Atte Weckman
Sähkötekniikan korkeakoulu
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 30.4.2021.
Työn valvoja
Prof. Matti Lehtonen
Työn ohjaaja
DI Jyrki Reikko
Tekijä Atte Weckman
Työn nimi Maadoitusjärjestelmien laskennallinen tarkastelu
Koulutusohjelma Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering Pääaine Sähköenergiatekniikka Pääaineen koodi ELEC3024 Työn valvoja Prof. Matti Lehtonen
Työn ohjaaja DI Jyrki Reikko
Päivämäärä 30.4.2021 Sivumäärä 63+3 Kieli Suomi
Tiivistelmä
Keskijänniteverkon laajamittainen maakaapelointi on muuttanut taajama-alueen ulkopuolisen sähkönjakeluverkon maadoitusjärjestelmän topologian. Maakaapeloinnin myötä muuntamoiden maadoitukset yhdistyvät kaapelin kosketussuojien ja maa- doitusjohdinten kautta toisiinsa, jolloin maadoitusjärjestelmä vastaa kaapeloidun keskijänniteverkon laajuutta. Tämän kaltaisen yhteen liitetyn maadoitusjärjestel- män SFS 6001 -standardin mukaiset sähköturvallisuusvaatimukset voidaan osoittaa määräysten mukaisiksi laskemalla muuntamoilta tarkasteltujen resultoivien maadoi- tusimpedanssien arvot, jotka määritetään dokumentoitujen maadoituselektrodien geometriatietojen ja maaperän resistiivisyyksien perusteella.
Tässä työssä tutkitaan yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän laskennallista tark- kuutta suhteessa kaapeloidun keskijänniteverkon maasulkukokeiden aikana mitat- tuihin tuloksiin. Työssä esitetään laskennan referenssiarvoiksi Carunan keskijänni- teverkkoon tehtyjen maasulkukokeiden aikana mitatut vikavirran jakaumat sekä prospektiivisten kosketusjännitemittausten ja vikavirran perusteella lasketut vikapai- kan resultoivat maadoitusimpedanssit. Lisäksi työssä esitetään kahden vikapaikan resistiivisyysmittaukset ja yksittäisen muuntamon käännepistemittaus. Laskennan tarkkuutta arvioidaan kahdella mallilla, joissa maadoitusjärjestelmä koostuu muunta- moiden maadoituselektrodeista ja kaikista dokumentoiduista maadoituselektrodeista.
Työssä esitettyjen laskenta- ja mittaustulosten perusteella maadoitusjärjestelmän laskennallinen resultoiva maadoitusimpedanssi kuvastaa riittävän hyvin todellista tilannetta ja sen perusteella voidaan osoittaa maadoitusjärjestelmän määräysten- mukaisuus. Laskennallinen maadoitusimpedanssi oli kaikissa tapauksissa mitattua suurempi, mikä sisällyttää laskennallisiin tuloksiin erillisen turvamarginaalin. Las- kennallisen vikavirran jakauman ei kuitenkaan todettu vastaavan mitattuja tuloksia riittävän tarkasti, minkä vuoksi laskennan ei todettu myöskään kuvastavan maadoi- tusten yhdysjohtimien reduktiovaikutusta riittävällä tarkkuudella.
Avainsanat Maadoitus, maadoitusjärjestelmä, vaarajännite, maadoitusimpedanssi, maadoitusresistanssi
Author Atte Weckman
Title Computational evaluation of interconnected earthing systems
Degree programme Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering Major Electrical Power and Energy Engineering Code of major ELEC3024 Supervisor Prof. Matti Lehtonen
Advisor M.Sc. (Tech.) Jyrki Reikko
Date 30.4.2021 Number of pages 63+3 Language Finnish
Abstract
Large-scale underground cabling of the medium voltage network has changed the topology of the earthing system of the electricity distribution network outside urban areas. Underground cabling connects the earthing systems of individual distribution transformers via the cable screens and earthing conductors, whereby the earthing system corresponds to the extent of the medium voltage network. The electrical safety requirements of such an interconnected earthing system may be demonstrated in accordance with the Finnish national standard SFS 6001 by calculating the values of the resulting impedances to earth.
This thesis evaluates the computational accuracy of the behaviour of intercon- nected earthing systems in relation to the results measured during earth fault tests.
The reference values of the studied computational earthing system models are the measured fault current distributions and the resulting earthing impedances calcu- lated on the basis of prospective touch voltage measurements and fault currents.
In addition, the measurements of two fault location’s earth resistivities and the fall-of-potential measurement of a single transformer’s earthing are presented in this thesis.
The computational accuracy is estimated by two models in which the earthing system consists of only the medium voltage network’s earthing electrodes and all documented earthing electrodes including the 0,4 kV network. The calculated impedance to earth was higher in all cases than the measured value, which includes a separate safety margin in the calculated results. However, the distribution of the calculated fault current was not found to correspond to the measured results with sufficient accuracy. Therefore, the calculation was also not found to reflect the reduction effect of the interconnection with sufficient accuracy.
Keywords Earthing, earthing system, earth potential rise
Esipuhe
Tämä diplomityö on tehty toimeksiantona Caruna Oy:lle. Haluan kiittää Carunalta Henri Vierimaata ja Jyrki Reikkoa mielenkiintoisesta, ajankohtaisesta ja haastavasta diplomityön aiheesta. Lämpimät kiitokset Jyrki Reikolle työn aktiivisesta ja asian- tuntevasta ohjaamisesta. Haluan kiittää työn valvojana toiminutta professori Matti Lehtosta lukuisista neuvoista ja mielenkiintoisista keskusteluista tämän diplomityön sekä sähkövoimatekniikan opintojeni ajalta.
Lisäksi haluan kiittää Carunan kollegoita, jotka ovat auttaneet työn edistämisessä ja tarjonneet asiantuntevia neuvoja kesätyöjaksojeni aikana vuoden 2018 kesästä lähtien. Erityiskiitoksen Carunalta ansaitsee Rauno Ristimäki, joka eläkepäivistään huolimatta löysi aikaa auttaa monien haastavien kysymysten parissa. Kiitos myös Heikki Sorrille Noormarkussa käydyistä mielenkiintoisista keskusteluista ja avusta mittausteknisissä kysymyksissä. Lopuksi haluan osoittaa suuret kiitokset ystävilleni ja perheelleni saamastani tuesta opintojeni ja diplomityön kirjoituksen aikana.
Otaniemi, 28.4.2021
Atte Weckman
Sisällys
Tiivistelmä ii
Tiivistelmä (englanniksi) iii
Esipuhe iv
Sisällys v
Symbolit ja lyhenteet vii
1 Johdanto 1
2 Sähkönjakeluverkon maadoitukset 3
2.1 Yleistä . . . 3
2.2 Sähkönjakeluverkon maadoitusjärjestelmät . . . 5
2.2.1 Laaja maadoitusjärjestelmä . . . 6
2.3 Maaperän resistiivisyys . . . 8
2.3.1 Maaperän kerrostuneisuus . . . 10
3 Keskijänniteverkon maasulku 12 3.1 Maasulku maasta erotetussa verkossa . . . 12
3.2 Maasulku sammutetussa verkossa . . . 15
3.3 Maasulkusuojaus . . . 18
4 Maapotentiaalin nousu ja vaarajännitteet maasulussa 21 4.1 Maapotentiaalin nousu . . . 21
4.2 Vaarajännitteet . . . 22
4.3 Vaarajännitteitä koskevat vaatimukset . . . 23
5 Maadoitusten mittaus 28 5.1 Käännepistemenetelmä . . . 28
5.2 Voltti-ampeerimenetelmä . . . 30
5.3 Wennerin neljän piikin menetelmä . . . 32
6 Mitatut kohteet ja mittaustulokset 34 6.1 Noormarkun keskijänniteverkko . . . 34
6.2 Noormarkun yhteen liitetty maadoitusjärjestelmä . . . 35
6.3 Poikeljärven kolmen muuntopiirin ketju . . . 39
6.4 Maadoitusjärjestelmästä irrotettu kompensointiasema . . . 41
7 Maadoitusjärjestelmien laskenta 43 7.1 Laskennassa käytetyt parametrit . . . 43
7.1.1 Kaapelin nollaimpedanssi . . . 44
7.2 Laskentatulokset . . . 47
7.2.1 Noormarkun yhteen liitetty maadoitusjärjestelmä . . . 47
7.2.2 Poikeljärven kolmen muuntopiirin ketju . . . 50
7.2.3 Maadoitusjärjestelmästä irrotettu kompensointiasema . . . 51
8 Tulosten vertaus laskettuihin arvoihin 52 8.1 Noormarkun yhteen liitetty maadoitusjärjestelmä . . . 52
8.2 Poikeljärven kolmen muuntopiirin ketju . . . 54
8.3 Maadoitusjärjestelmästä irrotettu kompensointiasema . . . 56
8.4 Laskenta- ja mittaustulosten luotettavuus . . . 57
9 Yhteenveto 59
Viitteet 61
A Kehon kautta kulkevan virran raja-arvot 64
B Maadoitusresistanssien määrittäminen verkkotietojärjestelmän las-
kennassa 65
C Muuntamon perusmaadoituksen rakenne 66
Symbolit ja lyhenteet
Symbolit
3I0 maasulkuvirta
A pinta-ala
a Wennerin menetelmässä käytetty elektrodien piikkiväli b elektrodin upotussyvyys
C jännite-elektrodin etäisyys mitatusta kohteesta D pallon, levyn tai ruudukon halkaisija
de halkaisija
F sallitun kosketusjännitteen kerroin
Ce1, Ce2 johtolähtöjen 1 ja 2 yhden vaiheen maakapasitanssi Ce johtolähtöjen yhteenlaskettu maakapasitanssi
f taajuus
H homogeenisen maaperän maapaluujohtimen ekvivalenttisyvyys h elektrodin upotussyvyys
h1 pintamaakerroksen syvyys
IB kehon virta
IC, IL,IR kapasitiivinen -, induktiivinen -ja resistiivinen virta
IE maavirta
IEW reduktiojohtimien virta
IF vikavirta
Im mittausvirta
ISCR kaapelin kosketussuojan virta
L induktanssi
l maadoituselektrodin kokonaispituus
P virta elektrodin etäisyys mitattavasta kohteesta pv maan kosteuspitoisuus
R resistanssi
r reduktiokerroin
RE maadoitusresistanssi
r säde
ri,ro kaapelin kosketussuojan sisempi -ja ulompi säde
Rf vikavastus
Rg maapaluupiirin resistanssi Rm mitattu resistanssi
Rscr kosketussuojan resistanssi Rres resultoiva maadoitusresistanssi Rtot kokonaisresistanssi
s etäisyys elektrodin keskipisteestä
U0 nollajännite
UE maadoitusjännite
UEM mitattu maadoitusjännite Um mitattu jännite
U′R,U′S, U′T vaiheiden R, S ja T vian aikaiset vaihejännitteet UR,US, UT vaiheiden R, S ja T terveen tilan vaihejännitteet
UT kosketusjännite
UT p sallittu kosketusjännite
UvT prospektiivinen kosketusjännite UvS prospektiivinen askeljännite tf vian kesto
Vs maapotentiaali
X reaktanssi
Xm keskinäisreaktanssi
Xres resultoiva maadoitusreaktanssi ZE maadoitusimpedanssi
Zm keskinäisimpedanssi
Zres resultoiva maadoitusimpedanssi ZT kehon impedanssi
ΣI1, ΣI2 johtolähdöiltä 1 ja 2 mitatut summavirrat
θ käännepistemenetelmän apuelektrodien välinen kulma κ heijastuskerroin
µ0 tyhjiön permeabiliteetti ρ resistiivisyys
ρ1, ρ2 pinta- ja pohjamaan resistiivisyys ρma näennäinen resistiivisyys
ρv maan sisältämän veden resistiivisyys
ε virhetermi
τ aikavakio
ϕ0 nollavirran ja -jännitteen välinen vaihekulma
ω kulmataajuus
Lyhenteet
AC Vaihtovirta
BF Kehon virtakerroin DC Tasavirta
GMD Geometrinen keskietäisyys GMR Geometrinen keskisäde HF Sydämen virtakerroin
IEEE Institute of electrical and electronics engineers KJ Keskijännite
INSKO Insinöörijärjestöjen koulutuskeskus NIS Network information system PE Protective earth
PEN Protective earth and neutral PJ Pienjännite
PMK Päämaadoituskisko RMS Root mean square
SFS Suomen standarditoimistoliitto
1 Johdanto
Vuoden 2013 sähkömarkkinalakiin tehdyistä muutoksista on seurannut mittavat sähkönjakeluverkon toimitusvarmuusinvestoinnit, jotka toteutetaan Carunalla pää- sääntöisesti keskijänniteverkon ilmalinjojen maakaapeloinnilla. Keskijänniteverkon laajamittaisen kaapeloinnin seurauksena jakeluverkon muuntamoiden maadoitukset yhdistyvät galvaanisesti muodostaen yhtenäisen ja usein laajan maa-alueen kattavan maadoitusjärjestelmän. Maadoitusjärjestelmän tehokkuus on perinteisesti määritetty suoralla mittauksella, mutta viimeaikaiset verkkotietojärjestelmän kehitykset sekä vuoden 2018 SFS 6001 Suurjännitesähköasennukset-standardin päivitys mahdollista- vat maadoitusjärjestelmän tehokkuuden laskennallisen määrityksen.
Sähköverkon maadoitusten tehokkuutta mitataan maadoitusjärjestelmän resul- toivan impedanssin suuruudella, millä tarkoitetaan tarkasteltavan pisteen ja refe- renssimaan välistä impedanssia. Resultoivan impedanssin tulee olla riittävän pieni, jotta suurjännitesähköasennuksia koskevassa SFS 6001 -standardissa määritetyt vaa- rajännitevaatimukset täyttyvät. Vaarajännitevaatimukset täyttävillä maadoituksilla varmistutaan siitä, ettei sähköverkon maadoitettuun osaan koskeminen sähköverkon vian aikana johda ihmiselle vaarallisen suureen virtaan.
Yhteen liitetty maadoitusjärjestelmä parantaa sähköverkon turvallisuutta, koska maasulun aikana vikavirta kulkeutuu maahan useiden muuntopiirien maadoituse- lektrodien kautta. Tästä johtuen vikavirran näkemä impedanssi pienentyy eikä yksittäisen maadoituselektrodin yli muodostu yhtä suurta jännitehäviötä samalla vi- kavirralla. Yhdistyneen maadoitusjärjestelmän resultoivan impedanssin mittaamiseen liittyy kuitenkin epätarkkuuksia, koska perinteisesti käytetyn mittaustuloksen määrit- tämisessä tehdyt oletukset perustuvat tyypillisesti pistemäisen maadoituselektrodin mittaamiseen ja homogeeniseen maaperään.
Yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän laskentaa on käsitelty useissa julkaisuissa, joissa tarkastellaan maadoitusten yhdistymisen vaikutusta resultoivaan maadoitusim- pedanssiin [1]-[5]. Aiemmissa julkaisuissa ei kuitenkaan huomioida pienjänniteverkon maadoitusten vaikutusta yksittäisten muuntopiirien maadoitustehoon, millä saat- taa olla merkittävä vaikutus laskennan antamaan tulokseen. Julkaisua [2] lukuun ottamatta ei myöskään esitetä tarkalla mittauksella määritettyä referenssiä yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän resultoivasta maadoitusimpedanssista.
Tässä diplomityössä tutkitaan yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän laskennan edellytyksiä nykyistä tarkempaan maadoitusjärjestelmien turvallisuuden arvioin- tiin. Työ tehdään osana Carunan maadoitusten suunnitteluohjeen päivitystä, jonka tarkoituksena on mahdollistaa verkkotietojärjestelmään kehitetyn laskennan hyö- dyntäminen maadoitusten suunnittelussa. Työssä tehty laskenta perustuu Carunan verkkotietojärjestelmään dokumentoituihin tietoihin, joiden perusteella mallinnetaan yksittäisten maadoituselektrodien resistanssit ja yhdysjohtimina toimivien johdinten vaikutukset resultoivaan maadoitusimpedanssiin. Työssä tehdyissä laskennoissa on aiemmista julkaisuista poiketen huomioitu myös pienjänniteverkon maadoitusten vaikutus laskentatuloksiin, joita on verrattu eri suuruisiin maadoitusjärjestelmiin tehtyihin maasulkukokeiden mittaustuloksiin.
Työn tavoitteena on mahdollistaa maadoitusjärjestelmän resultoivien maadoi-
tusimpedanssien laskenta verkkotietojärjestelmässä riittävällä tarkkuudella ja selvit- tää, vastaako laskentamalli maadoitusjärjestelmän käyttäytymistä maasulkutilan- teessa. Lisäksi yhteen liitettyjen maadoitusjärjestelmien laskennallista tarkastelua pyritään jatkossa hyödyntämään Carunan sähkönjakeluverkon maadoitusten raken- tamisessa ja suunnittelussa, mikä tarjoaa entistä tarkemman tiedon yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän tehokkuudesta ja suunnitellun verkon turvallisuudesta vikati- lanteissa.
Työssä tehty tutkimus koostuu teoreettisista laskentatuloksista ja lasketun verkon alueella tehdyistä käytännön mittauksista, joita käytetään laskentatulosten validoi- misessa. Laskennassa käytetty mittausaineisto on peräisin Carunan kaapeloituun keskijänniteverkkoon tehdyistä maasulkukokeista, jotka tehtiin vuoden 2020 syksyllä.
Aineistoa on täydennetty samalla viikolla tehdyillä vikapaikkojen alueen maaperän resistiivisyysmittauksilla ja yksittäisen muuntamon maadoitusmittauksella.
Työn alkupuolisko käsittelee maadoitusjärjestelmiin liittyvää teoriaa. Luvussa 2 tarkastellaan keskijänniteverkon maadoitusten rakennetta ja maaperän sähkönjohta- vuuden vaikutusta maadoituksiin. Luku 3käsittelee keskijänniteverkon maasulkuti- lanteita, joiden aikaiset vikavirrat muodostavat reunaehdot maadoitusjärjestelmän vaatimuksille ja suunnitteluun. Lisäksi luvussa avataan Carunalla käytetyn maa- sulkusuojauksen toimintaa ja sen toiminta-aikoja rajoittavia tekijöitä. Luvussa 4 esitetään vikavirran aikaansaava maapotentiaalin nousu, sen muodostamat vaara- tilanteet ja alaa koskevissa standardeissa määritetyt vaatimukset maapotentiaalin nousulle. Sähköverkon maadoitusarvojen määrittämisessä tyypillisesti käytetyt mit- tausmenetelmät esitetään luvussa 5.
Työn loppupuolisko käsittelee työssä käytettäviä mittaus -ja laskentatuloksia.
Luvussa 6 kuvataan mitatut kohteet ja esitetään mittaustulokset. Luku 7 avaa laskennan teoriaa ja laskentaa varten määritettyjä parametreja, joiden lisäksi siinä esitetään lasketut tulokset mitatuille kohteille. Mittaustuloksia ja laskettuja arvoja tarkastellaan luvussa8, jossa pohditaan myös laskennan ja mittausten luotettavuutta ja epätarkkuuksia. Luvussa9 esitetään työn tuloksista johdettu yhteenveto.
2 Sähkönjakeluverkon maadoitukset
Tässä luvussa tarkastellaan sähkönjakeluverkon maadoituksia ja maaperän resis- tiivisyyttä. Luvussa esitetään yleisimmät jakeluverkossa käytettävät elektrodit ja yhtälöt niiden maadoitusresistanssien laskentaan. Samoja elektrodeja käytetään maa- doitusjärjestelmän resultoivien maadoitusimpedanssien laskennassa. Luvun lopussa käsitellään maaperän resistiivisyyttä ja siihen vaikuttavia tekijöitä.
2.1 Yleistä
Sähkönjakeluverkon maadoitusten tarkoituksena on luoda sähköä johtava yhteys jakeluverkon laitteiden ja maan välille, mikä estää vaarallisen suurten jännitteiden syntymisen sähkölaitteille [6, s. 1 VI]. Maadoitusten tehokkuuden mittarina käytetään maadoitetun kohteen ja kaukaisen referenssimaan välistä maadoitusimpedanssia.
Taulukko 1: Maadoitusresistanssiyhtälöt eri maadoituselektrodien geometrioille. [6, s.
12 II][7, s. 148]
Elektrodin laatu Kaava Huomautukset
Pallo pinnassa RE = πDρ
Levy pinnassa RE = πDρ s << D
Pystysuora tanko tai putki pinnassa RE = 2πlρ ln1,36d4l s << l
Pystysuora tanko tai putki upotettuna RE = 2πLρ ln1,36d4l 2h+l4h+l s << l
Vaakasuora johdin pinnassa RE = πlρln1,36d2l s << l
Vaakasuora johdin upotettuna RE = 2πlρ ln1,85hdl2 s << l
Ruudukko RE = 2Dρ +ρEl
Johdinrengas pinnassa RE = πlρln0,785d2l
d << l
Johdinrengas upotettuna RE = 2πlρ ln0,617hdl2
d <<4h << l/h
l Elektrodin pituus [m]
D Pallon, levyn tai ruudukon halkaisija [m]
dJohtimen halkaisija [m]
s Levyn paksuus [m]
ρ Maaperän resistiivisyys [Ωm]
h Elektrodin upotussyvyys [m]
Tavallisimpien elektrodirakenteiden maadoitusresistanssit on esitetty taulukossa 1, mitkä pätevät tasavirralla sekä pienitaajuisella vaihtovirralla homogeenisessa maaperässä. Vaikka pallon tai levyn muotoisia elektrodirakenteita ei käytännössä rakenneta, voidaan niillä mallintaa muiden elektrodien käyttäytymistä laskennallisissa malleissa. Palloelektrodilla voidaan esimerkiksi arvioida rengasmaisen elektrodin resistanssia, kun taas levymäistä elektrodia voidaan käyttää ruudukko elektrodin mallintamisessa. [8, s. 432] Maan pinnassa olevilla elektrodeilla kuvataan tilannetta, jossa elektrodin päällä oleva maaperä on huonosti johtavaa, mikä vastaisi esimerkiksi pintamaaperän routaantumista. [6, s. 11 II]
Taulukon perusteella on nähtävissä, että pienin maadoitusresistanssi saavute- taan suoralla elektrodilla, kun johdinmateriaalia käytetään sama määrä [8, s. 434].
Elektrodin poikkipinta-alan d kasvattaminen ei juurikaan paranna maadoitusresis- tanssia, vaan suurin parannus elektrodirakenteen maadoitusresistanssiin saadaan kasvattamalla elektrodin kokonaispituutta l. Maadoituselektrodien -ja johdinten tulee olla mekaanisesti lujia, korroosion kestäviä ja mitoitettu kestämään maasulun aiheuttamaa termistä kuormitettavuutta [7, s. 88-90].
Maadoituselektrodien sekä maadoitusjohdinten terminen kuormitettavuus riip- puu vahvasti keskijänniteverkon maadoitustavasta, koska verkon maadoitustapa vaikuttaa maadoitusjärjestelmässä kulkevan vikavirran suuruuteen. Termisen kuormi- tettavuuden mitoituksessa voidaan Suomessa käyttää galvaanisesti kytketyn verkon kapasitiivista maasulkuvirtaa, kun maasulku pois kytketään alle sekunnin kuluessa [7, s. 90]. Kaapeloidun keskijänniteverkon kapasitiivinen maasulkuvirta voi olla useita satoja ampeereita riippuen päämuuntajan syöttävän verkon laajuudesta. Keskijänni- teverkon maadoitustavan vaikutuksia vikavirtoihin käsitellään tarkemmin luvussa 3.
Maadoituselektrodin mekaaniseen lujuuden ja korroosionkestävyyden takaavat mi- nimipoikkipinnat riippuvat vahvasti elektrodin tyypistä ja materiaalista. Esimerkiksi yleisesti käytetyn kuparisen vaakaelektrodin minimipoikkipintana voidaan käyttää 16 mm2 kupariköyttä, jos korroosion ja mekaanisen vaurioitumisen riski on kokemuksen mukaan vähäinen [7, s. 108]. Vastaavat maadoitusjohdinten minipoikkipinnat on määritetty SFS 6001 -standardin mukaisesti eri materiaaleille seuraavasti:
− kupari: 16 mm2,
− alumiini: 35 mm2 ja
− teräs: 50 mm2 [7, s. 88].
Sähkönjakeluverkon maadoituselektrodit muodostavat käytännössä aina galvaani- sesti yhteen kytketyn maadoitusjärjestelmän, minkä laajuus vaihtelee jakeluverkon muuntopiiristä aina useiden maakaapeliverkon sähköasemien syöttöalueisiin. Maakaa- peloidussa keskijänniteverkossa eri muuntamoiden elektrodit yhdistyvät galvaanisesti kaapelin kosketussuojien ja mahdollisten keskusköysien välityksellä. Pienjännitever- kon maadoitukset mukaan lukien liittymien maadoitukset yhdistyvät PE tai PEN johtimilla jakeluverkon muuntamoilla, joissa ne kytketään myös keskijänniteverkon maadoituksiin.
Seuraavassa osioissa havainnollistetaan jakeluverkon maadoitusjärjestelmien ra- kennetta ja kuvataan millä tavoin maadoitukset yhdistyvät. Käsiteltävät maadoitus- järjestelmät on jaoteltu ilma- ja kaapeliverkon maadoitusjärjestelmiin, joissa pien- ja keskijänniteverkko ovat molemmat joko kaapeloitu tai ilmassa. Todellinen jakelu- verkko muodostuu usein Carunan jakelualueella kaapeloidusta keskijänniteverkosta ja ilmajohtopainotteisesta pienjänniteverkosta, joissa muuntamoiden maadoitukset yhdistyvät keskijänniteverkossa, mutta pienjänniteverkon järjestelmä on osion 2.2 mukainen.
2.2 Sähkönjakeluverkon maadoitusjärjestelmät
Ilmajohtoverkon maadoitukset muodostavat pääsääntöisesti toisistaan irrallisia sup- peita maadoitusjärjestelmiä, mitkä tyypillisesti koostuvat muuntopiirin pienjänni- teverkkoon ja pylväsmuuntamolle rakennetuista maadoituksista. Carunan pienjän- niteverkko rakennetaan lähtökohtaisesti maakaapeloituna, mutta vanhan verkon saneerauksessa käytetään myös AMKA-verkkoa [9]. Pienjänniteverkon maadoitus- ten yhdysjohtimena toimii tällöin AMKA-johtimen teräksinen keskusköysi, joka maadoitetaan pienjännitepylväiltä standardissa määritetyin etäisyyksin.
Suurin osa Carunan jakelumuuntamoista kuuluuUE ≤2·UT pmaadoitusryhmään, jonka pienjännitteisen ilmajohtoverkon maadoitusten minimivaatimuksen topologia on esitetty kuvassa 1. Pienjänniteverkon syöttöpisteenä toimiva jakelumuuntaja on maadoitettava syöttöpisteessä tai enintään 200 m etäisyydellä syöttöpisteestä.
Vastaavasti yli 200 m johdot on maadoitettava johdon loppupäästä tai enintään 200 m etäisyydellä loppupäästä.
Kaapeloidussa keskijänniteverkossa muuntamoiden maadoitukset yhdistetään galvaanisesti toisiinsa kaapelin kosketussuojien sekä mahdollisen maadoitusjohtimen välityksellä. Kuvassa 2 on esitetty kaapeloidun sähkönjakeluverkon maadoitusjär- jestelmän topologia, mikä vastaa tyypillistä taajama-alueen verkkoa. Kaapeloidun haja-asutusalueen topologia poikkeaa kuvassa esitetystä punaisella katkoviivalla ku- vattujen eri muuntopiirejä yhdistävien pienjänniteverkon yhteyksien määrässä. Haja- asutusalueen verkon topologiassa viereisten muuntopiirien maadoitusjärjestelmän yhdistyvät pääosin sinisellä katkoviivalla kuvattujen keskijännitekaapeleiden koske- tussuojien välityksellä, koska muuntopiirien väliset etäisyydet ovat taajama-alueen topologiaa suurempia.
Kaapeloidun sähkönjakeluverkon maadoitettavia kohteita ovat pääasiassa muun- tamot, jakokaapit ja liittymät. Sähköaseman maadoitusruudukko voidaan yhdistää keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmään, kun suurjännitejärjestelmän maasulku ei
Kuva 1: Pienjännitteisen ilmajohtoverkon maadoitusten minimivaatimuksen topologia UE ≤2·UT p tapauksessa. [10, s. 10]
Kuva 2: Tyypillinen kaapeloidun sähkönjakeluverkon maadoitusjärjestelmän topolo- gia. [11]
aikaansaa liian suurta kosketusjännitettä sähkönjakeluverkon maadoituksissa [7, s.
143]. Carunan sähköverkossa suurjänniteverkon maasulkuvirta on huomioitu myös sähköasemalta lähtevien maadoitusjärjestelmän yhdysjohtimien virtakestoisuuksissa.
2.2.1 Laaja maadoitusjärjestelmä
Laajalla maadoitusjärjestelmällä tarkoitetaan yhteen kytkettyä maadoitusjärjestel- mää, missä paikalliset ja tiheästi asennetut maadoitukset muodostavat näennäisen tasapotentiaalipinnan maadoitusjärjestelmän alueella. Laajan maadoitusjärjestelmän
muodostavat tyypillisesti tiheästi asutut kaupunkialueet sekä laajat teollisuusalueet, joissa jakeluverkon maadoitukset muodostavat tiheän ja verkkomaisesti silmukoidun maadoitusjärjestelmän. Koska laajan maadoitusjärjestelmän katsotaan muodosta- van näennäisen tasapotentiaalipinnan, maadoitusjärjestelmän alueella ei katsota esiintyvän suuria maadoitusjännitegradientteja. Tämän vuoksi siihen kuuluvia jake- luverkon komponentteja ei koske luvussa 4esitetyt vaatimukset kosketusjännitteille ja maadoitusimpedansseille. [7, s. 20, 149]
Laajan maadoitusjärjestelmän muodostama näennäinen tasapotentiaalipinta on esitetty kuvassa 3, jossa on simuloitu maasulun aikainen maapotentiaalin nousu maadoitusjärjestelmän alueella. Kuvan esittämä tasapontentiaalipinta muodostui, kun verkkoon simuloitiin 60 A suuruinen vikavirta ja maaperän resistiivisyys oli 100 Ωm koko simuloidun verkon alueella. Tarkasteltu maadoitusjärjestelmä muodostui yhden muuntopiirin syöttämän alueen maadoituksista, jotka koostuivat rengasmaisista liittymien maadoituksista. [12]
Kuva 3: Näennäinen tasapotentiaalipinta laajan maadoitusjärjestelmän alueella. [12]
SFS 6001 -standardi ei tarjoa tarkkaa määritelmää laajalle maadoitusjärjestelmäl- le, mutta verkostosuosituksessa RJ22:20 on esitetty laajalle maadoitusjärjestelmälle ohjeistava yksityiskohtaisempi määrittely. Standardin SFS 6001 määrittelyssä jokai- sen laajan maadoitusjärjestelmän muuntopiirin tulee olla galvaanisessa yhteydessä vähintään kahteen muuhun laajan maadoitusjärjestelmän maadoitukseen, mikä ta- kaa rengasmaisen topologian maadoitusjärjestelmälle. Tämän lisäksi yhdistyksiä yli kahteen muuntopiiriin tulisi olla riittävin välein ja muuntamoiden väliset etäisyydet ovat tyypillisesti lyhyet. Verkostosuosituksen RJ22:20 määritelmän mukaan laajan maadoitusjärjestelmän tulee täyttää standardin lisäksi seuraavat vaatimukset:
− vähintään 20 %:lla muuntamoista tulee olla yli kaksi keskijänniteverkon yhteyttä muihin muuntopiireihin,
− kaikkiaan 70 %:a muuntamoista on yhdistetty vähintään kolmeen muuntopiiriin pien- tai keskijänniteverkon kautta,
− muuntamoiden väliset etäisyydet ovat pääsääntöisesti alle 500 metriä ja
− ketjumaisesti yhdistyneitä muuntamoita saa olla peräkkäin enintään neljä. [10]
Laajan maadoitusjärjestelmän resultoivan maadoitusimpedanssin laskentaa ei voida tehdä luotettavasti tässä työssä esitetyllä tavalla, koska yksittäisten maadoituse- lektrodien mallintamiseen rinnankytkettyinä resistansseina sisältyy oletus toisistaan erillisistä maapotentiaalinjakaumista. Tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa laajan maadoitusjärjestelmän tapauksessa, jonka määritelmä itsessään rikkoo laskennan ole- tuksen, minkä vuoksi laajan maadoitusjärjestelmän käsittely on rajattu tämän työn ulkopuolelle. Laajan maadoitusjärjestelmän alueella on lisäksi myös maadoituselekt- rodeina toimivia kohteita, kuten metallisia vesiputkia, joiden maadoitusvaikutusta ei ole mallinnettu verkkotietojärjestelmään.
2.3 Maaperän resistiivisyys
Maaperän resistiivisyydelläρkuvataan maan sähkönjohtavuutta, mikä kertoo yksikköpinta- alaisen maakuution resistanssin pituusyksikköä kohti. Maaperän resistiivisyydellä on olennainen vaikutus sähkönjakeluverkon maadoitusten suunnittelussa, kuten taulu- koista1ja 2nähdään. [6, s. 1 III] Eri maalajien välisillä resistiivisyyksien vaihteluilla on selvästi suurempi vaikutus maadoitusresistanssiin, kuin mitä saavutettaisiin koh- tuullisilla elektrodin koon tai geometrian muutoksilla. Vaikka maaperä on metalleihin verrattuna huonosti sähköä johtava, leviää virta maaperässä laajalle alueelle. Tämän vuoksi maan todellinen resistanssi on suuresta resistiivisyydestä huolimatta melko pieni [6, s. 2 III].
Taulukko 2: Maaperän resistiivisyyksiä. [7, s. 147]
Aine Keskimäärin [Ωm] Tavallisimmat vaihteluvälit [Ωm]
Savi 40 25 ... 70
Saven sekainen hiekka 100 40 ... 300
Lieju, turve, multa 150 50 ... 250
Hiekka, hieta 2 000 1000 ... 3 000
Moreenisora 15 000 1 000 ... 10 000
Harjusora 20 000 3 000 ... 30 000
Graniittikallio 20 000 10 000 ... 50 000
Betoni tuoreena tai maassa 100 50 ... 500
Betoni kuivana 10 000 2 000 ... 100 0000
Järvi- ja jokivesi 250 100 ... 400
Pohja- kaivo- ja lähdevesi 50 10 ... 150
Merivesi 2,5 1 ... 5
Suomen maaperä on tyypillisesti epähomogeeninen ja sen resistiivisyys voi muut- tua lyhyiden etäisyyksien matkalla merkittävästi, minkä vuoksi maaperän resis- tiivisyysmittauksia tulee käsitellä paikallisina arvoina. Maaperän resistiivisyyden vaihteluihin vaikuttaa muun muassa:
− maalaji,
− maalajin tiiveys,
− raesuuruus ja sen jakautuma,
− maan kosteus,
− maan sisältämään veteen liuenneiden suolojen kemiallinen koostumus ja
− maan lämpötila. [6, s. 2 III]
Lämpötilan muutoksista johtuvat resistiivisyyden muutokset tapahtuvat melko suppeissa rajoissa, kun maassa oleva vesi ei ole jäässä. Veden jäätyminen ja maan routaantuminen voi toisaalta johtaa jopa tuhatkertaiseen resistiivisyyden kasvuun.
Luetelluista maaperän ominaisuuksista pääasiallinen vaikutus maaperän resistiivisyy- teen tulee maan kosteuspitoisuudesta, mitä voidaan arvioida kaavan (1) mukaisesti:
ρ=ρv(150
pv −0,5), (1)
jossaρv maan sisältämän veden resistiivisyys japv on maan kosteuspitoisuus. [6, s. 3 III]
Suomen, kuten myös Ruotsin ja Norjan maaperä on huonosti sähköä johtavaa, joten sen resistiivisyys on suuri. Suuri maaperän resistiivisyys johtuu lähelle maan pintaa ulottuvalla graniittisella kallioperällä, jonka resistiivisyys voi taulukon 2 mukaisesti olla useita kymmeniä tuhansia ohmimetrejä [8, s. 432]. Suomen maaperän keskimääräisenä resistiivisyytenä on yleisesti käytetty arvoa 2300 Ωm, mikä vastaa taulukon 2soramaan sähkönjohtavuutta.
Sähkövirran maassa kohtaama resistanssi Rg on pienillä taajuuksilla noin 50 mΩ/km ja se on lähes täysin riippumaton maaperän resistiivisyydestä. Virran on siis levittäydyttävä maassa sitä laajemmalle mitä suurempi on maan resistiivisyys, mikä tarkoittaa Suomen olosuhteissa virralle laajaa maapaluupiiriä. Homogeenisessa maaperässä maapaluuvirta voidaan mallintaa ekvivalenttisyvyysessäH sijaitsevaan paluujohtimeen. Maaperän resistiivisyyden ollessa edellä mainittu 2300 Ωm, saadaan maapaluujohtimen syvyydeksi H = 4470 metriä. Maapaluupiirin resistanssi metriä kohden sekä paluuvirran ekvivalenttisyvyys voidaan määrittää yhtälöiden (2) ja (3) mukaisesti:
Rg = ωµ0
8 (2)
H = 1,85·
√︄ ρ
ωµ0, (3)
joissaω = 2πf on verkon kulmataajuus,
µ0 = 4π·10−7 H/m on tyhjiön permeabiliteetti ja
ρ on homogeenisen maaperän resistiivisyys. [13, s. 29-31]
2.3.1 Maaperän kerrostuneisuus
Epähomogeenisen maan resistiivisyyden tarkemmassa mallintamisessa tulee huomioi- da maan kerrostuneisuus, koska maan epähomogeenisuus vaikuttaa virrantiheyden jakautuminen ja siten myös maanpinnan potentiaalin nousuun. Yleisesti käytetty tarkastelutapa on kuvata maaperä kaksikerrosmaana, jossa pintamaankerros sijait- see äärettömän syvälle ulottuvan toisen kerroksen päällä. Suomen olosuhteissa on tyypillisesti oletettu äärettömän syvän kerroksen vastaavan peruskalliota. [6, s. 5 III]
Maanpinta
d d
h1 h1
ρ
ρ2
ρ1
ρ2
ρ1 d
Kuva 4: Vaakaelektrodi homogeenisessa -ja kaksikerrosmaaperässä.
Kuvassa 4 on esitetty vaakaelektrodi homogeenisessa- ja kaksikerrosmaaperäs- sä. Alemman maakerroksen resistiivisyyden ollessa suurempi, keskittyy virrantiheys ylemmän maakerroksen alueelle. Tällöin elektrodiin kulkeva virta nostaa maanpinnan potentiaalia voimakkaammin, kuin ylemmän maakerroksen resistiivisyyden omaavas- sa homogeenisessa maaperässä. Vastaavasti maanpinnan routaantuminen muodostaa huonosti johtavan kerroksen maadoituselektrodin ja maanpinnan välille, kun maadoi- tuselektrodi on asennettu routarajan alapuolelle. Tässä tapauksessa virrantiheyden voidaan ajatella keskittyvän routarajan alapuolelle, jolloin maanpinnan potentiaali ei nouse yhtä voimakkaasti, kuin homogeenisen maaperämallin tapauksessa. Kaksi- kerrosmaan vaikutuksia maanpinnan potentiaalijakaumaan on käsitelty tarkemmin julkaisussa [14].
Maaperän kerrostuneisuuden vaikutus maadoitusresistanssiin voidaan huomioida kaksikerrosmaan mallilla yhtälön (4) mukaisesti. Kuvassa 4esitetyt kaksikerrosmaan parametritρ1, κjah1 voidaan laskea Wennerin neljän piikin menetelmällä mitatusta näennäisestä resistiivisyydestä ρa ja mittauspiikkien välisen etäisyyden a avulla.
Wennerin neljän piikin menetelmän periaate ja teoria esitetään tarkemmin luvussa5.
ρa=ρ1·
⎛
⎝1 + 4
∞
∑︂
n=1
⎡
⎣
κn
√︂1 + (2nha1)2
− κn
√︂4 + (2nha1)2
⎤
⎦
⎞
⎠, (4)
jossaρ1 on pintamaan resistiivisyys,
ρ2 on alemman maakerroksen resistiivisyys, h1 on ylemmän maakerroksen paksuus, κ= ρρ2−ρ1
2+ρ1 on heijastuskerroin ja
a on Wennerin menetelmän mittauspiikkien välinen etäisyys. [6, s. 7 III]
Kaksikerrosmaan parametrit voidaan määrittää esitetystä yhtälöstä Wennerin menetelmän mittaustulosten perusteella usealla eri tavalla. Joissakin tapauksissa kak- sikerroksinen malli voidaan arvioida Wennerin menetelmän mittauskäyrän perusteella.
Muita menetelmiä parametrien määrittämiseen ovat muun muassa Sundesin graafi- nen menetelmä ja laskennalliset menetelmät. Laskennalliset menetelmät perustuvat mitatun näennäisen resistanssin virhefunktion minimoimiseen [15, s. 50-53].
3 Keskijänniteverkon maasulku
Maasulun aikaisiin jatkuvan tilan muutoksiin, kuten vikavirtaan, käyttötaajuisiin ylijännitteisiin ja nollajännitteeseen vaikuttaa olennaisesti verkon maadoitustapa.
Verkkoa voidaan käyttää maasta erotettuna, sammutettuna tai maadoitettuna, joissa kaikissa maasulku aiheuttaa erilaisen jatkuvan tilan muutoksen [16, s. 210]. Suo- men keskijänniteverkkoa on perinteisesti käytetty maasta erotettuna, mutta sähkö- markkinalain muutoksesta seuranneen kaapeloinnin myötä jakeluverkkoyhtiöissä on pääasiassa siirrytty sammutetun verkon käyttöön.
Tässä luvussa käsitellään keskijänniteverkon maasulkua, joten maasulkuilmiöiden tarkastelu on rajattu maasta erotetun -ja sammutetun verkon tapauksiin. Luvun lopussa käsitellään lyhyesti maasulkusuojausta, koska sillä rajoitetaan maasulun ai- kaisen vikavirran ja vaarajännitteiden vaikutusaikaa. Vikavirran kestoa rajoittamalla voidaan parantaa sähköturvallisuutta, koska sillä pienennetään ihmisen kehon läpi kulkevan virran kestoa maasulun aikaisessa vaaratilanteessa [17]. On kuitenkin tärke- ää ymmärtää, että maasulkusuojauksen toiminta-aikojen pienentäminen kasvattaa riskiä suojalaitteiden virheelliseen toimintaan.
3.1 Maasulku maasta erotetussa verkossa
Maasta erotetulla verkolla tarkoitetaan verkkoa, jonka kaikki tähtipisteet ovat maasta eristettyjä [18, s. 84]. Maasta erotetun verkon maasulussa virran paluupiiri muodostuu terveiden vaiheiden maakapasitansseista, minkä seurauksena vikavirrat ovat lähes täysin kapasitiivisia ja poikittaisia oikosulkuvirtoja pienenempiä. Tämän seurauksena maasta erotetun verkon maasulkusuojaus vaatii oman suojaustoiminnon eikä sitä voida toteuttaa perinteisillä ylivirtareleillä.
Suomen maaperän huonojen maadoitusolosuhteiden vuoksi keskijänniteverkon tähtipistettä ei maadoiteta siitä seuraavien suurten maasulkuvirtojen vuoksi. Suuret maasulkuvirrat helpottavat vikojen indikointia, mutta ne myös kasvattavat vian aikaisia vaarajännitteitä. Vian aikaisten vaarajännitteiden pienentäminen turval- liselle tasolle vaatisi erittäin tehokkaiden maadoitusten rakentamista, mikä ei ole Suomen maadoitusolosuhteiden vuoksi käytännöllistä toteuttaa. Maasulun aikaisia vaarajännitteitä käsitellään tarkemmin luvussa 4.
Maasta erotetun verkon maasulkutilanne on esitetty kuvassa 5. Kuvan ylemmällä johtolähdöllä on kuvattu koko galvaanisesti kytketyn taustaverkon vaikutusta, mikä koostuu pääasiassa päämuuntajan syöttämien terveiden johtolähtöjen maakapasitans- seistaCe. Vikavirta sulkeutuu päämuuntajan tähtipisteessä ja on kelluvan tähtipisteen vuoksi lähes täysin kapasitiivista, kuten aiemmin todettiin. Todellisuudessa vika- virralla on myös vikavastuksettomassa maasulussa resistiivinen komponentti, jonka synnyttää maakapasitanssien ja vikapaikan väliset vaihejohtimien sarjaresistanssit.
Kuvan 5 oletus merkitsemättömästä vaihejohtimien sarjaimpedanssista pätee etenkin ilmajohtoverkossa ja taajama-alueiden maakaapeliverkoissa, joissa johtoläh- töjen pituudet ovat lyhyitä. Ilmajohtoverkoissa vikavirrat ovat verrattain pieniä, kun taas taajaman maakaapeliverkoissa etäisyydet vikapaikan ja syöttävän verkon maa- kapasitanssien välillä ovat lyhyitä. Näissä tapauksissa johtimilla ei tapahdu merkit-
R S T
R S U0 T
UR US UT
U′R U′S U′T
Rf
F Ce1 IF = 3I0
Ce1 Ce1
Ce2 Ce2 Ce2
∑︁I1
∑︁I2
2
1 110/20 kV
Kuva 5: Maasta erotetun verkon maasulku.
tävää jännitehäviötä. Sarjaimpedanssissa tapahtuva jännitehäviö muuttuu kuitenkin merkitykselliseksi, kun tarkastellaan haja-asutusalueiden maakaapeliverkkoa, missä maasulkuilmiön tarkempi mallintaminen vaatisi sarjaimpedanssien huomioimisen.
[19, s. 46-52]
Maasulku aikaansaa epäsymmetrian vaihejännitteisiin, jolloin verkon nollapisteen ja maan välille muodostuu potentiaaliero. Nollapisteen ja maan välistä potentiaalieroa kutsutaan nollajännitteeksi U0, jonka suuruus riippuu vikavastuksesta Rf. Maasta erotetun verkon maasulku aiheuttaa aina vähintään yhden vaiheen ja maan välisen jännitteen nousun, kun taas pääjännitteet pysyvät samansuuruisina [20, s. 298].
T
S R
U0
U′S US UR
UT U′R
U′T = 0
S R
T U′S
US
U0 UR U′R
U′T =IfRf
UT
a) b)
Kuva 6: a) Maasta erotetun verkon jänniteosoittimet suorassa maasulussa (Rf = 0) ja b) jänniteosoittimet vikavastuksellisessa maasulussa (Rf >0).
Jatkuvan tilan jännitteiden osoitindiagrammit on esitetty kuvassa 6. Vikavas- tuksen ollessa nolla puhutaan suorasta maasulusta, jossa viallisen vaiheen jännite
romahtaa ja terveiden vaiheiden jännitteet nousevat pääjännitteiden suuruisiksi. Vi- kavastuksellisen maasulun tapauksessa verkon nollapiste siirtyy kuvan6b) mukaisesti puoliympyrän kehälle, jonka halkaisija on viallisen vaiheen vaihejännitteen suuruinen.
Suurin teoreettinen maasulun aikainen jännite on noin 1,05 kertaa pääjännitettä suurempi, mikä esiintyy vikaresistanssin ollessa noin 37 % maakapasitanssien muo- dostamasta reaktanssista. [8, s. 15][20, s. 300-303] Maasulun aikaiset käyttötaajuiset ylijännitteet aiheuttavat suuren rasitteen sähköverkon laitteiden eristeille, joiden pet- täminen on yleisin syy kaksoismaasulun syntymiseen [20, s. 306]. Kaksoismaasulun käsittely on rajattu tästä työstä pois, koska maadoitusjärjestelmän impedanssi mää- ritetään yksivaiheisen maasulun perusteella tarkasteltaessa maadoitusjännitteeseen ja kosketusjännitteisiin liittyviä SFS 6001 -standardin vaatimuksia [7, s. 90].
Maasta erotetun verkon vikavirta IF on ollut hyvin pieni perinteisissä ilmalinja- verkoissa, joiden vaiheiden kapasitiivista kytkeytymistä maapotentiaaliin rajoittaa tyypillisesti noin kymmenen metriä ilmaa. Maakaapeloinnin myötä keskijännitever- kon maakapasitanssi Ce on kasvanut merkittävästi, minkä myötä myös vikavirrat ja maadoitusjärjestelmän vaatimukset ovat kasvaneet. Kuvan 5 maasta erotetun verkon maasulkutilanne voidaan esittää kuvan 7ekvivalenttipiirinä, mistä saadaan määritettyä yhtälöt vikavirralle IF ja nollajännitteelle U0.
U0
Rf F
N UR
IF
3Ce = 3(Ce1+Ce2)
Kuva 7: Maasta erotetun verkon ekvivalenttipiiri.
Maasta erotetun verkon vikavirta ja nollajännite saadaan alla olevista yhtälöistä (5) ja (6). Yhtälöistä nähdään nollajännitteen olevan vaihejännitteen suuruinen jäy-
kässä maasulussa, kuten kuvassa6esitettiin. Vastaavasti jäykän maasulun vikavirran määrää pelkästään verkon maakapasitanssi.
IF = j3ωCe 1 +j3ωCeRf
UR (5)
U0 = −1
1 +j3ωCeRfUR, (6)
joissaCe on yhden vaiheen maakapasitanssi, ω = 2πf on verkon kulmataajuus, Rf
on vikavastus jaUR=US on verkon terveen tilan vaihejännite. [21, s. 58]
Keskijänniteverkon maasulkutilanne muuttuu olennaisesti, kun maakaapeloidun verkon kapasitiivista virtaa kompensoidaan. Seuraavassa alaluvussa käsitellään sam- mutetun verkon maasulkuilmiötä ja esitetään vastaavat maasulkutilannetta kuvaavat yhtälöt, osoitindiagrammi ja kuvat.
3.2 Maasulku sammutetussa verkossa
Keskijänniteverkon maakaapelointi on kasvattanut maasulkuvirtoja, koska keskijän- nitekaapelin maakapasitanssi on huomattavasti suurempi, kuin ilmalinjan maakapa- sitanssi. Maakaapeloinnin seurauksena suurta osaa keskijänniteverkosta käytetään nykyisin sammutettuna, jossa verkon tähtipisteeseen on kytketty Petersenin ke- la kompensoimaan verkon maasulkuvirtaa. Säätämällä kelan induktanssi lähelle käyttötaajuista resonanssipistettä saadaan verkon tähtipisteen ja maan välistä impe- danssia kasvatettua, jolloin myös maasulun aikainen vikapaikan vikavirta pienenee huomattavasti.
Maasulkuvirran kompensointi Carunan verkossa on toteutettu pääasiassa sähkö- aseman keskitetyn kelan sekä johtolähdöille sijoitettavien kiinteiden kompensointia- semien avulla. Kompensointiasemat mitoitetaan kompensoimaan vakio-osa johtoläh- döllä syntyvästä kapasitiivisesta maasulkuvirrasta lokaalisti, kun taas sähköasemalla sijaitsevan keskitetyn kelan induktanssi säätyy asetetulle kompensointiasteelle yli jäävän kapasitiivisen nollareaktanssin mukaan. Kompensoinnin hajauttaminen joh- tolähdöille jakaa yhden laitteen rikkoutumisen riskin ja takaa kompensointiasteen siirtymisen verkon kytkentätilan muutosten yhteydessä.
Yksittäisen kompensointilaitteen rikkoutuminen ei tyypillisesti vaikuta vikavir- toihin merkittävästi, sillä hajautetun kompensointiaseman kapasiteetti saadaan kor- vattua säätämällä sähköaseman kelan induktanssia. Keskitetyn Petersenin kelan rikkoutuminen kasvattaa vikavirtaa voimakkaammin, mutta hajautetun kompensoin- nin ansiosta vikavirta pysyy silti huomattavasti pienemmällä tasolla, kuin maasta erotetussa verkossa.
Edellä mainittujen hyötyjen lisäksi hajautettu maasulkuvirran kompensointi pie- nentää maasulkuvirran resistiivistä komponenttia [22][23]. Resistiivisen komponentin osuus vikavirrasta pienenee, koska osa verkon syöttämästä kapasitiivisesta maasul- kuvirrasta kumoutuu johtolähdöillä. Tämän seurauksena verkon kapasitanssin ja vikapaikan välillä syntyvä jännitehäviö ja resistiivinen vikavirtakomponentti pie- nenee. Hajautetun kompensoinnin vaikutus verkon resistiiviseen maasulkuvirtaan korostuu pitkissä maakaapeliverkoissa, joita löytyy Carunan jakelualueella etenkin Koillismaan verkkoalueelta.
Vaikka johtolähdöille sijoitettavissa kompensointiasemissa tapahtuvat pätöhäviöt toisaalta tuottavat vikavirran resistiivistä komponenttia, hajautetun kompensoinnin tuomana nettovaikutuksena resistiivinen vikavirta pienenee. Carunan tekemissä Taivalvaaran ja Palusjärven sähköasemien maasulkukokeissa havaittiin resistiivisen vikavirran kasvaneen yli 5 A, kun pitkältä kaapeloidulta johtolähdöltä vähennettiin hajautettua kompensointia 75 A edestä. [24]
Vastaavasti testeissä havaittiin korvaustilanteessa yli 45 A resistiivisen vikavirran kasvu, kun verkon keskitetty kompensointi toteutettiin molempien asemien sijasta vain korvatun sähköaseman kiskolla. Vika tehtiin korvaavan sähköaseman lähdölle, jolloin taustaverkon ja vikapaikan välisen nollaverkon sarjaimpedanssin läpi kulki merkittävästi suurempi maasulkuvirta, kuin testeissä joissa keskitetty kompensointi toteutettiin molempien asemien kiskoilla. Korvatun aseman syöttämän maasulku- virran synnyttämät nollaverkon jännitehäviöt aikaansaivat näin ollen merkittävän resistiivisen vikavirran kasvun. Nollaverkon sarjaimpedanssin vaikutus havaittiin myös sähköasemien kiskojen nollajännitemittauksissa, sillä korvatun aseman nolla- jännitteeksi mitattiin vain noin 87 %:a vaihejännitteen nimellisarvosta. [24]
Sammutetun verkon yksinkertaistettu maasulkutilanne on esitetty kuvassa 8, mikä eroaa edellä esitetyn maasta erotetun verkon tilanteesta tähtipisteeseen liitetyn kelan ja vastuksen rinnankytkennällä. Kuvasta nähdään, että suuri osa vikavirrasta palaa tähtipisteen kautta luoden induktiivisen ja resistiivisen komponentin vika- virtaan. Induktiivinen virta IL on johtojen syöttämän kapasitiivisen virran kanssa vastakkaisessa vaiheessa, joten virrat kumoutuvat johtaen kuvan 5 tapausta huomat- tavasti pienempään vikavirtaan. Edellisissä kappaleissa käsiteltyä maakapasitanssien Ce ja vikapaikan välistä jännitehäviötä ei ole huomioitu kuvassa.
R S T
R S U0 T
UR US UT
U′R U′S U′T
Rf L
IF = 3I0
R Ce1 Ce1 Ce1
Ce2 Ce2 Ce2
∑︁I1
∑︁I2
2
1 F
110/20 kV
Kuva 8: Sammutetun verkon maasulku.
Suurin osa keskijänniteverkon päämuuntajien toisiokäämeistä on kolmiokytketty- jä, joten verkkoon luodaan tähtipiste maadoitusmuuntajalla, minkä toisioon muo- dostuvaan verkon nollapisteeseen kytketään Petersenin kela. Kuvassa8 on käytetty tähtikytkettyä päämuuntajaa piirustuksen yksinkertaistamisen vuoksi. Vaikka hajau- tetun kompensoinnin yhtenä tarkoituksena on pienentää maasulun aikaista verkossa syntyvää resistiivistä komponenttia, joudutaan resistiivistä vikavirtaa kasvattamaan
tietyissä tilanteissa sähköaseman kelan rinnakkaisvastuksella. Rinnakkaisvastus kas- vattaa jännite- ja virtaosoittimiin perustuvan selektiivisen suojauksen tarvitsemaa vikavirran resistiivistä komponenttia, mikä mahdollistaa maasulkusuojauksen se- lektiivisen toiminnan, ja rajoittaa terveen tilan nollajännitettä riippumatta verkon laajuudesta ja kytkentätilanteesta [25].
Kuvaa8vastaava sammutetun verkon maasulun jännitteiden ja virtojen osoitindia- grammi on esitetty kuvassa9. Osoitindiagrammissa on esitetty täysin kompensoidun verkon tilanne. Terveiden vaiheiden syöttämän kapasitiivisen vikavirran osoittimet ovat 90° edellä kuvassa katkoviivalla esitettyjä terveiden vaiheiden jännitteitä. Ver- kon kapasitiivinen vikavirta muodostuu näiden virtojen vektorisummasta, mikä on nollajännitteeseen nähden kapasitiivista. Täysin kompensoidun verkon tapauksessa induktiivinen virtaosoitinIL on kuvan mukaisesti vastakkaissuuntainen ja yhtä suuri, kuin verkon kapasitiivinen virta. Näin ollen vikavirta muodostuu pelkästään resis- tiivisestä virrasta, jonka suuruuden määrittää jäykässä maasulussa sähköasemalla olevan Petersenin kelan rinnakkaisvastus.
T
R S
US UR
U′T =IFRtot IRC
ISC
−IL U0
IF =IR
UT
IC−IL+IR
Kuva 9: Täysin kompensoidun verkon jännite- ja virtaosoittimet vikavastuksettomassa maasulussa.
Sammutetun verkon maasulkutilannetta kuvaava ekvivalenttipiiri voidaan muo- dostaa vastaavasti, kuin maasta erotetun verkon tapauksessa. Sammutetun verkon ekvivalenttipiiri on esitetty kuvassa 10, mikä vastaa kuvan 8 maasulkua. Kuten kuvasta nähdään, Petersenin kelan induktanssiL ja lisävastus R muodostavat rin- nankytkennän verkon tähtipisteenN ja maan välille.
Sammutetun verkon maasulun aikainen vikavirta ja nollajännite saadaan yhtä- löistä:
IF = UR
Rf +1+jR(3ωCR
e−1/(ωL))
(7)
U0 = −R
Rf +R+jRRf(3ωCe−1/(ωL))UR, (8)
U0
Rf
F
N UR
IF
3Ce= 3(Ce1+Ce2) R
L
Kuva 10: Sammutetun verkon ekvivalenttipiiri.
joissaRf on vikavastus, R on kelan rinnakkaisvastus, Ce on yhden vaiheen maaka- pasitanssi, ω = 2πf on verkon kulmataajuus ja UR = US on verkon terveen tilan vaihejännite. [21, s. 59]
Maadoitusjärjestelmän mitoituksen kannalta tärkein maasulun aikainen muut- tuja on suurin vikavirta, jonka aikaansaaman maadoitusjärjestelmässä syntyvän jännitehäviön tulee pysyä riittävän alhaisena osiossa2.2.1 esitetyn laajan maadoitus- järjestelmän ulkopuolella. Resultoivan maadoitusimpedanssin on siis käytännössä oltava sitä pienempi, mitä suurempi vikavirta galvaanisesti kytketyn keskijännitever- kon alueella esiintyy. Suurimmat maasta erotetun ja sammutetun verkon vikavirrat voidaan määrittää yhtälöiden (5) ja (7) mukaisesti eri verkkoalueille asettamalla vikavastus Rf nollaksi.
Toisaalta maasulun aikaisen vikavirran ja siten myös vaarajännitteiden vaikutusa- jan pienentäminen parantaa sähköverkon turvallisuutta ja vaikuttaa maadoitusjärjes- telmän mitoitukseen, kuten luvun alussa todettiin. Vikavirran sallittua vaikutusaikaa voidaan säätää muuttamalla maasulkusuojauksen toiminta-aikoja, joiden pienen- täminen parantaa sähköverkon turvallisuutta maasulkuvian aikana. Seuraavassa alaluvussa käsitellään maasulkusuojauksen toiminta-aikojen reunaehtoja. Luvussa esitetään myös perinteinen perustaajuisen nollavirran ja -jännitteen osoitinlaskentaan perustuva suojausfunktio, joka on Carunalla yleisimmin käytetty keskijänniteverkon maasulkusuojauksen indikointimenetelmä.
3.3 Maasulkusuojaus
Keskijänniteverkon maasulkuvian indikointi perustuu nollasekvenssin suureiden mittaamiseen, mikä tehdään pääsääntöisesti sähköasemalla. Maasulku aikaansaa nollajännitteen nousun koko galvaanisesti kytketyn verkon alueella, mikä näkyy sähköaseman kiskon nollajännitemittauksessa ja kertoo vian olevan kiskoa syöttävän päämuuntajan alueella. Tarkempi selektiivisyys saavutetaan, kun nollajännitteen lisäksi mitataan sähköaseman johtolähtöjen nollavirrat, minkä perusteella tiedetään viallinen johtolähtö.
Maasulkusuojaus Carunan keskijänniteverkossa on pääosin toteutettu suunna- tuilla nollavirtasuojilla, missä viallinen johtolähtö havaitaan mitatun nollavirran ja nollajännitteen vaihekulman avulla. Mainittujen suureiden vaihekulma riippuu vah- vasti verkon maadoitustavasta, joten releille asetellaan parametrit maasta erotettua -ja sammutettua verkkoa varten. Maasulkusuojaus voitaisiin tietyissä tapauksissa toteuttaa myös pelkällä nollavirta-asettelulla, mutta tähän perustuva suojaus riippuu vahvasti aseman johtojen pituuksista eikä sen selektiivisyyttä voitaisi välttämättä säilyttää verkon topologian muuttuessa [20, s. 328-330].
Suunnatun maasulkusuojauksen selektiivisyysperiaate on esitetty kuvassa 11, jossa on kuvattu maasta erotetun ja sammutetun verkon suunnatun maasulkusuo- jauksen toiminta. Maasta erotetussa verkossa asemalta mitattu viallisen johdon summavirta∑︁I1 on lähes täysin kapasitiivinen ja kuvan 5nollajännitettä lähes 90°
edellä. Sammutetun verkon tapauksessa viallisen johtolähdön sähköasemalta mitat- tu summavirtaosoitin näyttäytyy kuitenkin osittain induktiivisena, vaikka verkko olisikin täysin kompensoitu vikapaikassa.
Viallisen johtolähdön summavirrassa∑︁I1 ei näy kuvissa 5ja8esitetyissä tapauk- sissa johdon itse syöttämää maasulkuvirtaa, koska viallisen johtolähdön syöttämä virta sulkeutuu verkon tähtipisteessä. Täten sama virta kulkee summavirtamittauk- sen läpi kahteen suuntaan ja viallisen johtolähdön maasulkurele näkee taustaverkon ja mahdollisen kompensointikelan syöttämät virrat. Terveeltä johtolähdöltä mitattu summavirran reaktiivinen komponentti vastaa suuruudeltaan johdon kapasitiivista maasulkuvirtaa esitettyjen kuvien tapauksessa, koska se kulkee summavirtamit- tauksen läpi vialliselle johtolähdölle. Terveeltä johtolähdöltä mitattu summavirran reaktiivinen komponentti pienenee hajautetusti kompensoidun verkon tapauksessa, jolloin se näyttäytyy kompensointiasemien tuottaman induktiivisen maasulkuvirran ja verkon tuottaman kapasitiivisen maasulkuvirran vektorisummana.
Laukaisu Laukaisu
a) b)
∑︁I1
∑︁I1
−U0 ϕ0
−U0 Esto
∑︁I2 ϕ0
Esto
∑︁I2 IL+IR
Kuva 11: Suunnatun maasulkusuojauksen karakteristiikka a) maasta erotetussa verkossa ja b) sammutetussa verkossa.
Kuvassa11 b) on esitetty viallisen johdon summavirta ∑︁I1, taustaverkon sum- mavirta ∑︁I2 sekä kompensoinnin aikaansaama komponentti IL+IR sammutetun
verkon tapauksessa. Sammutetun verkon maasulku havaitaan kuvan karakteristii- kan mukaisesti mitatun summavirran resistiivisen komponentin perusteella, joten releen laukaisualue on kääntynyt 90 astetta. Taustaverkon summavirtaosoitin säilyy muuttumattomana, kun nollajännite ja näin myös vikavastus ovat samansuurui- sia molemmissa tapauksissa. Vikapaikassa mitatussa vikavirtaosoittimessa näkyy aseman mittauksesta poiketen myös viallisen johtolähdön tuottama maasulkuvirta, jolloin mitattu virta pienenee asetetun kompensointiasteen mukaiseksi.
Suunnatun maasulkusuojauksen karakteristiikka muuttuu Carunan verkossa au- tomaattisesti sähköaseman Petersenin kelan kytkentätilan mukaan. Kun keskitet- ty kela irtoaa verkosta, kelan piirissä olevien lähtöjen releiden asettelut vaihtuvat kapasitiiviselle alueelle kuvan 11 a) karakteristiikkaa vastaavaksi. Koska verkon hajautettu kompensointi mitoitetaan alikompensoimaan osa johtolähtöjen kapasitii- visesta maasulkuvirrasta, viallisen lähdön summavirtaosoitin pysyy −U0 osoittimen kapasitiivisella puolella ja suojauksen selektiivinen toiminta säilyy.
Maasulkusuojauksen toiminta-ajan asettelun rajoittavat tekijät ovat SFS 6001 -standardissa esitetyt kosketusjännitevaatimukset, ohimenevien vikojen vaikutusaika sekä vian jälkeinen oskillointi sammutetussa verkossa. Kuten luvun alussa todet- tiin, maasulkusuojauksen toiminta-ajan pienentäminen on tehokas ja nopea keino parantaa sähköverkon turvallisuutta, mutta toiminta-ajan pienentäminen kasvat- taa aina suojauksen virheellisen toiminnan riskiä. Sähköverkon maadoitusten ja maasulkuvirran kompensoinnin tulisi siis lähtökohtaisesti olla riittävällä tasolla, jol- loin kosketusjännitevaatimusten täyttyminen ei johda liialliseen maasulkureleiden toiminta-aikojen pienentämiseen eri keskijänniteverkon kytkentätilanteissa.
Suurin osa sammutetun keskijänniteverkon ohimenevistä vioista poistuu 200 mil- lisekunnin kuluessa, jos sammutuskuristin on säätynyt lähelle resonanssipistettä [20, s. 336-337]. Vian jälkeisen oskilloinnin on kuitenkin havaittu jatkuvan sammute- tussa kaapeliverkossa yli puolen sekunnin ajan, mikä on johtanut epäselektiiviseen suojalaitteiden toimintaan, jossa sähköverkon suojalaite kytkee terveen verkon osan jännitteettömäksi [26]. Verkon palautuessa terveeseen tilaan, voi oskilloinnin aikana mitattu käyttötaajuinen nollavirta näkyä alikompensoidussa verkossa induktiivisena, mikä johtaa virheelliseen vian suunnan indikointiin kuvan11 a) maasulkusuojauksen karakteristiikan tapauksessa [26]. Lisäksi viallisen johtolähdön on havaittu tuottavan enemmän pätötehoa, kuin se kuluttaa vian jälkeisen oskilloinnin aikana [27]. Näin ollen sammutetun verkon käyttötaajuista resistiivistä nollavirtaa mittaavat suoja- laitteet näkevät vian terveen verkon osuudella, koska viallinen johtolähtö syöttää resistiivistä nollavirtaa kohti sähköaseman kiskoa [27].
Vian jälkeisestä oskilloinnista johtuvien epäselektiivisten laukaisujen riskiä voi- daan pienentää pitämällä kuvassa 11esitetyn suunnatun maasulkusuojan asetteluilla riittävät turvamarginaalit [27]. Virheellisen toiminnan riski pienentyy muun muassa, kun maasulkusuojauksen toiminta-aika pidetään riittävän suurena. Tällöin verkon aikavakiollaτ vaimeneva vian jälkeinen oskillointi ehtii todennäköisemmin poistua maasulkusuojan laukaisualueelta ennen, kuin virheellinen laukaisu tapahtuu.
4 Maapotentiaalin nousu ja vaarajännitteet maa- sulussa
Tässä luvussa käsitellään vikavirran aiheuttamaa maapotentiaalin nousua ja siitä seuraavia vaarajännitteitä. Luvussa esitetään yleisimmät verkossa esiintyvät vaara- jännitteet sekä niitä koskevat turvallisuusvaatimukset. Riittävän tehokas maadoitus- järjestelmä rajoittaa maapotentiaalin nousua maasulun aikana, jolloin tässä luvussa käsiteltävät vaarajännitteet pysyvät turvallisella tasolla.
4.1 Maapotentiaalin nousu
Maasulun aikainen vikavirta kulkeutuu kokonaan tai osittain maahan vikapaikan maadoituselektrodin kautta. Maadoitusjärjestelmään kulkeutuva virta aikaansaa jännitehäviön, minkä myötä maadoitusjärjestelmän ja kaukaisen referenssimaan välille muodostuu jännite-ero. Tätä jännite-eroa kutsutaan maadoitusjännitteeksi, joka määritellään yhtälön (11) mukaisesti:
UE =ZE ·IE, (9)
jossa IE on maavirta ja ZE on vikapaikasta nähty maadoitusjärjestelmän maadoi- tusimpedanssi [7, s. 129].
Maadoitusjärjestelmän yksittäisiin maadoituselektrodeihin kulkeva virta muodos- taa lokaalin potentiaalijakauman elektrodin ympäristöön, mikä pienenee kääntäen verrannollisesti elektrodista mitattuun etäisyyteen nähden. Suurimmat potentiaalie- rot homogeenisessa maaperässä esiintyvät aina maadoitetun kohteen läheisyydessä, koska kohteeseen menevän virran muodostama potentiaalisuppilo muuttuu jyrkimmin maadoitetun kohteen läheisyydessä [8, s. 429]. Maahan muodostunutta potentiaalija- kaumaa kutsutaan yleisesti potentiaalisuppiloksi jakauman muodon perusteella.
Potentiaalisuppilon suuruuteen ja jyrkkyyteen vaikuttavat elektrodin kautta maahan kulkeutuva maavirta ja maaperän resistiivisyys elektrodin lähistöllä. Hyvin johtavassa maaperässä potentiaalijakauman vaikutus rajoittuu pienelle alueelle, minkä myötä riittävän kaukainen referenssimaa saavutetaan huomattavasti pienemmillä etäisyyksillä, kuin esimerkiksi suuriresistiivisessä soramaassa. Kuvassa 14 esitetty palloelektrodin potentiaalijakauma maan pinnassa leviää ympäristöön seuraavasti:
Vs = ρI
2πs, (10)
jossa ρ on homogeenisen maaperän resistiivisyys, I elektrodin virta, r elektrodin säde ja s etäisyys elektrodin keskipisteestä.
Yhteen liitetyssä maadoitusjärjestelmässä vikavirta jakautuu kaikkien maadoi- tusjärjestelmän elektrodien välille aiheuttaen maapotentiaalin nousun. Näin ollen maasulun aikainen maadoitusjännite havaitaan maakaapeliverkossa myös muiden muuntopiirien alueilla, mutta pienentynyt virta ei aiheuta yhtä suuria maapotentiaa- lin nousuja. Todellisuudessa keskijännitekaapelin kosketussuojien sarjaimpedanssi
