasitiivinen jännitteenjako, mikä homogenisoi sähkökenttää. [15]
Kuva 6: Laippamaiset muodot kaapelipäätteiden pinnalla. Kuvaan piirretty jatkuva viiva laippojen pinnalla kuvastaa pintamatkaa [15].
2.2.3 Koronapurkaukset
Koronapurkauksilla tarkoitetaan ilmassa tai kaasussa tapahtuvia purkauksia, jotka syntyvät hiukkasten ionisoituessa voimakkaassa sähkökentässä johtimen, eristeen tai muun vastaavan pinnan terävien reunojen ympärillä esimerkiksi pölyhiukkasen, lintujen ulosteen, pinnan valmistusvirheiden tai jäätyneen veden takia. Terävä pin- ta aiheuttaa paikallisen sähkökentän tihentymän ja luo vääristymän ympäröivään sähkökenttään, joka kasvaessaan liian suureksi purkautuu koronapurkauksena. Sähkö- kentän ylittäessä kaasun jännitekestoisuuden, kaasuun syntyy johtava kanava, jonka seurauksena varauksia purkautuu kaasuun. Koronapurkaukset ovat tyypillisimpiä avojohdoilla, mutta niitä voi tapahtua myös suurjännitelaitteiden terävillä pinnoilla.
[10] Koronapurkauksen kolmikapasitanssimalli on esitetty kuvassa 7.
Kuva 7: Koronapurkauksen kolmikapasitanssimalli [10].
Verrattuna pinta- ja ontelopurkauksiin, koronapurkaukset ovat melko harmiton ilmiö. Koronan haittoja ovat pääasiassa tehohäviöt, radiohäiriöt ja melu [10, 15].
Eräälle 420 kV avojohtimelle tehdyssä laboratoriokokeessa saatiin koronapurkauksien tehohäviöiksi hyvällä säällä 0,8 W/m ja huurteisella avojohdolla 60 W/m [10]. Vaikka koronapurkaukset ovat melko harmiton ilmiö, niiden haittapuolena on se, että ne voivat peittää esimerkiksi haitallisista ontelopurkauksista syntyvää sähkömagneettista säteilyä.
2.2.4 Osittaispurkauksien PRPD-kuviot
Osittaispurkaustyyppien tunnistaminen esimerkiksi akustisista mittauksista tai RFI- mittauksista voi olla haastavaa, jos ei tiedätä millä tavalla kukin osittaispurkaustyyp- pi käyttäytyy. Osittaispurkaustyyppejä voidaan kuitenkin luokitella niiden PRPD- kuvioiden (phase-resolved partial discharge) perusteella. PRPD-kuvio on visuaalinen esitys osittaispurkausaktiviteetistä suhteessa sinimuotoisen vaihtojännitteen jaksoon.
Yksittäinen osittaispurkaus muodostaa pisteen tai viivan siihen amplitudiin ja jak- sonhetkeen missä se tapahtuu, minkä jälkeen useat osittaispurkaukset muodostavat PRPD-kuvion. Tietyt PRPD-kuvion piirteet ovat ominaisia osittaispurkaustyypeil- le, minkä vuoksi niitä voidaan luokitella jo pelkästään PRPD-kuvion perusteella.
Kuvassa 8 on esitetty eräs PRPD-kuvio, joka voidaan tunnistaa olevan peräisin koro- napurkauksista. Koronapurkaukset muodostavat tyypillisesti purkauskuvion, joka muistuttaa kanttiaaltoa. Sisäisille purkauksille on esimerkiksi tyypillistä muodostaa hajanaisempi sinikäyrän muotoinen kuvio.
Tämän lisäksi PRPD-kuvioita voidaan luokitella sen mukaan, millä hetkellä jaksoa osittaispurkaukset ilmenevät. Tällöin puhutaan joko negatiivisesta tai positiivisesta puolijaksosta, ja tarkemmin, tapahtuuko se nousevalla vai laskevalla puolijaksolla. Ku- van 8 tapauksessa koronapurkaukset tapahtuvat nousevalla positiivisella puolijaksolla
ja laskevalla negatiivisella puolijaksolla. Negatiivisella puolijaksolla purkausaktivi- teetti on huomattavasti tiheämpää.
Kuva 8: Omicronin MPD 600 järjestelmällä mitattu PRPD-kuvio.
2.3 Ympäristön vaikutus osittaispurkausilmiöihin
Ilmasto-olosuhteiden vaikutus voi olla merkittävä osittaispurkausaktiviteettiin, minkä takia suurjännitelaitteet on suunniteltava asennusolosuhteet, mekaaniset rasitukset ja ympäristö huomioon ottaen [7]. Merkittävimmät tekijät osittaispurkauksia kasvat- tavana tekijänä ovat ilmanpaine, kosteus, sateet, lumi, lämpötila ja erilaiset hiukkaset kuten lika ja pöly. Sisäisiin osittaispurkauksiin vaikuttaa erityisesti lämpötila ja pintapurkauksiin ja koronaan pinnan eri epäpuhtaudet ja sade.
2.3.1 Vaikutus korona- ja pintapurkauksiin
Kosteus kaasussa kasvattaa sen jännitekestoisuutta veden elektronegatiivisuuden vuoksi, kun taas kuiva kaasu laskee sitä [15]. Kuitenkin kosteuden tiivistyessä pisa- roiksi eristeen pinnalle, se kasvattaa sähkökentän voimakkuutta paikallisesti ja näin ollen kasvattaa pinta- ja koronapurkauksien todennäköisyyttä. Pisaroiden lisäksi muut hiukkaset kuten lika ja pöly eristeen pinnalla vahvistavat tätä ilmiötä. Lähtö- kohtaisesti sateen aiheuttamat vesipisarat ovat pinta- ja koronapurkausaktiviteettia kasvattavia tekijöitä, mutta voimakas sade voi myös puhdistaa eristeen pintaa liasta, jolloin purkausaktiviteetti laskee. Täysin puhtaassa eristeessä sade on ei toivottu ilmiö, kun eristyslaipoilta toiselle putoavat sadepisarat vahvistavat sähkökenttää paikallisesti. [7, 10]
Eristeen pinnalle kerääntyy ajan kuluessa likaa ja muita hiukkasia, jotka varsinkin yhdessä pisaroiden kanssa aiheuttavat pintapurkauksia. Kun lika kuivuu eristeen pinnalle vuotovirran vaikutuksesta, syntyy pinnalle kuivia vyöhykkeitä. Näiden vyö- hykkeiden matalat jännitekestoisuudet eivät kestä niiden yli vaikuttavaa sähkökenttää ja näin ollen syntyy pintapurkauksia. Tämän kaltaista tilannetta kutsutaan Dry band -pintapurkaukseksi, jota myös simuloidaan tämän diplomityön kokeellisessa osiossa. Lika eristeen pinnalla on erityisen haitallinen, sillä toisin kuin vesipisarat, se ei haihdu pois. Eristeen pinta voidaan rasvata silikonipohjaisilla rasvoilla, mitkä
vähentävät lian kertymistä. Tällaiset pinnoitteet on kuitenkin uusittava aika ajoin. [15]
Kaasun jännitekestoisuus muuttuu paineen ja lämpötilan vaikutuksesta. Kaasun paineen kasvaessa, sen atomit ahtautuvat pienempään tilaan ja keräävät vähemmän kineettistä energiaa törmäyksien välillä, jolloin kaasun jännitekestoisuus kasvaa. [17]
Jännitekestoisuus pienenee lämpötilaa nostaessa, sillä atomien keräämä lämpöenergia kiihdyttää niiden liikettä kaasussa [15]. Laskeva paine pienentää kaasun jännite- kestoisuutta, kun hiukkasilla on taas enemmän tilaa kerätä kineettistä energiaa ja laskeva lämpötila kasvattaa jännitekestoisuutta, kun hiukkasten vastaanottama lämpöenergia pienenee. Paineistetun kaasun eristävyyteen perustuu muun muassa paineistetulla kaasulla eristettyjen GIS-kojeistojen toiminta [15]. Eristettä ympäröi- vän kaasun paineen kasvulla ja lämpötilan laskulla on siis laskeva vaikutus pinta- ja koronapurkausaktiviteettiin ja päinvastoin.
2.3.2 Vaikutus ontelopurkauksiin
Lämpötilan ja paineen vaikutusta sisäisiin ontelopurkauksiin voidaan mallintaa Paschenin lain avulla. Sen mukaan läpilyöntilujuuden määrää homogeenisen kaasuon- telon elektrodivälin etäisyys ja kaasun paine. Laki on seuraus Townsendin läpilyön- tiehdosta ja se pätee vain niissä olosuhteissa, jossa läpilyönti noudattaa Townsendin läpilyöntimekanismia. [10] Townsendin mekanismia kutsutaan myös elektronivyö- ryksi ja siinä sähkökentältä ionisoitumisenergian saanut atomi ionisoituu ja irrottaa siitä elektronin. Irronnut elektroni voi ionisoida seuraavia atomeja, jolloin purkaus etenee vyörynomaisesti. Paschenin lain periaatteellinen kulku on esitetty kuvassa 9, missäUb on läpilyöntijännite, Ubmin on pienin mahdollinen läpilyöntijännite,pd on paineen ja elektrodien etäisyyden välinen tulo ja pdmin on pienimmän läpilyönti- jännitteen paineen ja etäisyyden tulo. Läpilyöntijännite ilmaistaan vaihtojännitteen huippuarvona.
Kuva 9: Paschenin laki. Ilman tapauksessaUbmin on 352 V ja pdmin on 0,73 Pa·m, sekä SF6 eristekaasussa 507 V ja 0,35 Pa·m [10].
Eristeseinäinen ontelo käyttäytyy samankaltaisesti kuin metallielektrodeilla varustet- tu ontelo, minkä takia Paschenin lakia voidaan soveltaa kaasuonteloiden tarkasteluun [10]. Kuitenkin eristeen sisäisiä onteloiden kokoja, suuntia tai muotoja ei usein tiede- tä, minkä takia Paschenin lain soveltaminen perustuu onteloiden koon ennustamiseen.
Ontelon sisäinen paine voi olla ilmanpainetta korkeampi, jos kaasu ei pääse purkau- tumaan ontelosta, mutta lähtökohtaisesti ontelon paine tasaantuu aina ympäristön paineen tasolle tietyn viiveen jälkeen. [10]
Mikäli paine ei pääse purkautumaan ontelosta, voidaan sitä kuvata kaasun yleisellä tilanyhtälöllä
pV
T =vakio , (8)
missäp on paine, V on tilavuus ja T on lämpötila. Sen mukaan lämpötilan nousu kasvattaa painetta ontelon sisällä, ja kuten aikaisemmin todettiin, tämä kasvat- taa ontelon jännitekestoisuutta. Lämpötilan kasvu aiheuttaa onteloa ympäröivässä eristeessä lämpölaajenemista, minkä takia ontelon koko voi puristua pienemmäksi.
Ontelon pieneminen lyhentää elektrodien välistä etäisyyttä ja näin ollen pienentää ontelon jännitekestoisuutta.
2.4 Osittaispurkauksien suureet
Osittaispurkauksessa siirtyvän varauksen suuruuden tarkka mittaaminen on mahdo- tonta, minkä takia osittaispurkauksen varauksen suuruutta mitataan eristysraken- teen liittimissä näkyvänä varauksen muutoksena. Tätä kutsutaan osittaispurkauksen näennäisvaraukseksi q ja se on valittu osittaispurkauksen suuruuden mitaksi. [10]
Näennäisvarauksen suuruus ilmaistaan tavallisesti pikocoulombeina pC, minkä li- säksi ja sen määrittelystä, mittausmenetelmistä ja esimerkiksi mittauslaitteiston kalibroinnista ja herkkyydestä on määrätty tarkasti kansainvälisessä standardissa IEC 60270 [18]. Vaikka näennäisvaraus ei varsinaisesti kuvaa itse osittaispurkauk- sessa siirtyvää varausta eikä se ole verrannollinen siihen, on se paras menetelmä arvioida osittaispurkauksien suuruutta. Näennäisvaraus on kuitenkin verrannollinen osittaispurkauksien tehoon ja energiaan ja näin ollen sillä voidaan ilmaista tarkasti syntyneiden osittaispurkauksien vakavuus. [10]
Näennäisvaraus voidaan havainnollistaa kuvan 3 mukaisella kolmikapasitanssimallilla.
Kun osittaispurkaus tapahtuu kondensaattorinCc yli, ulkoinen jännitelähde korvaa nopeasti kokonaisjännitteen vajauksen ja tämä näkyy eristysrakenteen liittimissä lyhyenä virtapulssina. Tämä virtapulssi saadaan mitattua erillisellä mittauspiirillä, jonka avulla saadaan laskettua osittaispurkauksen näennäisvaraus. [10] Näennäisva- rauksen mittausmenetelmä esitellään tarkemmin luvussa 4.2.
Osittaispurkauksien kannalta olennaisia mitattavia suureita ovat syttymisjännite Ui ja sammumisjännite Ue. Syttymisjännite kertoo millä eristeen yli vaikuttavalla jännitteellä tietyn näennäisvarauksen suuruisia tai sen ylittäviä purkauksia havaitaan ensimmäisen kerran. Sammumisjännitteellä tarkoitetaan sitä eristeen yli vaikuttavaa
jännitettä, jolla näitä purkauksia ei enää esiinny. Syttymis- ja sammumisjännitteen näennäispurkaustasolla ei ole universaalia rajaa, sillä se on usein tapaus- ja jännite- kohtainen. Sen suuruuden määrittää useimmiten standardi tai suurjännitelaitteen hankintasopimus. [10]
Muita osittaispurkauksien tarkastelun kannalta tärkeitä integroituja suureita ovat keskimääräinen purkausvirtaI, purkauksen energia w ja purkauksen teho P, mitkä saadaan laskettua kaavoilla
I =
∑︁
i|qi| Tt
, (9)
w≈0,5qiui ja (10)
P =
∑︁
iqiui Tt
, (11)
missäui on eristysrakenteen yli vaikuttavan jännitteen hetkellisarvo kunkin purkauk- sen qi esiintymishetkellä ja Tt on jaksonaika.
2.5 Osittaispurkauksien synnyttämä sähkömagneettinen sä- teily ja ääni
Sähkömagneettinen säteily eli sähkömagneettinen aaltoliike syntyy, kun varaus on kiihtyvässä tai hidastuvassa liikkeessä esimerkiksi osittaispurkauksessa. Maxwellin yh- tälöiden perusteella tiedetään, että muuttuva sähkökenttä indusoi magneettikentän ja päinvastoin muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän. [9] Kun sähkövarauksen ympärilleen luoma sähkökenttä on kiihtyvässä tai hidastuvassa liikkeessä, se in- dusoi myös magneettikentän, minkä takia osittaispurkaukset ovat sähkömagneettisia säteilijöitä. Maxwellin yhtälöt vektorimuodossa ovat
∇ ×E =−∂
∂tB , (12)
∇ ×H= ∂
∂tD+J, (13)
∇ ×D =ρja (14)
∇ ×B= 0, (15)
missäE on sähkökentän voimakkuus,B on magneettivuon tiheys, H on magneet- tikentän voimakkuus, D on sähkövuon tiheys, J on sähkövirran tiheys ja ρ on varaustiheys. Osittaispurkauksien lähettämää sähkömagneettista säteilyä voidaan mitata esimerkiksi RFI-mittausmenetelmällä, joka esitellään luvussa 4.3. Osittaispur- kauksien sähkömagneettisen säteilyn taajuus on tavallisesti mitattavissa HF (high frequency, 3−30 MHz), VHF (very high frequency, 30−300 MHz) ja UHF (ultra high
frequency, 0,3−3 GHz) taajuusalueilla [10]. Säteilyn mittaamiseen liittyy olennaises- ti väliaineen permittiviteetin lisäksi sen permeabiilisuus µ. Permeabiilisuus kuvaa väliaineen magneettista käyttäytymistä ja kertoo kuinka vahvasti väliaine magneti- soituu magneettikentän vaikutuksesta. [9] Yhtälön (3) tavoin myös magneettikentille voidaan esittää väliaineyhtälö
B =µH. (16)
Aikaisemmassa Fingridin teettämässä diplomityössä tutkittiin osittaispurkaustyyp- pien synnyttämiä radiohäiriöitä ja niiden taajuusspektrejä [19]. Osittaispurkaustyyp- pejä mitattiin laboratoriossa koekappaleilla, jotka simuloivat erilaisia osittaispur- kaustyyppejä. Mittauksia tehtiin Doblen PDS100-mittauslaittella, jolla mitattiin purkauksien taajuusspektrit taulukon 1 mukaisesti.
Osittaispurkaustyyppi Taajuusalue
Ontelopurkaukset 0−1000 MHz
Kosketushäiriö * 0−1000 MHz
Osittaispurkaukset presperaanissa * 0−500 MHz ja 700−800 MHz Kelluva potentiaali öljyssä * 0−500 MHz
Korona 0−200 MHz
Korona öljyssä * 0−200 MHz
Pintapurkaukset 0−150 MHz ja 300−600 MHz
Taulukko 1: Osittaispurkaustyyppien synnyttämien radiohäiriöiden sijoittuminen taajuusspektrille [19]. Tähdellä merkityt kohdat eivät ole määritelmän mukaisia osittaispurkaustyyppejä, vaan kokeellisen tilanteen synnyttämiä osittaispurkauksia.
Ontelopurkaukset aiheuttivat koko mittauslaitteen taajuusalueen pituisen taajuus- spektrin, koronapurkaukset rajoittuivat alle 200 MHz taajuuksille ja pintapurkaukset jakaantuivat alle 150 MHz ja 300-600 MHz taajuusalueille. Tärkeänä tietona tutki- muksesta selvisi, että voimajohdoilla yleiset koronapurkaukset rajautuivat alle 200 MHz taajuuksille, eivätkä ne peittäneet alleen koko taajuusalueen pituisia haitallisia ontelopurkauksia. Mittaukset suoritettiin häiriöttömässä ympäristössä ja pienillä koekappaleilla, minkä takia tuloksista on hankalaa tehdä johtopäätöksiä millaisilta samanlaiset viat näyttäisivät kaapelipäätteissä. Mitatut taajuusspektrit vaihtelevat huomattavasti esimerkiksi mittauslaitteesta, taustahäiriöistä, eristeestä, vaimene- misilmiöistä ja mittaavasta henkilöstä riippuen, minkä takia tuloksia on haastavaa verrata kaapelipäätteissä tapahtuviin osittaispurkauksiin.
Sähkömagneettisen säteilyn lisäksi osittaispurkaukset synnyttävät ääniaaltoja, jot- ka ovat voimakkaimmillaan ultraäänialueella 20−2 000 kHz [10]. Ääni syntyy, kun osittaispurkaus aiheuttaa äkillisen lämpötilan nousun materiaalissa, jolloin mate- riaalin nopeasti absorboima energia ja lämpölaajeneminen aiheuttaa mekaanisen paineaallon, eli äänen [20]. Samalla periaatteella muun muassa salama aiheuttaa kovan jyrinän purkauksen jälkeen. Osittaispurkauksen synnyttämä ääni ei ole välttä- mättä ihmiskorvalla kuultavissa kuten salama, mutta se voidaan mitata akustisilla
mittauslaitteilla. Esimerkiksi tehomuuntajassa esiintyvien osittaispurkauksien äänien taajuusalue on 100−400 kHz ja yleisesti akustisten mittauslaitteiden taajuusalue on 10−500 kHz, mutta megahertsinkin taajuutta käytetään. Kaapelipäätteiden ja –jatkosten osittaispurkaukset ovat tavallisesti mitattavissa 5−100 kHz taajuusalueel-
la, ja niiden pintapurkaukset ovatkin erityisen kuuluvia akustisen emission lähteitä.
[21, 10] Ihmiskorvan kuuloalue on 20−20 000 Hz, minkä takia matalataajuisten osit- taispurkauksien kuuleminen on myös mahdollista. Tämä kuitenkin usein rajautuu vain koronapurkauksiin, jotka ovat kuultavissa erityisesti avojohdoilla.
Eräässä tutkimuksessa selvitettiin sisäisien osittaispurkauksien synnyttämää ääntä ontelossa. Sen mukaan 0,25 millimetriä halkaisijaltaan olevassa ympyrän muotoisessa ontelossa osittaispurkaukset synnyttivät ääntä silikonikumissa (SiR) 20,5 kHz:n, etee- nipropeenikumissa (EPDM) 21,8 kHz:n, ja polyeteenissä (PE) 22,6 kHz:n taajuudella.
[21] Tutkimuksessa selvisi myös yhteys ontelon koon ja äänen taajuuden suhteen kuvan 10 mukaisesti. Syntyvän äänen taajuudesta voidaan näin ollen tehdä johto- päätöksiä ontelon koosta, mutta on otettava huomioon, että tutkimuksessa tutkittiin pieniä eristepaloja laboratorio-olosuhteissa. Todellisuudessa ympäristö, laitteiden rakenteet ja eristekerroksen paksuus vaimentavat syntyvää ääntä ja se onkin yksi akustisen mittausmenetelmän heikkouksista. [10]
Kuva 10: Ympyrämuotoisen ontelon koon vaikutus osittaispurkauksen synnyttämän äänen taajuuteen [21]. Y-akseli kuvaa äänen taajuutta kilohertseinä ja x-akseli ontelon kokoa millimetreinä.
Sähkömagneettisen säteilyn mittaamiseen perustuvat menetelmät ovat herkkiä ulkoi- sille sähkömagneettisille häiriöille ja tämän takia on haasteellista saada asemaym- päristössä signaalin tarkka sijainti kohdennettua. Akustiset menetelmät ovat huo- mattavasti tarkempia ja niillä paikantamisresoluutio voi olla senttimetrien luokkaa,
vaikka mittaus tapahtuisi häiriöalttiissa ympäristössä. Vaikka useat ilmiöt ja laitteet tuottavat ääntä sähköasemilla, akustisilla menetelmillä pystytään kohdentamaan mittaus tiettyyn pisteeseen, esimerkiksi suunnattavilla mikrofoneilla, jolloin mitatta- vasta suunnasta tulevat äänet erottuvat hyvin joukosta. [10] Tämän takia akustiset mittausmenetelmät ovat hyviä vian sijainnin paikantamiseen. Akustinen osittais- purkauksien havainnointi perustuu akustisen emission mittaamiseen ja kokeellisessa tutkimuksessa käytettävä mittausmenetelmä tullaan käsittelemään luvussa 4.4.
2.5.1 Sähkömagneettisen säteilyn ja äänen eteneminen
Sähkömagneettisen säteilyn ja äänen etenemiseen vaikuttaa useita eri tekijöitä, mihin olennaisimmin liittyy väliaine, jossa ne kulkevat. Ääni on mekaaninen aalto, mikä tarvitsee väliaineen liikkuakseen, kun taas sähkömagneettinen säteily voi kulkea tyhjiössäkin. Näin ollen väliaine vaikuttaa eri tavalla äänen ja sähkömagneettisen säteilyn etenemiseen. Leviämisvaimennus, absorptio, heijastuminen, taittuminen ja sironta ovat vaimentavia ilmiöitä, mitkä voivat tapahtua sekä sähkömagneettiselle säteilylle että äänelle. Sen vuoksi, kun tässä luvussa puhutaan aalloista, tarkoitetaan niillä yhteisesti sähkömagneettista säteilyä ja ääntä.
Kun aalto kohtaa kahden väliaineen rajapinnan, kuten öljyeristeen ja komposiittisen ulkokuoren, osa aallosta heijastuu takaisin tulokulmassaan ja osa pääsee lävitse. Tä- män suhteen määrää aallon tulokulma ja näiden kahden aineen akustiset impedanssit tai permittiviteetit. Läpi päässeen aallon energiasta osa muuntuu lämpöenergiaksi eli absorboituu ja osa jatkaa matkaansa. Mikäli aalto kulkee epähomogeenisessä aineessa, tapahtuu myös sirontaa. Sironta tapahtuu, kun aalto törmää esimerkik- si hiukkaseen tai kaasukuplaan väliaineen sisällä, minkä seurauksena se muuttaa kulkusuuntaansa tai siroaa moneen eri suuntaan. Näiden lisäksi kummatkin aallot vaimenevat geometrisen leviämisvaimennuksen takia. Osittaispurkaus synnyttää pis- temäisen aaltolähteen, mikä säteilee pallomaisesti jokaiseen suuntaan ja sen levitessä aina yhä isommalle pinta-alalle, saman tehon on myös jakauduttava isommalle pin- nalle. [22, 9]
Ilmakehän absorption ja sironnan aiheuttama vaimennus sähkömagneettiseen sätei- lyyn on lähes merkityksetön osittaispurkausmittauksissa ja sen vaikutus tulee vasta merkittäväksi gigahertsien taajuuksilla ja kilometrien etäisyyksillä. Esimerkiksi 20 GHz taajuisen säteilyn vaimennus on noin 0,1 dB/km merenpinnan tasolla (20oC, 43 % suhteellinen kosteus). [22] Samoilla ympäristöolosuhteilla 20 kHz äänen, joka on saman taajuinen kuin ontelopurkauksissa syntynyt ääni [21], absorboituminen ilmakehään on 0,563 dB/m, joten äänen absorboituminen on huomattavasti suurem- paa kuin sähkömagneettisen säteilyn ilmassa.
Sähkömagneettisen säteilyn vaimenemista voidaan kuvata tunkeutumissyvyydellä δ. Tunkeutumissyvyys (peneration depth, skin depth) on etäisyys, jolloin säteilyn sähkökentän amplitudi on pudonnut 1/e osaan, eli vaimentunut absorption takia
noin 37 %. [9] Tunkeutumissyvyys määritellään yhtälöllä δ=
√︄ 1
πf σµ , (17)
missä f on säteilyn taajuus, σ on väliaineen johtavuus ja µ on väliaineen permea- biilisuus. Kaavasta huomataan, että mitä pienempi väliaineen johtavuus ja säteilyn taajuus on, niin sitä pidempi tunkeutumissyvyys on. Toisin sanoin tämä tarkoit- taa, että eristeissä tunkeutumissyvyys on huomattavasti suurempi kuin johteissa.
Seuraavissa laskuissa on laskettu sähkömagneettisen säteilyn tunkeutumissyvyys polyeteenille (σ = 10−15Ωm−1,µ= 2,3·µ0) ja kuparille (σ= 5,8·107Ωm−1,µ=µ0) taajuudella 100 MHz [9]:
δCu =
√︄ 1
π·100M Hz·5,8·107Ωm−1·4π·10−7A/m2 ≈6,6µm, (18) δP E =
√︄ 1
π·100M Hz·10−15Ωm−1·2,3·4π·10−7A/m2 ≈1,05km. (19) Laskujen perusteella voidaan todeta, että eristeessä liikkuva sähkömagneettinen sätei- ly ei juurikaan vaimene osittaispurkausmittauksille relevanteilla etäisyyksillä, mutta metallisessa johteessa hyvinkin nopeasti. Tämän perusteella voidaan myös todeta, että eristeissä tapahtuvan sisäisen osittaispurkauksen sähkömagneettinen säteily pystytään mittaamaan hyvin RFI-mittausmenetelmillä. GIS-laitoksien osittaispur- kauksien sähkömagneettista säteilyä ulkoisilla mittauslaitteilla on kuitenkin lähes mahdotonta mitata, sillä laitteet ovat alumiinivalun sisällä (σAl = 3,5·107Ωm−1).
GIS-kojeistojen RFI-mittauksia voidaan kuitenkin suorittaa kojeistojen sisälle asen- nettavilla sensoreilla.
Tunkeutumissyvyyttä tarkasteltaessa on huomioitava, että sähkömagneettiset ra- dioaallot heijastuvat varsin tehokkaasti metallipinnoista. Mitä suurempi johtavuus materiaalilla on, sitä enemmän se heijastaa radioaaltoja. [9] Tämän takia mittauk- siin saattaa syntyä häiriöitä heijastuvasta sähkömagneettisesta säteilystä, ja siksi säteilylähteen paikantaminen saattaa olla haastavaa. Johtavilla metalleilla heijastus- kertoimet ovat hyvin lähellä kokonaisheijastumista, mikä on myös mahdollista, mikäli sähkömagneettinen säteily saapuu kahden aineen rajapintaan Brewsterin kulmassa.
[9, 22]
Tunkeutumissyvyyden tarkastelu toimii vain sähkömagneettisen säteilyn osalta ja äänen vaimenemisen tarkastelussa on tutkittava kaasumaisen tai nestemäisen vä- liaineen viskositeettia. Viskositeetillä tarkoitetaan aineen sisäistä kitkaa ja mitä suurempi viskositeetti aineella on, sitä enemmän siinä kulkevan ääniaallon energias- ta muuttuu lämpöenergiaksi. Ilman kineettinen viskositeetti 1,516·10−5 mm2/s on suhteellisen pieni, minkä takia äänen vaimeneminen siinä on pientä. Eristeenä toimi- vassa silikoniöljyssä kineettinen viskositeetti on 50 mm2/s, mikä kertoo eristeöljyjen ominaisuudesta vaimentaa ääntä. Kiinteissä aineessa viskositeetin sijaan puhutaan elastisuudesta ja viskoelastisuudesta. Energiahäviöiden määrittäminen kiinteissä ai- neissa ei ole niin suoraviivaista kuin nestemäisissä ja niihin vaikuttaa aineen Youngin
moduuli eli kimmokerroin. Eräässä tutkimuksessa tutkittiin epoksihartsin akustista käyttäytymistä, ja siinä sen akustiseksi vaimennukseksi mitattiin noin 270 dB/m (120 kHz, 25oC) [23]. Epoksihartsi on eristemateriaali, jota käytetään muun muassa
kuivissa kaapelipäätteissä eristeenä.
Koska eristeet vaimentavat mekaanisia ääniaaltoja tehokkaasti, sisäisien osittaispur- kauksien mittaaminen akustisesti voi osoittautua mahdottomaksi paksuilla eriste- kerroksilla. Kuitenkin ilman vaimentava vaikutus on pieni, minkä vuoksi pinta- ja koronapurkaukset ovat mitattavissa. Sähkömagneettinen säteily ei vaimene juuri ollenkaan eristeessä tai ilmassa, minkä takia sisäisien osittaispurkauksien lähettämä sähkömagneettinen säteily voidaan tunnistaa hyvin. Mittauksissa on kuitenkin huo- mioitava, että metalliset rakenteet heijastavat ja estävät sähkömagneettista säteilyä.
3 Kaapelit ja kaapelipäätteet
Tässä luvussa käsitellään kaapeleiden ja kaapelipäätteiden rakennetta, tyyppejä ja ominaisuuksia. Lisäksi luvussa 3.3 syvennytään kaapelipäätteiden vikatilastoihin ja vikojen syihin. Kaapeleiden ja kaapelipäätteiden jännitetasot jaetaan pienjännite- (< 1 kV), keskijännite- (1−36 kV) ja suurjännitetasoon (> 36 kV), minkä lisäksi ne voidaan jakaa käyttöjännitteiden mukaan vaihto- tai tasasähkökaapeleihin ja kaapelipäätteisiin. Tässä luvussa keskitytään kuitenkin vain keski- ja suurjänniteta- soihin sekä vaihtosähköllä toimiviin kaapeleihin ja kaapelipäätteisiin, sillä vain ne ovat diplomityön kokeellisen tutkimuksen kannalta olennaisia.
3.1 Kaapelin rakenne
Ilmajohtojen eristeenä toimii riittävä etäisyys viereisiin johtoihin ja laitteisiin, kun taas kaapeleiden eristyksestä on pidettävä erityistä huolta, sillä niitä asennetaan maan alle ja lähelle muita rakenteita. Voimakaapelit koostuvat useista kerroksista, joista sisimmäinen on johdin ja sitä ympäröivien kerroksien tehtävänä on muun muassa eristää, vahventaa ja ohjata sähkökenttää kaapelissa. Kaapeleita käytetään erityisesti kaupunkiolosuhteissa, joissa avojohdot eivät olisi tilan kannalta mahdollisia.
Niiden etu perinteisiin avojohtoihin on pieni tilan tarve, jännitteisten osien kosketus- suojaisuus, pienempi jännitteenalenema, suurempi lyhytaikainen ylikuormitettavuus ja ympäristön pieni vaikutus. Toisaalta ne ovat huomattavasti kalliimpia, niillä on huonot jäähdytysominaisuudet, niiden korjausajat ovat pitkiä, vianpaikannus on aikaa vievää ja niiden asennus on hankalaa. [15]
Pääsääntöisesti kaapeleiden johdinmetallina käytetään kuparia tai alumiinia niiden sähköisten ominaisuuksien vuoksi. Joitain muitakin metalleja voidaan käyttää eri- tyistapauksissa esimerkiksi kaapelin vetolujuuden lisäämiseksi. Alumiini on yleisin suurjännitekaapeleissa käytetty johdinmetalli ja se on muihin metalleihin verrattuna kevyempi ja edullisempi. Alumiinilla on kuitenkin suuri resistiivisyys verrattuna kupariin, minkä takia joissakin käyttökohteissa kupari on käytännöllisempi johdin.
Saman virranjohtokyvyn omaava alumiinikaapeli on poikkipinta-alaltaan 50 % suu- rempi kuin kuparikaapeli, mutta kuparikaapeli on alumiinikaapelia noin kaksi kertaa painavampaa. Keskijännitekaapeleille tyypillisiä johtimien paksuuksia ovat 25−300 mm2 ja 123 kV suurjännitekaapeleille 300−1600 mm2. [15] Kuitenkin paksuuksia 2500 mm2 asti käytetään sovelluksesta riippuen. Keski- ja suurjännitekaapelin rakenne on esitetty kuvassa 11.
Kuva 11: Prysmianin 3-johtiminen AHXAMK-W 20 kV (ylempänä) ja AHXCHBMK- W 110 kV (alempana) [24].
Keski- ja suurjännitekaapeli ovat rakenteeltaan hyvin samantapaisia, mutta niissä voi sovelluksen mukaan olla joitakin poikkeavuuksia. Esimerkiksi suurjännitekaapeleissa on usein paksummat eristekerrokset, keskijännitekaapeleita valmistetaan usein kuvan 11 tapaisesti kolmijohtimisina, kun taas suurjännitekaapelit valmistetaan tavallisesti johdin kerrallaan. Lisäksi tiettyjä kerroksia kaapeleissa ei tarvita, mikäli jännitetaso on tarpeeksi alhainen. Esimerkiksi johdinsuoja tulee tarpeelliseksi vasta 6 kV jälkeen polyeteenikaapeleissa. [15]
Johdinsuoja sijaitsee johtimen pinnalla ja sen tarkoitus on tasoittaa johtimen epäta- saisuuksia, pienentää kentänvoimakkuushuippuja ja lieventää johtimesta eristykseen aiheutuvia lämpörasituksia. Johdinsuoja valmistetaan puolijohtavasta materiaalista.
Johdinsuojan päällä sijaitsee kaapelin eristys ja sen tehtävänä on antaa kaapelille tarpeeksi suuri jännitekestoisuus ja toimia myös lämmönjohtimena häviölämmölle.
Eristemateriaalina voi toimia muun muassa öljykyllästeinen paperi, erilaiset muovit tai jopa kaasu. [1]
Nykyään muovieristeet ovat syrjäyttäneet öljypaperiset eristeet kaapeleista ja tilas- tojen mukaan suosituin eriste on ristisilloitettu polyeteeni XLPE. CIGREn (Conseil International des Grands Réseaux Electriques) brosyyrin mukaan [4], vuosien 2005 ja 2015 välillä kaikista asennetuista maakaapeleista 98 % olivat XLPE-eristeisiä. Jossa- kin kirjallisuudessa ristisilloitetusta polyeteenistä käytetään myös lyhenteitä PEX ja XPE. Muovieristeen valmistusprosessia johtimen päälle kutsutaan ekstruusiok- si eli suulakepuristukseksi, minkä takia muovieristeisiä kaapeleita kutsutaan myös suulakepuristetuiksi muovikaapeleiksi. Kaasueristettä, kuten rikkiheksafluoridia SF6 käytetään vain erikoistapauksissa, joissa tarvitaan suurta tehonsiirtokykyä. [10]
Hohtosuoja sijaitsee eristekerroksen päällä ja se valmistetaan johtavista metallinau- hoista ja puolijohtavasta materiaalista, ja sen tarkoitus on yhdessä johdinsuojan kanssa rajata virran synnyttämä sähkökenttä näiden kahden sylinteripinnan väliin.
Sen päällä sijaitsevan kosketussuojan tarkoitus on olla kanava kaapelissa mahdollisesti syntyville varaus- ja vikavirroille, toimia vedeneristyksenä ja ylipäänsä turvallisuutta parantavana osana häiriötilanteissa. Kosketussuoja valmistetaan metallista, joista tavallisimmat ovat lyijy, alumiini, kupari tai teräs. Metallisen kosketussuojan ja hoh- tosuojan välissä on usein myös pitkittäinen vesieristys, joka valmistetaan paisuvista puolijohtavista muovinauhoista. Tämän tarkoituksena on estää kaapelin sisälle pääs- seen veden eteneminen kaapelissa. [15]
Ulkoisilla suojakerroksilla tarkoitetaan kaapelia vahventavia ja pyöristäviä kerrok- sia, kuten välivaipat, korroosiosuojaus ja armeeraus. Väli- ja ulkovaipat voidaan valmistaa metallista, kumista tai muovista. Armeerausta käytetään lähinnä vain meri- ja kaivoskaapeleissa tai muissa erittäin vaativissa olosuhteissa. Armeeraukseen käytetään terästä, jolloin kaapelin vetolujuutta ja vahvuutta saadaan parannettua.
[15, 25]
3.2 Kaapelipäätteen toiminta ja rakenne
Kaapelipääte on laite, jolla päätetään kaapeli ja muunnetaan se esimerkiksi avojoh- doksi. Kaapelipäätteen tulee olla sähköisiltä ja eristäviltä ominaisuuksiltaan yhtä kestävä, esimerkiksi jännitekestoisuuden suhteen, kuin siihen saapuva kaapeli ja tämän takia kaapeleita ja kaapelipäätteitä koestetaan tavallisesti yhdessä, sillä ne muodostavat kokonaisuuden. Kaapelipäätteiden yksi tärkeimmistä tehtävistä on tasata kaapelin eristeen päähän muodostuva sähkökentän jakauma poikittaisesta pitkittäiseksi, jottei epäjatkuvuuskohtaan syntyisi kentänvoimakkuuden tihentymiä.
Tihentymät voivat aiheuttaa kaapelipäätteen eristeen jännitekestoisuuden ylittämi- sen ja näin ollen voivat aiheuttaa osittaispurkauksia tai läpilyönnin. Kaapelipäätteen muita tehtäviä on pitää kosteus poissa kaapelista ja suojata sen päätä mekaanisesti sekä sulkea se hermeettisesti ympäristöstään. [10]
Koska kaapelin kerroksia joudutaan kuorimaan sitä yhdistettäessä keski- tai suurjän- nitekaapelipäätteeseen, on otettava huomioon kaapelin päässä syntyvä jännitteenoh- jausongelma. Normaalitilanteissa kaapelissa virran synnyttämä sähkökenttä rajautuu sen elektrodien väliin, mutta kun kaapeli kuoritaan, päättyy toinen maadoitettu elektrodi ja syntyy kuvan 12 a) mukainen epäjatkuvuuskohta. Tämän epäjatkuvuus- kohdan seurauksena syntyy kuvan mukaisia paikallisia kentänvoimakkuushuippuja elektrodin rajapintaan ja kentänvoimakkuusjakauma vääristyy. [10, 12]
Epäjatkuvuuskohta voidaan ratkaista rakentamalla kaapelieristyksen päälle lisäeristys eli kentänvoimakkuuden tasaaja tai toisella nimellä kentänohjauskeila (stress cone).
Kentänohjauksen tarkoituksena on varmistaa, että lisäeristeen ja kaapelieristeen väliin jäävään rajapintaan kohdistuu mahdollisimman pieni ja vakiona pysyvä akselin suuntainen sähkökenttä. Tämä voidaan tehdä geometrisesti elektrodeja muotoilemalla tai kapasitiivisesti permittiviteettien eroon perustuvalla ohjauksella, mistä molemmat tavat ovat esitetty kuvassa 12. Ilman kentänohjausta epäjatkuvuuskohtaan syntyvä sähkökentänvoimakkuushuippu aiheuttaisi haitallisia osittaispurkauksia. [10, 12, 15]
Kuva 12: Kaapeli a) ilman kentänohjausta b) geometrisella kentänohjauksella c) kapasitiivisella kentänohjauksella. Katkoviivat esittävät sähkövuoviivoja ja jatkuvat viivat tasapotentiaalitasoja [12].
Eräiden keski- ja suurjännitekaapelipäätteiden rakenteet ovat esitetty kuvissa 13 ja 14. Toisin kuin kaapeleiden osalta, kaapelipäätteissä on huomattavia eroja keski- ja suurjännitetasolla. Näillä jännitetasoilla on kuitenkin joitakin yhteneviä piirteitä. Mo- lempien jännitetasojen kaapelipäätteet voidaan jakaa ulko- ja sisäkaapelipäätteisiin.
Niiden erona on se, että ulkokaapelipäätteet ovat suunniteltu käyttöön ulkoilmassa, jossa ne ovat altistuneena auringon säteilylle ja sääilmiöille, minkä lisäksi niiden on oltava vesitiiviitä. Sisäkaapelipäätteet ovat suunniteltu vain sisäkäyttöön, jossa ne ovat turvassa ympäristön vaikutuksilta.
Molemmilla jännitetasoilla kaapelipäätteen ulkokuoressa käytetään laippamaisia muotoja. Nämä laipat ovat tärkeä osa kaapelipäätteiden rakennetta ja niiden tarkoi- tus on pidentää ulkokuoren pintamatkaa. Laippamaista muotoa käytetään myös siitä syystä, ettei esimerkiksi sade tai jää pääse muodostamaan suoraa pintaa pitkin joh- tavaa kanavaa ja näin ollen ylilyöntiä. [13] Joissain kaapelipäätemalleissa käytetään joka toisessa kerroksessa vaihtelevia laippakokoja, jottei jää pääsisi muodostamaan johtavaa siltaa laippojen välille. Tarvittavaan kaapelipäätteen pintamatkaan vaikut- taa olennaisesti myös ilmaston saasteisuus. Standardi IEC 60815-1 [26] määrittää saasteisuustason asteikolla a (very light) - e (very heavy), ja esimerkiksi Prysmianin OTC-123 kaapelipäätteessä [27] käytetään 2719 millimetrin pintamatkaa, millä saas- teisuuskestoisuus on tasolla c (medium). Kaapelipäätteitä voidaan myös kustomoida asiakkaan pyynnöstä saasteisempiin olosuhteisiin kasvattamalla pintamatkaa.
