FI112283B - Menetelmä keskijänniteverkon suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi - Google Patents

Description

112283

Menetelmä keskijännite verkon suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä keskijänniteverkon 5 suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi ja viallisen lähdön määrittämiseksi.

Keksintöä käytetään jatkuvatoimiseen keskijänniteverkon suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisuun, viallisen lähdön määrittämiseen ja verkon tilan seurantaan 10 esimerkiksi numeerisen monitoimireleen mittaamaa informaatiota käyttäen.

Keskijännitelähdön tuottaman maasulkuvirran suuruus riippuu lähdön edustaman maakapasitanssin 3Co suuruudesta. Lähdön nollasuskeptanssi Bo lasketaan johdinvalmistajien ilmoittamia arvoja käyttäen. Yhtenä ongelmana on laskennassa 15 käytettävien arvojen epätarkkuus. Kokemusten mukaan nollasuskeptanssin arvo Bo voi poiketa jopa 10-20 % teoreettisesta arvostaan. Lähtöjen tuottamien vikavirtojen tunteminen kaikissa verkon kytkentätiloissa on tärkeää maadoitusjännitevaatimusten ja suojauksen toiminnan kannalta. Suuri-impedanssinen maasulku muuttaa lähdön maa-admittanssien epäsymmetriaa. Nykyisin käytössä olevat suojareleet eivät pysty . 20 ilmaisemaan lähdön maa-admittanssien epäsymmetria-astetta ja siitä tapahtuvia "' j. muutoksia.

• Ml < · | • ·

I

: Suuri-impedanssisten maasulkujen ilmaisu ja viallisen lähdön määrittäminen on . ongelmallista olemattoman pienestä vikavirrasta johtuen. Herkin suoraan verkosta 25 mitattava indikaattori ko. vikatapauksissa on verkon nollajännite. Nollajännitteen tehollisarvon tai verkon vuotoresistanssin muutokseen perustuva vian ilmaisu oi :T: kuitenkaan kerro suoraan viallista lähtöä, vaan se joudutaan määrittämään muilla : keinoilla. Keksinnössä esitellyillä menetelmillä voidaan seurata jokaisen lähdön . ·: ·. sähköteknistä tilaa erikseen. Maa-admittanssien ja epäsymmetrian jatkuvan seurannan ; * * * j 30 avulla voidaan määrittää verkon sähköinen eristystila j a kytkentätila lähtökohtaisesti.

• * · , ·. ; Eräs keksinnön merkittävä etu tunnettuihin menetelmiin verrattuna on jatkuvatoimisuus.

Lähtöjen suojareleillä on ajanmukainen tieto lähdön sähköisestä pituudesta ja 2 112283 eristystilasta. Syötön suojareleellä on tieto koko verkon sähköisestä pituudesta ja eristystilasta. Menetelmä ei edellytä informaation siirtoa releen ja ylemmän tason jäijestelmien välillä tai releiden välillä.

5 Keskijänniteverkon maasulkuvirran laskenta pohjautuu perinteisesti johdinvalmistajilta saatuihin nollasuskeptanssiarvoihin. Vikavirrat lasketaan verkoston seurantalaskennan yhteydessä.

Suuri-impedanssiset maasulut pyritään ilmaisemaan perinteisesti seuraamalla 10 sähkövoimajärjestelmän nollajännitteen itseisarvoa ja siinä tapahtuvia muutoksia. Nollajännitteen kynnysarvon ylittyessä tapahtuu hälytys. Menetelmä ei kerro mitään vian sijainnista verkossa.

FI-patenttijulkaisussa 100922 B on kuvattu menetelmä suuriresistanssisen maasulkuvian 15 havaitsemiseksi ja paikallistamiseksi. Vian ilmaisu perustuu pääpiirteittäin seuraavaan menetelmään: Mitataan sähköasemalla verkon vaihejännitteet vaihekulmineen ja muodostetaan verkon nollajännite (Ho) mitattujen vaihejännitteiden vektorisummana, lasketaan verkon nollaimpedanssi (Zo), verrataan nollajännitettä (Ho) verkon vaihejännitteisiin (LIV) ja verkon kokonaisnollaimpedanssiin (Zo)· Saaduista suureista ,:. 20 lasketaan vikaimpedanssit (Zf) jokaiselle vaiheelle ja valitaan vialliseksi vaiheeksi se, .;. jonka vikaimpedanssin (Zf) reaaliosa on suurin.

• · . ’ · : US-patenttijulkaisussa 4 729 052 on kuvattu menetelmä, jossa maasulun olemassaolo :'j‘; todetaan verkon tähti-pisteen maadoitusimpedanssia muuttamalla ja mittaamalla ko.

25 muutoksen vaikutus nollajännitteeseen. Menetelmä sopii ainoastaan sammutettuihin verkkoihin, jotka on varustettu kompensoinnin automaattisäädöllä.

t * · v : Tunnetun tekniikan haittana on mm. se, että johdinvalmistajien ilmoittamat ; nollasuskeptanssiarvot on yleensä laskettu ’’varman päälle”, jolloin niiden avulla 30 lasketut maasulkuvirta-arvot ovat yleensä todellista hieman suurempia. Muutenkin laskettuihin johdin-parametreihin liittyy epävarmuutta. Suojareleelle ei välity . *. : informaatiota kytkentämuutoksen seurauksena aiheutuvasta lähdön sähköisen pituuden muutoksesta.

3 112283

Verkon nollajännitteen tehollisarvon seurantaan perustuva vianilmaisumenetelmä ei kerro mitään vian sijainnista verkossa. Suuri-impedanssinen vika saattaa aiheuttaa suuremman muutoksen nollajännitteen vaihekulmassa kuin itseisarvossa, mitä 5 informaatiota ko. menetelmässä ei hyödynnetä. Sääilmiöt (esimerkiksi lumisade) ja verkon kytkentätilanmuutokset aiheuttavat muutoksia verkon nollajännitteessä. Näitä muutoksia voi olla vaikea erottaa suuri-impedanssisen maasulun aiheuttamista muutoksista nollajännitteeseen. Menetelmän etuna on yksinkertaisuus ja kohtuullisen hyvä herkkyys.

10

Aikaisemmat suuri-impedanssisten vikojen ilmaisumenetelmät eivät mahdollista verkon lähtökohtaista valvontaa, koska vian suunta joudutaan määrittämään vian havaitsemisen jälkeen lähtöjen nollavirroissa tapahtuvien muutosten avulla. FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattu menetelmä mahdollistaa ainoastaan koko verkon vaiheiden 15 vuotoresistanssin seurannan. Verkon nollaimpedanssin laskeminen perustuu ko. menetelmässä johdin valmistajien ilmoittamiin nollasuskeptanssiarvoihin, joihin sisältyy epätarkkuutta. Verkon maakapasitanssit voidaan mitata tekemällä maasulkukokeita, mutta tulokset pätevät vain kokeiden aikana käytetyssä kytkentätilanteessa. Lisäksi verkon nollaimpedanssi täytyy laskea ylemmän tason järjestelmässä, jonka jälkeen 20 informaatio täytyy siirtää suojareleelle. Menetelmän etuja ovat viallisen vaiheen ,:. ilmaisu, mahdollisuus vian suunnan määrittämiseen sekä hyvä herkkyys.

. : Patenttihakemuksessa FI 973533 esitetty menetelmä edellyttää tiedonsiirtoa releiden ja .*. käytönvalvontajäijestelmän välillä.

:7: 25 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan ongelmat ja aikaansaada :T: aivan uudentyyppinen menetelmä keskijänniteverkon suuri-impedanssisten : : : maasulkuvikojen ilmaisemiseksi.

i * » 30 Keksintö perustuu siihen, että lasketaan kunkin lähdön maa-admittanssille ja : · * ·, epäsymmetria-asteelle vertailuarvo vertailukytkentätilassa nollajännitteen keinotekoisen : poikkeutuksen tai verkossa luonnostaan esiintyvän maasulun perusteella saaduilla mittaustiedoilla ja näiden vertailuarvojen avulla seurataan ainakin likimain jatkuvasti 4 112283 vastaavia verkon arvoja ja ilmaistaan ennalta määriteltyjen muutosraja-arvojen perusteella mahdollinen vikatilanne.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, 5 mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja.

Yksi menetelmän keskeinen uutuusarvo aiemmin esitettyihin menetelmiin ja 10 julkaisuihin nähden liittyy menetelmän käytännön toteutuksen yksinkertaisuuteen ja liittämiseen osaksi muuta verkostoautomaatiota. Menetelmän käytännön soveltaminen ei vaadi lähtötietoina verkon komponenttien sähköteknisiä lajitietoja (siis verkkotietoja) eikä reaaliaikaista vallitsevaa kytkentätilaa. Menetelmä voidaan ajatella mustana laatikkona, jonka sisäänmenoina on mitatut nollajännitteet ja nollavirrat ja ulostulona 15 indikaatio maasulusta, joka lähetetään yksisuuntaisena eventtinä ylemmän tason jäijestelmälle. Menetelmä voidaan implementoida yhteen kennoterminaaliin, eikä indikointi vaadi kommunikointia muiden releiden tai tietojäqestelmien kanssa, mikä tekee siitä robustimman ja joustavamman esimerkiksi FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattuun menetelmään verrattuna. Edelleen menetelmän sisältävä rele/alasema (REC) 20 voidaan installoida verkon varrella olevalle erotinala-asemalle. Koska tässäkään S : » * tapauksessa ei tarvita indikoinnin muodostamisen kannalta muita lähtötietoja tai # ( * · ,··. kommunikointia tietoliikenteen kautta ylemmän tason releiden/tietojäqestelmien .·. j kanssa, on menetelmä käytännön toteutukseltaan huomattavasti selkeämpi kuin FI- r * patenttijulkaisussa 100922 B kuvattu menetelmä. Menetelmä havaitsee itse ; ' ·'; 25 kytkentätilan muutokset, eikä se siten tarvitse toisen jäijestelmän tuottamaa tietoa reaaliaikaisesta kytkentätilasta erona FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattuun : i : menetelmään.

. : ‘. Keskeinen uutuusarvo liittyy menetelmän jatkuvatoimisuuteen esimerkiksi julkaisuun 30 [Lei94] verrattuna, jossa esitetty menetelmä liittyy lähinnä kertaluontoisiin mittauksiin perustuvaan seurantaan. Keksinnössä hyödynnetään verkossa luonnostaan tapahtuvia » · ,·. : nollajännitteen muutoksia. Laskentamenetelmät eivät vaadi kompensoinnin virityksen säätöä tai verkon kytkentätoimenpiteitä kuten aikaisemmat menetelmät.

5 112283 Lähtöjen maa-admittanssien määrittäminen mittauksin parantaa vikavirtojen laskennan tarkkuutta verkkotiedoista laskettuihin arvoihin verrattuna sekä mahdollistaa sen, että releellä on ajanmukainen tieto lähdön sähköisestä pituudesta. Menetelmä mahdollistaa 5 vikaindikaation tekemisen vaikka vika tapahtuisi nopeasti lähdön kytkentämuutoksen jälkeen.

Keksintö mahdollistaa verkon eri lähtöjen sähköteknisen tilan seuraamisen. Vuotoresistanssin muutos kertoo paitsi vian olemassaolon myös viallisen lähdön ja 10 viallisen vaiheen. Aikaisemmat menetelmät suuri-impedanssisten vikojen ilmaisemiseksi perustuvat pääasiassa verkon nollajännitteen seurantaan tai koko verkon vuotoresistanssin määrittämiseen. Tällöin viallinen lähtö joudutaan määrittämään muilla keinoilla.

15 Keksinnön etuna voidaan pitää myös sitä, että sen toteuttaminen ei vaadi uusia laiteratkaisuja eikä mittauksia verkosta, vaan algoritmit voidaan liittää ohjelmallisesti olemassaoleviin numeerisiin monitoimireleisiin.

Koska lähdön maa-admittanssin laskenta perustuu nollavirran ja nollajännitteen 20 muutokseen, eikä kyseisten suureiden absoluuttiarvoihin, lähdön • · · ··! kapasitanssiepäsymmetriasta aiheutuva virhe eliminoituu. Alhaisilla nollajännitteen y ’ arvoilla kapasitanssiepäsymmetrian aiheuttama nollavirtakomponentti saattaa olla ;y merkittävä. Myös osa nollajännitteen mittausvirheestä eliminoituu pois.

• · · * * # ’ 25 Keksintöä ryhdytään seuraa vassa tarkastelemaan mm. kuvion 1 mukaisen ... suoritusesimerkin avulla.

Lähinnä verkon maakapasitanssien epäsymmetriasta johtuen suuren reaktanssin kautta ; ’ / maadoitetussa (kompensoitu verkko) tai maasta erotetussa verkossa esiintyy 30 normaalitilassakin pieni nollajännite. Normaalitilan nollajännitettä voidaan muuttaa : .' kompensoidussa verkossa maadoituskuristimen viritystä muuttamalla. Sekä • kompensoidussa että maasta erotetussa verkossa kytkentätilan muutos aiheuttaa muutoksen myös nolla-jännitteessä. Normaalitilan nollajännitteeseen on mahdollista 6 112283 vaikuttaa myös keinotekoisesti aiheutetun kapasitanssiepäsymmetrian avulla. Tällöin verkon yhteen vaiheeseen kytketään kondensaattori, jolla verkon terveen tilan nollajännite saadaan nousemaan. Verkon nollajännitettä voidaan muuttaa myös verkon tähtipisteeseen tehtävän virtainjektion avulla. Tämä voidaan toteuttaa suhteellisen 5 yksinkertaisesti kytkemällä maadoituskelan apukäämiin (500 V) tai mittauskäämiin 230 V jännite. Järjestelmä voidaan erottaa pienjännitejäijestelmästä tarkoitukseen sopivan erotusmuuntajan avulla. Virranrajoituskomponenttina voidaan käyttää kondensaattoria. Injektiovirran suuruudeksi riittää alle 1 A ja kestoajaksi muutama sekunti. Esitetyt menetelmät ovat ennestään tunnettuja. Keksinnöllistä on se, miten nollajännitteen 10 muutoksen mittausta sovelletaan.

Kun verkon nollajännite muuttuu, myös lähtöjen nollavirrat muuttuvat. Lähdön maa- admittanssi voidaan laskea nollavirran- ja nollajännitteen muutoksen avulla.

Seuraavassa määritellään laskennassa tarvittavat parametrit ja niiden 15 laskentamenetelmät. Maa-admittanssien ja epäsymmetria-asteen laskentaan keksinnössä käytetyt kaavat 1-4 ovat yleisesti tunnettuja. Niitä on aikaisemmin esitelty mm.

viitteissä [Lei97] ja [Lei94]. Keksinnön uutuusarvo perustuu näiden laskentamenetelmien uudentyyppiseen jatkuvatoimiseen soveltamiseen ja kehittämiseen numeerisen monitoimireleen suojaustoiminnoksi ilman, että suojarele tarvitsee ..: 20 lisäinformaatiota ylemmän tason automaatiojärjestelmistä.

# · · ' · · · ’ Määrittelyssä käytetään seuraavia alaindeksejä: • · } * * • · t · ;", i = lähdön numero, i = 1,2,3,...

> · · 25 v = vaiheen tunnus 1,2,3 ... _ t = kolmen vaiheen summa •; . E = maapiste

Ui = vaihejännite .. a = -1 /2 + j V3/2 (vaiheensiirto-operaattori) ‘ ’ 30 Kolmen vaiheen yhteenlaskettu maa-admittanssi on pääasiassa kapasitiivinen. ω on 50 ‘. ', Hz perustaajuutta vastaava kulmataajuus (ω = 2πί).

Lf = -^-+(l)

*tE

7 112283

Kompensoidun verkon teorian mukaan epäsymmetria-aste määritellään seuraavasti: £ _ ZlE + ä. Y.2E + E (2)

jaC,E

Epäsymmetria-aste voidaan määritellä sekä koko verkolle että yksittäiselle lähdölle. Yksittäisen lähdön tapauksessa admittanssit ovat kyseisen lähdön vaiheen ja maan 5 välisiä admittansseja.

Lähdön maa-admittanssi voidaan laskea nollavirran ja nollajännitteen muutoksen avulla (kaava 3). Alaindeksit a ja b vastaavat kahta eri nollajännitteen ja nollavirran mittausta. Nollajännitteiden ja nollavirtojen osoittimia verrataan sellaiseen referenssiosoittimeen, 10 joka ei muutu maasulun aikana. Sopiva referenssiosoitin on yksi pääjännite. Nollajännitteen ja nollavirran muutoksen käyttö maa-admittanssin laskentaan eliminoi kapasitanssiepäsymmetrian aiheuttaman nollavirran vaikutuksen lopputulokseen. Pieniresistanssisten maasulkujen yhteydessä lähtöjen maa-admittanssit voidaan laskea myös suoraan nollavirran ja nollajännitteen avulla, koska epäsymmetrian vaikutus on 15 merkityksetön. Tämä johtuu siitä, että kapasitanssiepäsymmetrian aiheuttama nollavirtakomponentti ei riipu nollajännitteestä.

Y = Ub~ La (3) E u - u —Ob —0o *·· Epäsymmetria-aste koko verkolle tai yksittäiselle lähdölle voidaan laskea vastaavasti ;" *: 20 kaavasta 4.

'."·· £ _ Loa ~ Le U-Oa (4) “ jvCakL,

Keksinnön perusajatus on se, että lähtöjen maa-admittanssit ja epäsymmetria-asteet lasketaan joka kerta kun verkon nollajännite muuttuu. Tällöin lähtöjen mittauksiin : perustuvat maa-admittanssit ja niistä lasketut vikavirta-arvot vastaavat aina verkon sen

v : 25 hetkistä kytkentätilaa. Tavoitteena on vikaresistanssiltaan 100 - 200 kQ

maasulkuvikojen ilmaisu. Alle 10 kQ maasuluissa viallinen lähtö voidaan määrittää ' suoraan maa-admittanssin muutoksen perusteella. Tällöin laskenta toimii normaalin suuntarelesuojauksen tukena. Menetelmä toimii samalla tavalla maasta erotetussa kuin *1 kompensoidussakin verkossa eikä edellytä toimintakarakteristikan vaihtoa, mikäli 30 kompensointikuristin kytketään pois verkosta.

8 112283

Seuraavassa on kuvioon 1 viitaten esitetty keksinnön toimintaperiaate johdon sähköisen pituuden määrittämiseen, suuri-impedanssisten maasulkujen indikointiin ja viallisen lähdön määrittämiseen: 5 1.)

Lasketaan kunkin lähdön maa-admittanssille YtEi ja epäsymmetria-asteelle |kj| alkutilan referenssiarvo (referenssikytkentätila, josta lähdetään liikkeelle) käyttäen keinotekoista nollajännitteen poikkeutusta, kytkentämuutoksen tai maasulun aikaansaamaa muutosta 10 nollajännitteessä. Tältäosin laskenta vastaa aiemmin viitteessä [Lei97] esitettyjä menetelmiä. Lisäksi kompensoidun verkon tapauksessa maa-admittanssin ja epäsymmetria-asteen arvot lasketaan myös koko verkolle käyttäen syötön vaihevirroista laskettua nollavirtaa tai kuristinhaaran nollavirtaa, jos ko. mittaus on olemassa. Nollajännite lasketaan vaihejännitteiden osoitinsummana tai mitataan jännitemuuntajien 15 avokolmiokäämityksestä. Kunkin lähdön epäsymmetria-asteen maakapasitanssina CtE käytetään referenssikapasitanssia, jonka suuruudeksi valitaan koko verkon kolmen vaiheen yhteenlaskettu maakapasitanssi referenssikytkentätilassa. Koko verkon yhteenlaskettu maakapasitanssi saadaan laskettua syötön nollavirran muutoksen avulla käyttäen kaavoja 1 ja 3. Lähtökohtaisia maa-admittansseja tarvitaan johdon sähköisen • · · 20 pituuden määrittämisessä ja suuri-impedanssisten maasulkujen indikoinnissa.

V·; 2.)

Tallennetaan jokaisen lähdön i maa-admittanssi YtEiref ja |kiref( referenssiarvoiksi. Tallennetaan myös normaalin kytkentätilan aikainen nollajännite, lähtöjen nollavirrat ja • · 25 syötön nollavirta referenssiarvoiksi Uoref, Ιοκϋ ja Iorefs- 3.) ,;, Kun verkossa tapahtuu joko kytkentätilan muutoksen tai maasulkuvian seurauksena !.. nollajännitteen muutos AUo, joka ylittää asetellun raja-arvon AUoas, lasketaan jokaiselle ·’ 30 lähdölle uudet maa-admittanssiarvot Y® ja epäsymmetria-asteet |kj|. Toisena nollajännitteen ja lähdön nollavirran arvona käytetään talletettuja arvoja Uoref, Iorefi· 1 * Viallisen lähdön nollavirran muutosta ei sinänsä käytetä vian indikointiin, vaan vian aikaisen nollajännitteen, lähdön nollavirran ja ennakkoon lasketun maa-admittanssin 9 112283 avulla lasketaan lähdön epäsymmetriaa kuvaava parametri k, jonka muutoksesta voidaan tehdä vikaindikaatio. Laskenta suoritetaan samanaikaisesti kaikille lähdöille, jolloin viallinen lähtö nähdään suoraan laskennan tuloksena, eikä vian olemassaoloa tarvitse määrittää koko verkon tasolla siten kuin FI-patenttijulkaisussa 100922 B on 5 esitetty. Näin päästään parempaan herkkyyteen vian paikallistamisessa kuin käyttämällä pelkästään lähdön maa-admittanssin muutosta.

4.) Lähtöjen laskettuja maa-admittanssiarvoja verrataan referenssiarvoihin YtEiref. Jos 10 lähdön maa-admittanssi ei poikkea laskenta- ja mittausepätarkkuudesta johtuvaa virhettä ÄYtEi enempää arvosta YtEiref, lähdön kytkentätila ei ole muuttunut eikä lähdöllä ole maasulkuvikaa. Tällöin muistissa olevaa referenssiarvoa ei muuteta. Jos lähdön maa-admittanssin poikkeama referenssiarvosta YtEiref on suurempi kuin ÄYtEi, voidaan päätellä, että lähdön kytkentätila on muuttunut tai lähdöllä on maasulkuvika. 15 Kytkentätilan muutos voidaan päätellä myös koko verkon maa-admittanssin muutoksesta, joka lasketaan syötön nollavirran avulla. Tällöin sähköisen johtopituuden muutoksen täytyy olla kuitenkin suurempi, kuin mittausepätarkkudesta johtuva hajonta koko verkon maa-admittanssissa. Kytkentätilan muutoksen seurauksena tallennetaan uudet referenssiarvot.

··:!; 2o s.) Lähtöjen laskettuja epäsymmetria-asteita verrataan referenssiarvoihin |kiref|. Jos laskettu •; · ’ epäsymmetria-aste on suurempi kuin |kiref| ja muutos on suurempi kuin |Äkj|, voidaan •: ·. päätellä, että lähdöllä on suuri-impedanssinen yksivaiheinen maasulku. Epäsymmetria- « ♦ 25 asteet voidaan laskea kaavan 4 mukaisesti ilman uutta nollajännitteen poikkeutusta, kun ‘: ·. lähtöj en maa-admittanssit tunnetaan ko. kytkentätilassa.

Il» 6.) , · ·, Vaihtoehtoinen menetelmä epäsymmetria-asteen seuraamiselle on lähtöjen eri vaiheiden 30 vuotoresistanssien seuranta. Vuotoresistansseja voidaan seurata myös epäsymmetria-‘. asteen ohella. Mikäli lähdön epäsymmetria-aste muuttuu, voidaan lasketun resistanssin • i »

Rf avulla päätellä onko kysymyksessä kytkentämuutos vai vika. Tuloksena saadaan myös informaatio viallisesta vaiheesta, mitä voidaan hyödyntää sellaisten vikojen 10 112283 paikallistamisessa, joissa vika ei ole silmin havaittavissa. Esimerkiksi venttiilisuojavikojen yhteydessä voidaan määrittää, mikä kolmen vaiheen suojista on viallinen. Venttiilisuojia käytetään tyypillisesti jakelumuuntamoiden ja maakaapeleiden ylijännitesuojaukseen. Jakelumuuntamoilla ja kaapelipäätteillä vaihejäijestys on yleensä 5 tunnettu. Eri vaiheiden vuotoresistanssit voidaan laskea kaavan 5 avulla.

Rf =-^- (5) ' U+joCnU o

Uv = vaiheen v jännite loi = lähdön i nollavirta lo CtFi = lähdön i maakapasitanssi normaalitilassa 10 Uo = nollajännite Lähdön nollavirta koostuu nollajännitteestä riippuvasta komponentista (luo) ja epäsymmetriasta riippuvasta komponentista (L) kaavan 6 mukaisesti. Käytännössä vaihekohtaiset maakapasitanssit eivät ole aivan yhtä suuret.

15 L0i=Lu0 +L =llEiUo —02 — 2 +lo3U3) (6)

YtFi = lähdön i kolmen vaiheen yhteenlaskettu maa-admittanssi "! Yoi, Yoz» Yo3 = vaiheiden 1, 2 ja 3 maa-admittanssit ‘!!! < 20 Ui, IL·, U3 = vaiheiden 1,2 ja 3 symmetriset jännitteet

Kapasitanssiepäsymmetriasta aiheutuvan virheen vaikutusta voidaan vähentää seuraavasti. Kun lähdön nollasuskeptanssi BtE tunnetaan admittanssilaskennan tuloksena, kapasitanssiepäsymmetriasta riippuva osa nollavirrasta voidaan määrittää 25 kaavan 6 avulla ja sen vaikutus vuotoresistanssin laskentaan näin eliminoida. Siten lähtöjen vaihekohtaisia vuotoresistansseja voidaan seurata jatkuvasti ilman, että kapasitanssiepäsymmetria vaikuttaa lopputulokseen. Nollajännitteen muutokset eivät . * · ·. vaikuta kapasitanssiepäsymmetriasta riippuvaan osaan nollavirrasta. Seuranta on siten ,, ·. jatkuva eikä vaadi nollajännitteen muutosta.

30

t I I

11 112283

Nollavirran epäsymmetriakomponenttia voidaan käyttää myös suoraan vikaindikaattorina kaavan 6 mukaisesti. Maasulku aiheuttaa vikavirran suuruisen muutoksen nollavirran epäsymmetriakomponenttiin.

5 hv, - h: - YIBU« = Mok + 1 m V KF )

IoKi = lähdön i epäsymmetriavirta normaalitilassa IoKfi - lähdön i epäsymmetriavirta vikatilassa 10 Kun nollajännite muuttuu esim. suuri-impedanssisen vian seurauksena (Rf = 10 - 200 kQ) vikaresistanssi voidaan määrittää myös kaavan 8 avulla [Lei97]. Tällöin nollavirran ja nollajännitteen absoluuttiarvojen sijasta käytetään ko. suureiden muutoksia.

Rf =-^- (8) ' ΔΙ0, -LeAU.0 15

Uve - vaiheen v jännite vian (suuri-impedanssinen maasulku) aikana

Aloi = (lähdön i nollavirta I0 vian aikana) - (lähdön i nollavirta Io ennen vikaa) ·'·; Yptot = lähdön i kolmen vaiheen yhteenlaskettu maa-admittanssi normaalitilassa 1;;; ΔΙΙο = vian aiheuttama nollajännitteen muutos (Uo vian aikana - Ho ennen vikaa) 20 ..." Suuri-impedanssisen vian indikointi ja viallisen lähdön määrittäminen epäsymmetria- asteen tai kaavojen 5, 7 tai 8 avulla edellyttää, että lähtöjen maa-admittanssit tunnetaan * » · ennen vikaa vallinneessa tilanteessa. Jos nollajännitteen muutos aiheutuu maasulusta, saadaan maa-admittanssit laskettua kaikille terveille lähdöille. Jos nollajännitteen ·;. 25 muutos aiheutuu kytkentämuutoksesta, maa-admittanssi saadaan laskettua kaikille niille lähdöille, joiden kytkentätila pysyy entisellään. Seuraavassa esitetään menetelmä kytkentämuutoksen indikointiin ja uuden maa-admittanssin määrittämiseen kytkentämuutoksen jälkeen.

‘ · 30 Lähdön kytkentämuutos voidaan indikoida ja erottaa viasta nollajännitteen ja nollavirran muutosten avulla. Menetelmän keskeinen periaate on mitata nollajännitteen 12 112283 muutos ΔΙΙο = iloi - U02 vastaten mittauksia 1 ja 2 sekä lähdön i nollavirran muutos Aloi = Ιοί -102. Johtolähdön maa-admittanssi Yoi on lähtötilanteessa tunnettu. Lähdön maa-admittanssin muutosta merkitään AYodla. Kun verkon nollajännite muuttuu, voidaan lähdön i nollavirran muutokselle kirjoittaa seuraava yhtälö.

5 Δ/„, = K0Äi + AY,)U„ (9) Tästä maa-admittanssin muutokseksi saadaan ΔΙο = -1-°'~A-1 -Y0i (10)

Ll02

Yhtälöön 9 sisältyy oletus, että kapasitanssiepäsymmetrian aiheuttama nollavirta ei muutu kytkentämuutoksen seurauksena. Niillä lähdöillä, joiden sähköinen pituus ei 10 muutu eli ΔΧο = 0, yhtälö 9 pitää eksaktisti paikkansa. Siten kytkentämuutos voidaan indikoida luotettavasti. Jos lähdöllä ei ole tapahtunut kytkentämuutosta eikä vikaa maa-admittanssin muutos ΔΥ0 on nolla. Menetelmän avulla saadaan laskettua samalla arvio lähdön sähköisen pituuden muutokselle. Tällöin lähdön maa-admittanssi voidaan korjata uutta kytkentätilaa vastaavaan arvoonsa. Maasulun olemassaolo ilmaistaan 15 lähtökohtaisesti toteutetun vuotoresistanssin seurantalaskennan kaavat (5 ja 8) avulla.

Kun lähdöllä on tapahtunut kytkentämuutos eli sen maa-admittanssi on muuttunut, uusi . maa-admittanssi voidaan määrittää myös jollakin seuraavista menetelmistä: t * * 20 a) ,·* ; Odotetaan, että verkon nollajännitteessä tapahtuu uusi muutos maasulun tai . ·; ·. kytkentätoimenpiteen seurauksena, jolloin lähdön maa-admittanssi saadaan laskettua.

• · b) j'; 25 Aiheutetaan verkkoon keinotekoinen nollajännitteen muutos esimerkiksi maadoituskelan viritystä muuttamalla. Toinen mahdollisuus on muuttaa verkon , ··, sähköistä pituutta tai kapasitanssiepäsymmetriaa. Jos sähköasemalla on keskitetty • * ♦ ,···. kompensointi, voidaan maadoituskelan apukäämiin (esim. 500 V) kytkeä joko säädettävä tai vakiojännitelähde nollajännitteen poikkeuttamiseksi. Nämä keinot '. ‘. 30 nollajännitteen muutoksen aikaansaamiseksi ovat tunnettuja. Niitä on jo sovellettu koko • * · verkon parametrien määrittämiseen ja kompensointikuristimen virittämiseen.

c) 13 112283 Määritetään lähdön nollasuskeptanssi verkkotietojen avulla. Uutta on se, että eri johdinlajien nollasuskeptansseihin sisältyvää epätarkkuutta voidaan vähentää siten, että kunkin johto-osan ajatellaan muodostavan tietyn prosenttiosuuden koko lähdön 3 nollasuskeptanssista Bo. Kokonaisnollasuskeptanssina käytetään ennen kytkentämuutosta vallinnutta arvoa. Tällöin ylemmän tason järjestelmän avulla voidaan laskea kuinka suuri on lähdön nollasuskeptanssin prosentuaalinen muutos ja siten uusi maa-admittanssi. Näin vältetään johdinvalmistajien ilmoittamiin nollasuskeptanssiarvoihin mahdollisesti sisältyvä systemaattinen virhe. Tehtyjen 10 maasulkukokeiden mukaan lasketut nollasuskeptanssiarvot ovat pääsääntöisesti hieman liian suuria.

Vaihtoehto a on huono, jos maasulku tapahtuu nopeasti kytkentämuutoksen jälkeen, jolloin uutta maa-admittanssiarvoa ei ole vielä saatu. Tällöin ennen kytkentämuutosta 15 vallinneella maa-admittanssilla laskettu epäsymmetria-aste tai vuotoresistanssi ei ole fysikaalisesti oikein vaikkakin vikaindikaatio on saatavissa.

Jos lähdön kytkentätila on muuttunut ja lähdölle tulee vika ennen kuin uutta maa- admittanssia on saatu määritettyä, voidaan lähdön maa-admittanssin ja epäsymmetria- „!:* 20 asteen laskentaan käyttää referenssiarvoa Iorefi ja vian aikaista nollajännitettä ja nollavirtaa. Koska Ioref, on mitattu aikaisemmassa kytkentätilassa, kaavojen 3 ja 4 avulla '...' lasketut maa-admittanssin ja epäsymmetria-asteen arvot eivät ole fysikaalisesti oikein.

* * · 1 · '· Ko. parametrien muutoksista voidaan kuitenkin päätellä, että lähdöllä on maasulku.

* t » » % · •' ‘ Vaikka lähtö olisi ns. ’’epävarmassa tilassa” kytkentämuutoksen jälkeen, vikaindikaatio I i · *' ’ 25 voidaan kuitenkin tehdä. 1 · k • * 1 * ;,. Yksi mahdollisuus lähdön maa-admittanssin määrittämiseksi kytkentämuutoksen jälkeen on käyttää ensin menetelmää c ja sen jälkeen kun verkossa tapahtuu ‘‘ nollajännitteen muutos, maa-admittanssi lasketaan vaihtoehdon a mukaisesti.

30 Verkon viritysasteen tunteminen on tärkeää, koska se vaikuttaa oleellisesti < · * • ’,: maasulkuvalokaaren sammumisolosuhteisiin ja siten asiakkaille aiheutuvien lyhyiden keskeytysten määrään. Sellaisissa keskijänniteverkoissa, joissa maasulkuvirran kompensointi on toteutettu kiinteillä tai portaittain väliottokytkimen avulla säädettävillä 14 112283 maadoituskeloilla, verkon viritysasteen määrittäminen verkkotietojen ja kelan kilpiarvojen perusteella on varsin epätarkkaa. Maadoituskelat voivat sijaita myös hajautetusti verkossa. Verkon viritysaste muuttuu silloin myös kytkentämuutosten seurauksena. Myöhemmin esitetyt laskentaperiaatteet mahdollistavat verkon 5 viritysasteen määrittämisen laskennallisesti kussakin kytkentätilanteessa. Tällöin verkon viritysastetta on mahdollista seurata samaan tapaan kuin maa-admittansseja ja epäsymmetria-astettakin. Viritysasteen laskenta mahdollistaa myös maadoituskelan virityksen ohjaamisen automaattisesti kytkentämuutoksen jälkeen.

10 Verkon viritysaste määritellään yleisesti tunnetun kaavan 11 mukaisesti.

—--oC,E

v = h ~ = -LJH-= „ 1--1 (11)

h aC* ω CtEL0E

Verkon kolmen vaiheen yhteenlaskettu maakapasitanssi CtE saadaan määritettyä syötön nollavirran muutoksen avulla kaavoja 1 ja 3 käyttäen. Jos verkossa on hajautettua kompensointia, täytyy lähdöillä olevien kelojen suskeptanssit vähentää arvosta (öQe ja 15 lisätä arvoon 1/coLoe, joka edustaa sähköasemalla olevan päämuuntajan tähtipisteessä tai maadoitusmuuntajan avulla muodostetussa tähtipisteessä olevan kelan suskeptanssia.

Loe saadaan määritettyä syötön nollavirran ja nollajännitteen avulla tai kuristinhaaran ,:. nollavirran ja nollajännitteen avulla.

• t » ·

I t ( I

. · · ·. 20 Jos kompensointi on toteutettu hajautetusti eli kompensointiyksiköt sijaitsevat lähdöillä, * · ’ t · : lähdön ylikompensoituminen voidaan todeta maa-admittanssin mittauksella. Jos lähtö * · on ylikompensoitunut losintp - mittaukseen perustuva suojaus (vallitseva käytäntö ': ’: hajautetusti kompensoiduissa verkoissa) toimii virheellisesti silloin kun maasulku on jossakin muualla verkossa.

25 V : Mikäli verkon jatkuvuustilan nollajännite on riittämätön parametrien laskentaan eikä * ; j=; verkon nollajännitettä haluta keinotekoisesti kasvattaa, johtolähtöjen nollasuskeptanssit :1 ’ ’; voidaan laskea maasulkuvikojen yhteydessä. Varsinkin avojohtoverkoissa ohimeneviä :·*,·, maasulkuvikoja, jotka nostavat verkon nollajännitettä, esiintyy suhteellisen runsaasti.

·. ; 30 Terveiden lähtöjen nollasuskeptanssit saadaan laskettua suoraan lähdön nollavirran i t loiskomponentin (losintp) ja verkon nollajännitteen avulla. Viallisen lähdön rele mittaa 15 112283 taustaverkon tuottamaa maasulkuvirtaa. Viallisen lähdön tuottama osuus maasulkuvirrasta ei siis näy tässä mittauksessa.

Jos lähdön kytkentätila muuttuu, täytyy turvautua aiemmin esitettyyn menetelmään c. 5 Lähdön nollasuskeptanssi saadaan mitattua tarkemmin, kun nollajännite seuraavan kerran kohoaa. Käytännössä menetelmällä c saadaan riittävän tarkka kuva lähdön nollasuskeptanssista kytkentämuutoksen jälkeen.

Uusia monitoimireleitä, jotka pystyvät tahdistamaan lähtöjen nollavirrat 10 pääjännitteeseen nähden ja muuttamaan nollavirrat laskennan tarvitsemaan kompleksimuotoon, on vasta vähän käytössä. Vanhempien numeeristen releiden jäljellä oleva käyttöikä on suhteellisen pitkä. Jos sähköasemalla on käytössä numeeriset suojareleet, joilta ei saada suoraan nollajännitteen ja nollavirran välistä vaihekulmatietoa, voidaan nollavirtojen tahdistus tehdä seuraavasti: 15

Releen rekistereihin tallettuu tieto nollavirran itseisarvosta sekä pätö- tai loiskomponentista (riippuu toimintakarakteristikasta). Jos nollavirran itseisarvo ja esimerkiksi loiskomponentti tunnetaan, voidaan niiden avulla laskea nollajännitteen ja . nollavirran välinen vaihekulma.

• · * · '!* 20 = arcsin(12) h * · ( Sähköasemalle tarvitaan ainoastaan yksi monitoimirele, joka tahdistaa nollajännitteen * « · johonkin pääjännitteeseen nähden. Kun nollajännitteen ja pääjännitteen välinen . ·; ·. vaihekulma tunnetaan, niin samalla saadaan myös nollavirrat tahdistettua pääjännitteeseen nähden, koska nollavirtojen ja nollajännitteen väliset vaihekulmat . ·: *. 25 tunnetaan (kaava 12). Lähtöjen releitä ei tällöin tarvitse vaihtaa.

• * · , · \. t Esitetty menetelmä on kokonaisuutena edullinen, koska se ei vaadi uusia mittauksia tai • * * . · · ·, laitteita. Tarvitaan ainoastaan uuden toimilohkon ohjelmointi releelle. Menetelmä, jossa * » sähköasemalle sijoitetaan ainoastaan yksi monitoimirele, joka kommunikoi * · ’. '. 30 olemassaolevien vanhempien numeeristen releiden kanssa, on toteutukseltaan edullisin.

16 112283

Kompensoiduissa verkoissa nollajännite on yleensä riittävä ko. parametrien laskentaan. Haittapuolena on se, että hyvin vuorotelluissa maasta erotetuissa avojohtoverkoissa ja maakaapeliverkoissa verkon jatkuvuustilan nollajännite ja siten lähtöjen nollavirrat voivat olla liian pieniä maa-admittanssien luotettavaan laskentaan. Tällöin maa-5 admittanssit saadaan laskettua verkossa esiintyvien maasulkujen yhteydessä tai muuttamalla verkon nollajännitettä keinotekoisesti.

Jokaiselle sähköasemalle tarvitaan vähintään yksi monitoimirele. Mittaustietoina tarvitaan yksi pääjännite, nollajännite, syötön nollavirta tai kuristinhaaran nollavirta ja 10 lähtöjen nollavirrat. Kaikki em. mittaukset ovat käytettävissä lähes kaikilla sähköasemilla.

15 Lähteet (Lei97) : Leitloff V. et.al. : Detection of resistive single-phase earth fault in a compensated power-distribution system. ETEP Vol. 7, No 1, January/February 1997.

• *! 20 (Lei94) : Leitloff V. et.al. : Messung der Parameter eined kompensierten Netzes durch ,··'·, Injektion eines Stromes in den Stempunkt. Elektizitätswirtschaft, Jg. 93 ( 1994), Heft .**!*: 22.

• · · * · · (Sch94) : Schäfer H.-D. : Erhöhung der Verlagerungsspannung in Mittelspannungs-25 Kabelnetzed mit Erdschlusskompensation. Elektizitätswirtschaft, Jg. 93 ( 1994), Heft 21.

* « · * » · • · • ·

* I

Claims (10)

112283 17

1. Menetelmä sellaisen keskijänniteverkon suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi, joka keskijänniteverkko käsittää ainakin yhden lähdön (i) tehon syöttämiseksi verkkoon, jossa menetelmässä lähtöjen (i) maa-admittanssi (YtEi) sekä 5 nollajännite (Uo) määritetään, tunnettu siitä, että lähtöjen (i) epäsymmetria-aste (|k,|) määritetään, lasketaan kunkin lähdön maa-admittanssille (YtEi) ja epäsymmetria-asteelle (|kj|) vertailuarvo (YtEiref ja |kiref)) vertailukytkentätilassa nollajännitteen keinotekoisen 10 poikkeutuksen tai verkossa luonnostaan esiintyvän maasulun perusteella saaduilla mittaustiedoilla, tallennetaan jokaisen lähdön (i) maa-admittanssi (YtEiref) ja (|kjref|) sekä normaalin kytkentätilan aikainen nollajännite (Uoref) sekä lähtöjen nollavirrat (Iorefi ) ja syötön nollavirta (Iorefs) referenssiarvoiksi, 15. seurataan nollajännitettä (Uo) ainakin likimain jatkuvasti ja mikäli nollajännite (Uo) ··· muuttuu enemmän kuin ennalta määritelty raja-arvo (AUoas), lasketaan jokaiselle ': · lähdölle (i) uudet maa-admittanssiarvot (YtEi) ja epäsymmetria-asteet (|kj|), * · * ’···' - verrataan uusimpia laskettuja maa-admittanssiarvoja (YtEi) vertailuarvoihin (YtEiref) ’; ] · ja määritetään, onko näiden välinen erotus mittausepätarkkuutta (AYtEi ) suurempi, 20. mikäli ero on mittausepätarkkuutta (AYtEi ) suurempi, tarkistetaan esimerkiksi syötön nollavirrasta laskettavissa olevan koko verkon maa-admittanssin muutoksen perusteella onko verkon kytkentätila muuttunut ja mikäli näin on käynyt, tallennetaan uusimmat mitatut maa-admittanssiarvot (YtEi) ja epäsymmetria-asteet (|kj|) vertailuarvoiksi, ja mikäli verkon kytkentätila ei ole muuttunut, todetaan . · ·. 25 maasulku, . - tarvittaessa verrataan lähtöjen (i) laskettuja epäsymmetria-asteita verrataan referenssiarvoihin |kjref| ja mikäli lasketun epäsymmetria-asteen muutos on suurempi kuin ennalta määritelty muutoksen raja-arvo |Akj|, määritetään, että lähdöllä on suuri-impedanssinen yksivaiheinen maasulku. 18 112283

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maa-admittanssin (YtEi) ja epäsymmetria-asteen (|kj|) arvot lasketaan koko verkolle käyttäen kompensoidun verkon tapauksessa syötön vaihevirroista laskettua nollavirtaa. 5

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maa-admittanssin (YtEi) ja epäsymmetria-asteen (|kj|) arvot lasketaan koko verkolle käyttäen kompensoidun verkon tapauksessa kuristinhaaran nollavirtaa, jos ko. mittaus on olemassa. 10

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä keskijänniteverkon suuri- impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi, tunnettu siitä, että menetelmässä seurataan lähtöjen (i) epäsymmetria-astetta.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä keskijänniteverkon suuri- impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi, tunnettu siitä, että lähtöjen (i) eristystilaa seurataan tarkkailemalla lähtöjen (i) eri vaiheiden vuotoresistansseja sekä lähtöjen (i) epäsymmetria-asteita tai epäsymmetriavirtaa siten, että mikäli lähdön epäsymmetria-aste muuttuu, määritetään lasketun resistanssin (Rf) avulla, * i « · 20 onko kysymyksessä kytkentämuutos vai vika, jolloin tuloksena saadaan myös .··, informaatio viallisesta vaiheesta, mitä voidaan hyödyntää sellaisten vikojen . . : paikallistamisessa, joissa vika ei ole silmin havaittavissa. 19 112283

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, jossa käytetään sähköasemalla keskitettyä kompensointia, tunnettu siitä, että maadoituskelan apukäämiin (esim. 500 V) kytketään joko säädettävä tai vakiojännitelähde nollajännitteen poikkeuttamiseksi. 5

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä keskijänniteverkon suuri-impedanssisten maasulkuvikojen ilmaisemiseksi, tunnettu siitä, että kytkentämuutos määritetään selvittämällä lähdön nollasuskeptanssi verkkotietojen avulla. 10 ' ,

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että epäsymmetria-asteiden (|kj|) ja sen vertailuarvojen (|kjrefD sijasta käytetään epäsymmetriavirtaa (IoKi)· < · · t * · * t 1 I * · * I t * 1 · i » · · « » I 20 112283