FI115488B

FI115488B - Menetelmä ja laitteisto katkeilevan maasulun tunnistamiseksi sähkönjakeluverkossa

Info

Publication number: FI115488B
Application number: FI20031546A
Authority: FI
Inventors: Olavi Maekinen
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-13
Also published as: CN100533161C; WO2005038474A1; RU2358273C2; EP1682909A1; FI20031546A0; RU2006112901A; CN1898573A; EP1682909B1

Description

115488

Menetelmä ja laitteisto katkeilevan maasulun tunnistamiseksi sähkönjakeluverkossa

Keksinnön tausta

Keksinnön kohteena on menetelmä katkeilevan maasulun tunnista-5 miseksi sähkönjakeluverkossa, missä menetelmässä katkeileva maasulku tunnistetaan sähkönjakeluverkon nollajännitteen ja sähkönjakeluverkon johtoläh-dön alun vaihevirtojen summavirran perusteella.

Edelleen keksinnön kohteena on laitteisto katkeilevan maasulun tunnistamiseksi sähkönjakeluverkossa, joka laitteisto on sovitettu tunnistamaan 10 katkeileva maasulku sähkönjakeluverkon nollajännitteen ja sähkönjakeluverkon johtolähdön alun vaihevirtojen summavirran perusteella.

Keksinnön lyhyt selostus i Sähkönjakeluverkon maasululla tarkoitetaan vaihejohtimen ja maan tai maahan yhteydessä olevan osan välistä eristysvikaa, eli vikaa, missä säh-15 könjakeluverkon johtolähdön ainakin yksi vaihejohdin joutuu tavalla tai toisella yhteyteen maan kanssa. Käytännössä maasulku syntyy esimerkiksi valokaarena läpilyönnin seurauksena muuntajan suojakipinävälissä, puun kaatuessa johdolle, puun oksan kosketellessa johtoa tai vaihejohtimen katketessa ja pudotessa maahan. Maasulku voi esiintyä joko yhdessä tai useammassa vaihe-20 johtimessa. Maasulun aiheuttamat häiriöt näkyvät koko galvaanisesti yhteen-kytketyssä verkossa. Galvaanisesti yhteenkytketyllä verkolla tarkoitetaan niitä :.j. sähköasemalta lähteviä johtolähtöjä, jotka kyseisellä käyttöhetkellä on kytketty *:' sähköaseman samaan kiskostoon.

I I I t : Sähkönjakeluverkon vioista noin 60 - 70 % on maasulkuja, joista •« · > 25 noin 80 % on yksivaiheisia maasulkuja. Monivaiheinen maasulku syntyy usein yksivaiheisen maasulun seurannaisvikana vikaantumattomien vaiheiden jänni- • » ].··, tetason nousun aiheuttaman läpilyönnin tai maasulun alkutilan muutosilmiöi- • *‘* den seurauksena. Suurin osa maasuluista on tilapäisiä häviten joko itsestään . , tai maasulkusuojauksen aiheuttamien jälleenkytkentöjen seurauksena.

: 30 Erittäin suuri osa tilapäisistä maasuluista on niin sanottuja katkeile- via maasulkuja, joissa maasulku esiintyy toistuvasti, jopa niin usein, että jokai- :*,* sella vaihejännitteen paikallisen maksimi- tai minimiarvon kohdalla tapahtuu • · läpilyönti. Tämä katkeileva maasulku tulee esiin hyvin lyhytkestoisena piikkinä • tai pulssina vaihejännitteen ja vaihevirran mittauksissa tai vaihejännitteiden * ·: * * 35 hetkellisarvojen keskiarvoa vastaavassa nollajännitteessä ja vaihevirtojen sum- • · 2 115488 ! massa eli summavirrassa. Katkeileva maasulku sammuu itsestään hyvin nopeasti, mutta jatkuvasti toistuvana se aiheuttaa turhaa sähköverkon rasitusta, heikentää verkon eristyskykyä esiintymispaikassaan ja aikaa myöten voi johtaa pysyvään maasulkuvikaan, mikä estää verkon viallisen osan käytön ilman kor-5 jaustoimenpiteitä. Katkeileva maasulku heikentää myös asiakkaille toimitettavan sähkön laatua ja voi aiheuttaa verkkoon kytkettyjen herkkien laitteiden toimintahäiriöitä ja vikaantumista. Lisäksi verkon käytettävyyden ja huollon kannalta on tärkeää havaita katkeilevan maasulkuvian esiintyminen verkossa sekä tunnistaa, millä sähköaseman johtolähdöllä vika esiintyy, jotta vikaa voidaan 10 ryhtyä paikantamaan ennen pysyvän vian syntymistä ja jotta sähköaseman suojareleillä toteutettavat tarvittavat verkon suojaustoimenpiteet voidaan kohdistaa vialliseen johtolähtöön muiden johtolähtöjen toimintaa häiritsemättä.

Perinteisesti katkeilevan maasulun tunnistamiseen ja suojaukseen on käytetty samaa menetelmää kuin pysyvän maasulun tunnistamiseen ja suo-15 jaukseen. Kyseisessä ratkaisussa lasketaan FFT:n (Fast Fourier Transform) avulla galvaanisesti yhteenkytketyn jakeluverkon nollajännitteen perusaallon eli I 50 Hz:n taajuuskomponentin amplitudi ja vaihekulma sekä tarkasteltavan joh- tolähdön alun summavirran perusaallon eli 50 Hz:n taajuuskomponentin amplitudi ja vaihekulma. Pysyvä maasulku tarkasteltavalla johtolähdöllä tunniste-20 taan, kun nollajännitteen ja summavirran 50 Hz taajuuskomponenttien amplitudit ylittävät ennalta asetellut raja-arvot ja mainittujen 50 Hz taajuuskomponenttien välinen vaihekulmaero on tietyllä alueella. Tähän ratkaisuun pohjautuva katkeilevan maasulun tunnistaminen kuitenkin palautuu eli nollaantuu, ellei ’’· seuraava vikapulssi tai vikapiikki esiinny ennalta asetetussa määräajassa. Tä- ··· 25 män ratkaisun etuna on, että katkeileva maasulku tunnistetaan samalla mene- : telmällä kuin itse jatkuva maasulku, jolloin menetelmässä voidaan käyttää myös samoja suojareleasetteluita kuin perusmaasulkusuojauksessa. Tällä pe-riaatteella toteutettu suojaus siis muuntaa johtolähdön alun summavirrassa esiintyvän vikapulssin tai vikapiikin FFT:n avulla laskennalliseksi 50 Hz:n kom- •» · 30 ponentiksi, jolle amplitudin lisäksi määritetään myös vaihekulma. Sama teh-: , *. dään myös nollajännitteessä katkeilevan maasulun aikana esiintyvälle 50 Hz:n taajuuskomponentille. Vian esiintymissuunnan määritys ja siten viallisen johto-lähdön tunnistaminen on kuitenkin hankalaa, koska suunnan määritys perus- • » tuu nollajännitteen 50 Hz perusaallon vaihekulman ja summavirran hyvin epä- 35 määräisen 50 Hz perusaallon vaihekulman väliseen vaihe-eroon. Menetelmäs- , tä tulee täten hyvin altis virhehavahtumisille, koska vaihe-ero myös vikaantu- • · · tl·*· 3 115488 ί ; i mattomilla johtolähdöillä käy vian aikana ratkaisun mukaisten releasetteluiden havahtumisalueelia. Koska vikavirtapiikki on kestoltaan hyvin lyhyt, luokkaa noin 1 ms, ja koska se on luonteeltaan transienttimainen, käsittäen useita eri taajuuksia, on tällaisen signaalin 50 Hz:n perusaaltoon perustuvan ratkaisun 5 kulmanmääritys hyvin epämääräinen ja herkkä virheille.

Toinen tunnettu tapa katkeilevan maasulun tunnistamiseksi on ollut seuraavien ehtojen täyttyminen; a) johtolähdön alun summavirran hetkellisarvo ylittää parametroitavan raja-arvon, b) viallisella johdolla nollavirran polariteetti ja nollajännitteen polariteetti ovat samanvaiheisia, c) vikaantumattomalla johto-10 lähdöllä summavirran polariteetti ja nollajännitteen polariteetti ovat erivaiheisia ja d) laskurin avulla lasketaan ylöspäin aina kun ehto b) täyttyy ja alaspäin jos ehto c) täyttyy. Laskurin saavuttaessa aseteltavan rajan tunnistetaan vika kat-I keilevaksi maasuluksi. Laskuri puolestaan nollataan, mikäli vian aiheuttamien vikapulssien tai vikapiikkien väliaika ylittää aseteltavan raja-arvon. Tämä rat-15 kaisu perustuu siis hyvin pitkälti aikatason tapahtumiin. Menetelmässä vian esiintymissuunnan määritystä vaikeuttaa se, että sekä vikalähdöllä että vikaan-tumattomilla lähdöillä summavirtapulssi koostuu useista taajuuskomponenteis-ta. Summavirtapulssissa esiintyvä korkeataajuinen purkausvirtakomponentti eli purkausvirtatransientti saattaa aiheuttaa sen, että vikaantumattomalla johtoläh-20 döllä summavirran hetkellisarvo on näytteenottohetkellä samanvaiheinen nolla-jännitteen kanssa. Tällöin vikaantumattomien lähtöjen suojareleet voivat virheellisesti havahtua katkeilevan maasulun vuoksi.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen ja • · *··;' parannettu menetelmä ja laitteisto katkeilevan maasulun tunnistamiseksi säh- .··: 25 könjakeluverkoissa.

♦ # : Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että muo- dostetaan mainitun sähkönjakeluverkon nollajännite, muodostetaan mainitun johtolähdön vaihevirtojen summavirtajohtolähdön alussa, suodatetaan mainit-: tua nollajännitettä siten, että suodatettu nollajännite käsittää olennaisesti aino- 30 astaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, suodate-: . *. taan mainittua summavirtaa siten, että suodatettu summavirta käsittää olennai- ’··’ sesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, määritetään mainitun nollajännitteen transienttikomponentin amplitudi ja vaihe- kulma ainakin yhdellä taajuudella, määritetään mainitun summavirran transi-J 35 enttikomponentin amplitudi ja vaihekulma ainakin yhdellä taajuudella, muodos-’·, tetaan mainittujen nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien » * *» 4 115488 vaihekulmien välinen vaihe-ero, verrataan mainittua nollajännitteen transientti-komponentin amplitudia ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon, verrataan mainittua summavirran transienttikomponentin amplitudia ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon, verrataan mainittujen nollajännit-5 teen ja summavirran transienttikomponenttien vaihekulmien välistä vaihe-eroa ennalta asetettuun kyseisen vaihe-eron asetusarvoalueeseen ja mainittujen nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien amplitudien ylittäessä vastaavat amplitudien asetusarvot ja mainittujen nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien vaihekulmien välisen vaihe-eron ollessa 10 ennalta asetellulla asetusarvoalueella tunnistetaan katkeilevan maasulun esiintyvän tarkasteltavassa sähkönjakeluverkossa.

Edelleen keksinnön mukaiselle laitteistolle on tunnusomaista se, et- tä laitteistoon kuuluu välineet muodostamaan mainitun sähkönjakeluverkon nollajännite, välineet muodostamaan mainitun johtolähdön vaihevirtojen sum-15 mavirtajohtolähdön alussa, välineet suodattamaan mainittua nollajännitettä siten, että suodatettu nollajännite käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, välineet suodattamaan mainittua summavirtaa siten, että suodatettu summavirta käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, välineet 20 määrittämään mainitun nollajännitteen transienttikomponentin amplitudi ja vaihekulma ainakin yhdellä taajuudella, välineet määrittämään mainitun summavirran transienttikomponentin amplitudi ja vaihekulma ainakin yhdellä taa-# t. juudella, välineet muodostamaan mainittujen nollajännitteen ja summavirran ' 1; transienttikomponenttien vaihekulmien välinen vaihe-ero, välineet vertaamaan ·/·; 25 mainitun nollajännitteen transienttikomponentin amplitudia ennalta asetettuun « · ·1·: kyseisen amplitudin asetusarvoon, välineet vertaamaan mainitun summavirran transienttikomponentin amplitudia ennalta asetettuun kyseisen amplitudin ase- i V tusarvoon, välineet vertaamaan mainittujen nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien vaihekulmien välistä vaihe-eroa ennalta asetettuun 30 kyseisen vaihe-eron asetusarvoalueeseen ja välineet tunnistamaan katkeile- : van maasulun esiintyvän tarkasteltavassa sähkönjakeluverkossa mainittujen ,1··. nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien amplitudien ylittäessä ’·’ vastaavat amplitudien asetusarvot ja mainittujen nollajännitteen ja summa- virran transienttikomponenttien vaihekulmien välisen vaihe-eron ollessa ennal- ,,: 35 ta asetellulla asetusarvoalueella.

» · t · • I » · 5 115488

Keksinnön olennainen ajatus on, että sähkönjakeluverkossa esiintyvä katkeileva maasulku tunnistetaan siten, että muodostetaan mainitun sähkönjakeluverkon nollajännite ja johtolähdön vaihevirtojen summavirtajohtoläh-dön alussa ja suodatetaan mainittuja nollajännitettä ja summavirtaa siten, että 5 suodatetut nollajännite ja summavirta käsittävät olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin. Edelleen olennaisen ajatuksen mukaan määritetään nollajännitteen ja summavirran transienttikom-ponenttien amplitudit ja vaihekulmat ja vaihekulmien välinen ero ainakin yhdellä taajuudella ja verrataan määritettyjä nollajännitteen ja summavirran tran-10 sienttikomponenttien amplitudeja ja vaihekulmien erotusta ennalta asetettuihin vastaaviin asetusarvoihin, ja mainittujen nollajännitteen ja summavirran tran-sienttikomponenttien amplitudien ylittäessä vastaavat amplitudien asetusarvot ja mainittujen nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien vaihe-kulmien välisen vaihe-eron ollessa ennalta asetellulla asetusarvoalueella tun-15 nistetaan katkeilevan maasulun esiintyvän tarkasteltavassa sähkönjakeluverkossa. Keksinnön erään sovellutusmuodon mukaan ratkaisua käytetään tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyminen sillä johtolähdöllä, jonka summavirran transienttikomponentin amplitudi ja vaihekulma on määritetty, jolloin nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien vaihekulmien välisen 20 vaihe-eron asetusarvoalueena käytetään kulma-aluetta <pb ± Δφ, missä <pb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta. Keksinnön erään toisen sovellutusmuodon mukaan havaittaessa katkeilevan maasulun esiintyvän tarkastelta-, valla johtolähdöllä ohjataan kyseisen johtolähdön katkaisija auki jakeluverkon '·; suojaamiseksi katkeilevan maasulun vaikutukselta. Keksinnön erään kolman- I I Ϊ *··; 25 nen sovellutusmuodon mukaan ratkaisua käytetään tunnistamaan katkeilevan : maasulun esiintyminen tarkasteltavaan johtolähtöön nähden johtolähdön taus- ",v: taverkossa, jolloin nollajännitteen ja summavirran transienttikomponenttien vai- hekulmien välisen vaihe-eron asetusarvoalueena käytetään kulma-aluetta -<pb : ± Δφ, missä cpb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta.

t i I

30 Keksinnön etuna on, päätös katkeilevan maasulun tunnistamisesta .·, tehdään katkeilevan maasulun aiheuttaman transienttimaisen summavirta- t > ’··] pulssin ja nollajännitteen muutoksen amplitudien ja vaihekulmien perusteella T transientille ominaisella ainakin yhdellä taajuudella. Tällöin voidaan välttää ny- .*·: kyisin käytössä olevassa ratkaisussa erityisesti jakeluverkon perustaajuisen 35 taajuuskomponentin vaihekulman luotettavuuteen liittyvät ongelmat, jotka ai-, ,·. heutuvat transientista, koska syntynyttä ilmiötä tarkastellaan sille ominaisella > I » 6 115488 t taajuudella. Ratkaisun mukaan saadaan luotettavasti määritettyä sekä nolla-jännitteessä että summavirrassa esiintyvien transienttien amplitudit ja vaihe-kulmat. Transienttien amplitudien perusteella voidaan määrittää, että kysymys todella on maasulun aiheuttamasta viasta ja vaihekulmien perusteella pysty-5 tään määrittämään vian suunta tarkasteltavan johtolähdön suhteen. Keksinnön mukaista ratkaisua voidaan käyttää tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyminen joko juuri sillä tarkasteltavalla johtolähdöllä, josta summavirta määritetään tai tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyminen kyseisen johtolähdön taustaverkossa. Ratkaisua voidaan edelleen käyttää katkeilevaan maasulkuun 10 käytettävän luotettavan maasulkusuojauksen toteuttamiseksi.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisissa piirustuksissa, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti ja esimerkinomaisesti yksivaiheista maasulkua kompensoidussa sähkönjakeluverkossa, 15 kuvio 2 esittää kaavamaisesti kompensoidun sähkönjakeluverkon si- jaiskytkentää maasulun aikana, kuvio 3 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista laitteistoa, kuviot 4, 6, 7, 9, 10, 12 ja 14 esittävät esimerkinomaisesti viallisen johtolähdön summavirtaa keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheissa, 20 kuviot 5, 8, 11, 13 ja 15 esittävät esimerkinomaisesti sähkönjakelu- verkon nollajännitettä keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheissa, . .·, kuvio 16 esittää esimerkinomaisesti jakeluverkon nollajännitteen ja • · * "j, viallisen johtolähdön summavirran vaihe-eroa katkeilevan maasulkuvian vika- pulssin aikana, ; 25 kuviot 17a, 17b, 17c, 17d ja 17e esittävät esimerkinomaisesti kek- * ‘ sinnön mukaisen menetelmän toimintaa tarkasteltuna viallisen johtolähdön : V suhteen, • · · kuviot 18, 19, 20 ja 21 esittävät esimerkinomaisesti vikaantumat-toman johtolähdön summavirtaa keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheis- ' 30 sa, i · * /··; kuvio 22 esittää esimerkinomaisesti jakeluverkon nollajännitteen ja .· . vikaantumattoman johtolähdön summavirran vaihe-eroa katkeilevan maasulku-

• I

• # ’ · vian vikapulssin aikana ja kuviot 23a, 23b, 23c, 23d ja 23e esittävät esimerkinomaisesti kek- :*: 35 sinnön mukaisen menetelmän toimintaa tarkasteltuna vikaantumattoman johto- lähdön suhteen.

t I

i 7 115488

Kuvioissa keksintö on esitetty selvyyden vuoksi yksinkertaistettuna. Samankaltaiset osat on merkitty kuvioissa samoilla viitenumeroilla.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä sähkönjakeluverkkoa sekä sii-5 nä tapahtuvaa yksivaiheista maasulkua. Kuvion 1 mukaisessa sähkönjakelu-verkossa on kaksi kolmivaiheista johtolähtöä, johtolähtö 1 ja johtolähtö 2. Joh-tolähdöt 1 ja 2 lähtevät katkoviivalla esitetyn sähköaseman 3 kiskostosta 4, joka on yhdistetty sähköaseman 3 päämuuntajaan 5. Verkon kolme eri vaihetta on merkitty merkinnöillä R, S ja T. Kuvion 1 mukaisessa jakeluverkossa kum-10 mankin johtolähdön alussa on katkaisijat 6, jotka avaamalla voidaan estää tehon syöttäminen kyseiseen johtolähtöön esimerkiksi kyseisessä johtolähdössä esiintyvän vian aikana. Katkaisijan 6 avautumista ja sulkeutumista ohjataan suojareleillä 7, jotka verkossa vallitsevan jännitteen ja johtolähdöissä kulkevan virran mittauksien perusteella tarkkailee verkon tilaa ja epänormaalin tilanteen 15 ilmaantuessa tarvittaessa antaa ohjauskäskyn katkaisijan 6 avaamiseksi.

! Kuvion 1 mukaisessa sähkönjakeluverkossa on päämuuntajan 5 toi- siokäämityksen tähtipisteeseen eli verkon tähtipisteeseen kytketty kompen-sointikuristin 9, jonka induktanssi on U jonka tehtävänä on kompensoida verkossa maasulun aikana syntyvä kapasitiivinen perustaajuinen maasulku virta. 20 Kuviossa 1 esitetty jakeluverkko on siten kompensoitu eli sammutettu verkko, tarkoittaen sitä, että verkolla on normaalisti yhteys maahan verkon maaka-. .· pasianssien Co lisäksi myös päämuuntajan 5 tähtipisteen kautta. Kuviossa 1 on edelleen esitetty verkon tähtipisteeseen kompensointikuristimen 9 rinnalle kytketty lisäkuormitusvastus 10, jonka resistanssi on R|. Lisäkuormitusvastuk- • * ; 25 sen 10 tehtävänä on kasvattaa maasulun aikana syntyvän maasulkuvirran pä- ' tökomponenttia maasulun havaitsemisen helpottamiseksi. Lisäkuormitusvastus • · · : : 10 kytketään päälle tyypillisesti vasta silloin, kun vika ei ole poistunut kompen- • ·» soinnin ansiosta.

Normaalissa käyttötilanteessa verkon maakapasitanssit Co ovat , 30 keskenään samansuuruisia, joten verkon sanotaan olevan symmetrinen maa- li» * ; ; hän nähden. Symmetrisen verkon tähtipisteen ja maan välinen jännite eli nolla- / . jännite on joka hetki nolla. Samoin verkon maakapasitanssien Co kautta kulke- ; ·’ vien verkon varausvirtojen summa on nolla. Yksivaiheisen maasulun tapahtu essa, eli vaihejohtimen joutuessa joko suoraan tai vikaimpedanssin kautta joh-35 tavaan yhteyteen maan kanssa, pienenee viallisen vaiheen jännite samalla kun vikaantumattomien vaiheiden jännitteet kasvavat. Tämän jännite-epäsym- 8 115488 metrian seurauksena verkon varausvirtojen summa poikkeaa nollasta muodostaen vikapaikan kautta maahan kulkevan maasulku- eli vikavirran If. Tällöin verkon tähtipisteen ja maan välille syntyy tähtipiste- eli nollajännite Uo. Tämä jännite on sama, minkä maasulkuvirta If synnyttää kulkiessaan maakapasitans-5 sien C0 kautta.

Kuviossa 1 on esitetty kompensoidun verkon yksivaiheisessa maa-sulussa syntyvä kapasitiivinen maasulkuvirta lc ja nollajännite Uo, kun johtoläh-dön 2 vaihe T joutuu johtavaan yhteyteen maan kanssa vikavastuksen Rf kautta. Kapasitiivisen maasulkuvirran lc kulkua verkossa on kuviossa 1 esimer-10 kinomaisesti esitetty nuolilla B. Vikavastuksen Rf resistanssi on viallisen vaihe-johtimen ja johtavan maan välinen kokonaisresistanssi. Kapasitanssi Co on i kolmivaiheverkon yhden vaiheen maakapasitanssi. Maasulun aikana vikavastuksen Rf kautta maahan kulkeva virta lähtee maassa sekä kuormituksen että syöttävän verkon suuntaan. Maassa kulkeva virta eli maavirta on suurimmil-15 laan vikakohdassa. Maavirta pienenee johtolähtöjen päihin päin mentäessä virran noustessa maakapasitanssien Co kautta vikaantumattomiin vaiheisiin siten, että johtolähtöjen päissä maavirta on nolla. Vikaantumattomien vaiheiden varausvirrat kiertävän muuntajien kautta vialliseen vaiheeseen ja edelleen : vikakohtaan. Täten koko galvaanisesti yhteenkytketty verkko osallistuu maa- ! 20 sulkuvirran If syöttämiseen. Maasulun aikana nollajännite Uo aiheuttaa kom- pensointikuristimeen 10 kapasitiiviselle maasulkuvirralle lc vastakkaisen induktiivisen virran li, joka pyrkii kompensoimaan vikapaikassa kulkevan maasulku-; virran. Sammutettu verkko on täysin kompensoitu, kun kuristimen induktiivinen reaktanssi vastaa verkon kapasitiivista reaktanssia verkon käyttötaajuudella. 25 Kompensoidun verkon maasulussa suurin osa maasulkuvirrasta kulkee kom-I pensointikuristimen 9 kautta ja vikapaikan kautta kulkee ainoastaan niin sanot- ... tu maasulkuvirran jäännösvirtakomponentti, joka muodostuu kompensointiku- • · * : ristimen 9 epätarkan virityksen aiheuttamasta induktiivisesta tai kapasitiivisesta • * *···* loisvirrasta, kuristimen ja verkon häviöiden aiheuttamasta pätövirrasta sekä 30 kuristimen kyllästymisestä aiheutuvista virran yliaalloista. Maasulkuvirran jään- : nösvirtakomponentti on maakapasitanssien kautta vikaantumattomiin vaiheisiin : nousevan virran lc, kompensointikuristimen 9 induktiivisen virran !i ja lisäkuor- ; mitusvastuksen kautta kulkevan pätövirran lr summa eli If = lc + ii + ir, missä » »* alaviiva tarkoittaa vektorisummaa. Kuviossa 2 on vielä esitetty kaavamaisesti Ί' 35 kompensoidun verkon maasulkupiirin sijaiskytkentä, missä verkon vaihejännite

Uv vastaa alan ammattimiehelle sinänsä tunnetun Theveninin teoreeman mu- • * 9 115488 kaista jännitelähdettä 11. Kompensoiduissa verkoissa voidaan käyttää myös osittaista kompensointia, jolloin ainoastaan osa kapasitiivisesta maasulkuvir-rasta pyritään kompensoimaan kompensointikuristimen 9 avulla.

Maasulku ilmiönä on perusperiaatteiltaan alan ammattimiehelle si-5 nänsä tunnettu, joten sitä ei tämä selityksen yhteydessä käsitellä tarkemmin. Maasulkua ilmiönä on tarkasteltu tarkemmin esimerkiksi teoksessa Lakervi, E. & Holmes, E. J., Electricity distribution network design, London, United Kingdom, Peter Peregrinus Ltd., 1989, 320 s.

Kuviossa 3 on esitetty kaavamaisesti laitteistotasolla eräs ratkaisu 10 katkeilevan maasulun tunnistamiseksi perustuen maasulun alussa esiintyvälle muutosilmiölle ominaisiin varaus- tai purkaustransientteihin. Maasulku aiheuttaa sähköverkossa muutosilmiön, jossa viallisen vaiheen jännite laskee ja sen maakapasitanssit Co purkautuvat ja aiheuttavat purkaustransientin. Samanaikaisesti vikaantumattomien vaiheiden jännitteet nousevat ja niiden maakapasi-15 tanssit Co varautuvat aiheuttaen varaustransientin. Purkaustransientin aikana viallisen vaiheen maakapasitansseissa C0 oleva varaus purkautuu värähdel-leen maasulkukohdan ja johtolähdön päiden välillä. Purkaustransientin taajuus vaihtelee 500 Hz:stä kymmeniin kiloherzeihin saakka. Teoriassa purkaustransientin amplitudi voi olla hyvinkin suuri, mutta käytännössä se vaimenee nope-20 asti johtimien resistanssin ja virranahtoilmiön sekä vikavastuksen Rf ja maan resistanssin vaikutuksesta. Varaustransientin aikana vikaantumattomien vaiheiden maakapasitanssit varautuvat. Varaustransientin taajuus voi teoriassa : : olla jopa 6 kHz, mutta käytännössä varaustransientin taajuus on 100 - 1200 t · * . | Hz, sillä transientin taajuus vaimenee, koska suurin osa varausvirrasta kulkee i 25 sähköverkon päämuuntajan käämityksen kautta. Maasulun tapahtuessa vaihe- • · * jännitteen huippukohdassa voi vikaantumattoman vaiheen jännite olla jopa 2,5- • · kertainen verrattuna vaihejännitteen huippuarvoon ennen maasulkua. Vastaa- • · · vasti vikavirran transientin amplitudi voi olla jopa 10 - 20-kertainen perustaajui- • · *··* sen vikavirran amplitudiin verrattuna.

30 Ratkaisu katkeilevan maasulkuvian tunnistamiseksi perustuu sähkö- : verkon nollajännitteessä Uo ja johtolähdön summavirrassa ISum esiintyviin va- raus- tai purkaustransientteihin. Nollajännite Uo voidaan muodostaa esimerkiksi : si laskemalla laskentaelimessä 14 jänniteantureilla 12 tai jännitesensoreilla 12 > · · mitattujen vaihejännitteiden Ur, Us ja Ur hetkellisarvojen keskiarvo sinänsä T 35 tunnetulla tavalla. Vaihtoehtoisesti nollajännite U0 voidaan myös suoraan mita- ta yhtäaikaisesti kaikkien vaiheiden jännitettä mittaavalla anturilla tai sensorilla.

i 10 115488

Summavirta Isum saadaan vastaavalla tavalla laskemalla laskentaelimessä 14’ virta-antureilla 13 tai virtasensoreilla 13 mitattujen vaihevirtojen lR, ls ja Ιχ het-kellisarvojen summa sinänsä tunnetulla tavalla. Vaihtoehtoisesti myös summavirta Isum voidaan myös suoraan mitata yhtäaikaisesti kaikkien vaiheiden 5 virtaa mittaavalla anturilla tai sensorilla.

Nollajännitteen Uo ja summavirran Isum muodostamisen jälkeen kyseiset suureet tai signaalit suodatetaan kaistanpäästösuotimella 15, jonka päästökaista on suunniteltu siten, että se säilyttää suodatettavasta signaalista ne taajuuskomponentit, joiden taajuus on kyseisellä suotimen 15 päästökais-10 talla. Riippuen siitä, käytetäänkö katkeilevan maasulun tunnistamiseen maasulun alussa esiintyvää varaus- vai purkaustransienttia, suotimen 15 päästökaista suunnitellaan asianmukaiselle taajuusalueelle siten, että ainoastaan kyseinen transienttikomponentti säilyy ja sitä matalammat ja korkeammat taajuudet suodattuvat pois. Ennen kaistanpäästösuodatusta transientin takuutta ei tie-15 detä kovin tarkasti, joten suotimen 15 päästökaistan ala- ja ylärajataajuudet valitaan siten, että verkon käyttäytymisen tuntemisen perusteella tiedetään transientin taajuuden olevan kyseisellä taajuusalueella. Transienttitaajuuksia ei ole välttämätöntä tietää ennalta kovinkaan tarkasti vaan pelkkä karkea estimaatti riittää.

20 Kaistanpäästösuodatuksen jälkeen voidaan laskentaelimessä 16 tarkemmin määrittää transientin taajuus ja jaksonaika suodattamattoman summavirran puolikkaan jakson pituuden perusteella. Määritettyä transientin taajuutta ja jaksonaikaa voidaan niin haluttaessa käyttää hyväksi seuraavassa vaiheessa, missä määritetään nollajännitteen U0 ja summavirran Isum transient-: 25 tikomponenttien amplitudi ja vaihekulma FFTillä (Fast Fourier Transform). To- ’ ’ ’ dellisuudessa sekä varaus- että purkaustransientti sisältävät useita eri taajuus- • » .. . komponentteja, mutta käytännössä transientissa on useimmiten vain yksi do- » I · minoiva, kyseiselle verkolle ominainen taajuuskomponentti, jonka vaikutus ' · · ·' transientissa on suurin ja jolla taajuuskomponentilla tämän ratkaisun yhteydes- 30 sä tarkoitetaan transientin taajuutta.

·.: · Joko suoraan kaistanpäästösuodatuksen jälkeen tai transientin taa- juuden ja jaksonajan määrityksen jälkeen määritetään laskentaelimessä 17 .·] : FFT:tä käyttäen nollajännitteessä Uo ja summavirrassa Isum esiintyvän transi- • · · entin amplitudit A(Uo), A(ISum) ja vaihekulmat <p(U0), <p(Isum). FFT:n laskennas-*:· 35 sa käytetään edullisesti jatkuvaa Fourier-muunnosta. Jatkuvan Fourier-muun- noksen laskentaikkunan pituus voi olla kiinteä mutta tarkemman laskentatulok- • · 11 115488 sen saamiseksi laskentaikkunan pituutena voidaan myös käyttää edellä määritettyä varaustransientin jaksonpituutta. Laskentaikkunan pituudella tarkoitetaan sitä, kuinka montaa signaalin näytepistettä laskennassa kerrallaan käytetään. FFT-laskennassa käytettävä taajuus, jolla tarkoitetaan sitä transientin taajuus-5 komponenttia, jonka amplitudia ja vaihekulmaa määritetään, voi olla kiinteä, ennalta asetettu taajuus, mutta edelleen laskennan tarkkuuden parantamiseksi kyseisenä taajuutena voidaan käyttää edellä määritettyä tarkkaa transientin taajuutta. Laskennassa niin haluttaessa käytettävä kiinteä taajuus määräytyy mittaussignaalien näytteenotossa käytössä olevasta suojareleen näytteenotto-10 taajuudesta sekä FFT:n laskentaan käytettävien laskentapisteiden lukumäärästä. Katkeilevan maasulun tunnistuksen perustuessa varaustransienttiin käytettävä näytteenottotaajuus on edullisesti vähintään 4 kHz, ja purkaustransient-tia käytettäessä näytteenottotaajuus on edullisesti vähintään 10 kHz. Selvyyden vuoksi kuviossa 3 ei ole esitetty mittaussignaalien näytteenottoelintä, jon-i 15 ka toiminta on sinänsä tunnettua.

Katkeilevan maasulun tunnistaminen tarkasteltavalla johtolähdöllä esiintyväksi, kuvion 1 tapauksessa johtolähdöllä 2 esiintyväksi toteutuu silloin, kun verkon nollajännitteen U0 transientin amplitudi A(U0) ylittää aseteltavan asetusarvon Uoumit , johtolähdön 2 summavirran Isum transientin amplitudi 20 A(Isum) ylittää aseteltavan asetusarvon Isumlimit ja nollajännitteen U0 ja summa-virran Isum transienttien vaihekulmien <p(Uo), cp(Isum) vaihekulmaero A(cp(Uo), (P(Isum)) on ennalta asetellussa kulma-alueessa. Viallisen johtolähdön tapauk-; sessa tämä kulma-alue on <pb ± Δφ, missä <pb on -90 astetta ja Δφ on esimer- kiksi 80 astetta. Δφ.η arvo voi kuitenkin vaihdella esimerkiksi välillä 70 - 90 as-25 tetta. Näiden ehtojen pitää siis täyttyä, että katkeilevan maasulkuvian todetaan • · » ' * * ! esiintyvän tarkasteltavalla johtolähdöllä. Tämä vertailu voidaan toteuttaa vertai- , lu- ja päätteiyelimessä 18, jossa samalla voidaan määrittää nollajännitteen ja • · · : ·’ summavirran transienttien vaihekulmien erotus. Nollajännitteen Uo transientin amplitudin A(Uo) asetusarvo Uolimit ja johtolähdön 2 summavirran Isum tran-30 sieniin amplitudin A(ISum) asetusarvo Isumlimit asetellaan aina verkon käyttöti-;,· · lanteen mukaan, koska amplitudeihin vaikuttavat muun muassa verkon kapasi- tiivinen maasulkuvirta, päämuuntaja, vikakohdan sijainti verkossa, vaihejännit-/ . teen hetkellisarvo vian syntyessä sekä vikavastuksen suuruus.

• i I

Katkeileva maasulku voidaan minimissään tunnistaa tarkasteltavalla • » ;·* 35 johtolähdöllä esiintyväksi jo yhden vikapulssin tai vikapiikin perusteella, jonka : vikapulssin nollajännitteen Uo ja summavirran Isum transienttien amplitudit ja • · 12 115488 i vaihekulmat täyttävät edellä esitetyt ehdot. Koska edellä esitetty tilanne esiintyy myös silloin, kun verkkoon syntyy pieni-impedanssinen jatkuva tai pysyvä maasulku, lopullinen päätös katkeilevan maasulun tunnistamiseksi tarkasteltavalla lähdöllä esiintyväksi voidaan perustaa siihen, että mainittuja yksittäisiä 5 tunnistuksia toteutuu vähintään ennalta aseteltu lukumäärä, esimerkiksi kolme kappaletta, siten, että yksittäisten tunnistusten välillä kuluva aika on lyhyempi kuin aseteltava palautumisaika tunnistusten välillä. Johtolähdöllä esiintyvästä katkeilevasta maasulusta johtuvien tunnistettujen vikapulssien laskentaan voidaan esimerkiksi käyttää laukaisuelintä 19.

10 Ratkaisua voidaan tunnistamisen lisäksi edelleen myös käyttää maasulkusuojaukseen, missä suojareleellä 7 annetun ohjauskäskyn CTL pe-j rusteella ohjataan viallisen johtolähdön katkaisija auki. Koska katkaisijan au- kiohjaaminen aiheuttaa aina tehonsyötön katkeamisen kyseiseen verkon osaan, kyseisellä johtolähdöllä esiintyvästä katkeilevasta maasulusta on edul-15 lista saada enemmän kuin yksi tunnistus, esimerkiksi edellä mainitut kolme tunnistusta, ennen kuin viallisen johtolähdön katkaisija avataan.

Kuvion 3 mukainen laitteisto toteutetaan käytännössä sähkönjakelu-verkon suojareleenä 7, minkä vuoksi kyseiset kuvion 3 osat on ympäröity suo-jarelettä 7 kuvaavalla katkoviivalla. Tällöin kuviossa 3 esitetyt osat ja toiminnot 20 toteutetaan käytännössä suojareleessä olevalla yhdellä tai useammalla mikro-tai signaaliprosessorilla, missä kaikki laskentaa tarvitsevat toiminnot toteutetaan edullisesti prosessorin suorittaman ohjelmiston avulla.

Ratkaisun ansiosta saadaan luotettava katkeilevan maasulun tunnistaminen, koska katkeilevassa maasulussa syntynyttä ilmiötä tarkastellaan ja 25 sen tunnussuureita, amplitudia ja vaihekulmaa, tarkastellaan sille ominaisella '' taajuusalueella. Ratkaisun ansiosta pystytään edelleen toteuttamaan nopea ja luotettava maasulkusuojaus katkeilevan maasulun varalta ja edelleen edesaut- • > t • f tamaan vian syyn helpompaa löytymistä oikean vikasuunnan määrityksen pe- *·>*' rusteella. Erityisesti varaustransienttiin perustuva ratkaisu on käyttökelpoinen 30 jo hyvinkin alhaisilla, noin 4 kHz:n näytteenottotaajuuksilla ja tarvittava lasken-·,· · takapasiteettikin on hyvin kohtuullinen.

:' ” : Verkon nollajännitteen Uo ja vikaantumattoman johtolähdön, kuvion ,·*, : 1 esimerkkitapauksessa johtolähdön 1 summavirran Isum perusteella voidaan

• »I

;.. ’ vastaavalla tavalla tunnistaa katkeilevan maasulun esiintyminen jollakin toisella ’ ·: * * 35 johtolähdöllä kuin tarkasteltavalla johtolähdöllä, eli jossakin galvaanisesti yh- teenkytketyn taustaverkon alueella. Vikaantumatonta johtolähtöä tarkastel- 13 115488 taessa katkeileva maasulku tunnistetaan jollakin muulla johtolähdöllä olevaksi silloin, kun nollajännitteen Uo transientin amplitudi A(Uo) ylittää aseteltavan asetusarvon Uolimit, summavirran Isum transientin amplitudi A(Isum) ylittää aseteltavan asetusarvon Isumlimit ja nollajännitteen Uo ja summavirran Isum tran-5 sienttien vaihekulmien q>(Uo), cp(Isum) vaihekulmaero Δ(φ(υο), <p(Isum)) on ennalta asetellussa kulma-alueessa. Vikaantumattoman johtolähdön tapauksessa tämä kulma-alue on -<pb ± Δφ, missä (pb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta. Δφ:η arvo voi kuitenkin vaihdella esimerkiksi välillä 70 - 90 astetta.

10 Myös vikaantumatonta lähtöä tarkasteltaessa voidaan katkeileva maasulku tunnistaa taustaverkossa esiintyväksi minimissään jo yhden vika-pulssin tai vikapiikin perusteella, jonka vikapulssin nollajännitteen Uo ja summavirran Isum transienttien amplitudit ja vaihekulmat täyttävät edellä esitetyt ehdot. Myös tässä tapauksessa lopullinen päätös katkeilevan maasulun tunnis-! 15 tamiseksi taustaverkossa esiintyväksi voidaan perustaa siihen, että mainittuja yksittäisiä tunnistuksia toteutuu vähintään ennalta aseteltu lukumäärä, esimerkiksi kolme kappaletta, siten, että yksittäisten tunnistusten välillä kuluva aika on lyhyempi kuin aseteltava palautumisaika tunnistusten välillä.

Katkeilevan maasulun tunnistamisen toteuttamisesta vikaantumatto-20 maila johtolähdöllä on etuna se, että kun nykyisin käytössä oleva, jatkuvien eli pysyvien maasulkujen suojaukseen käytettävä verkon perustaajuuteen perustuva maasulkusuojaus koordinoidaan yhteen katkeilevan maasulun tunnistuk- : : ’: sen kanssa, voidaan vikaantumattomalla lähdöllä toteutettua tunnistusta hyö- dyntää kyseisen lähdön perinteisen maasulkusuojauksen mahdollisesta virhe- : ,·, 25 havahtumisesta aiheutuvan katkaisijan avaamisen estämiseen.

« · ·

Seuraavassa on kuvioiden 4 - 23 avulla esitetty eräs esimerkki rat-

• I

;Vi kaisun mukaisen menetelmän toiminnasta sekä viallisella johtolähdöllä että vi- kaantumattomalla johtolähdöllä eräässä sähkönjakeluverkossa tapahtuneen • * *···* katkeilevan maasulkuvian aikana. Kuvioiden 4 - 23 esimerkki perustuu todelli- 30 sessa sähkönjakeluverkossa tehdyssä kenttäkoemittauksessa mitattuihin säh-: könjakeluverkon nollajännitteen U0 ja viallisen johtolähdön ja vikaantumatto- i I ♦ man johtolähdön summavirran Isum mittauksiin. Tässä esimerkkitapauksessa \ : katkeilevan maasulun tunnistaminen perustuu nollajännitteen Uo ja summavir ran Isum varaustransientin tarkasteluun.

35 Kuviossa 4 on esitetty viallisen johtolähdön summavirta Isum noin 1,2 sekunnin ajalta. Kuviossa 5 on esitetty jakeluverkon nollajännite Uo vas-

< I

14 115488 ! [ taavalta ajanjaksolta. Kuvioissa 4 ja 5 on selvästi nähtävissä katkeilevalle maa-sululle tyypillinen ilmiö, missä summavirran Isum mittauksessa näkyy useita hyvin lyhyen ajanjakson aikana toistuvia vikapulsseja ja missä nollajännitteen Uo mittauksessa näkyy nollajännitteen arvon erittäin nopea kasvaminen vian 5 syntyhetkellä ja tämän jälkeen nollajännitteen arvon hidas vaimentuminen kunnes seuraava vika tapahtuu ja nollajännitteen arvo jälleen nousee. Kuviossa 6 on esitetty yksityiskohta kuviosta 4, missä kuviossa 6 on esitetty neljä ensimmäistä summavirtapulssia. Kuvio 7 puolestaan esittää yksityiskohtaa kuviosta 6, jossa kuviossa 7 on esitetty viallisen johtolähdön järjestyksessä toinen sum-10 mavirtapulssi. Kuviossa 8 on puolestaan esitetty kuvion 7 summavirtapulssia vastaava nollajännitteen muutos. Kuvioiden 4-8 mukaisissa mittauksissa käytetty näytteenottotaajuus on ollut 50 kHz. Kuviossa 9 on esitetty kuvion 7 mukainen summavirtapulssi, kun näytteenottotaajuutena on 4,16 kHz.

Kuviossa 10 on esitetty viallisen lähdön summavirta Isum ja kuviossa 15 11 jakeluverkon nollajännite Uo kaistanpäästösuodatuksen jälkeen. Tässä esi merkkitapauksessa suotimen 15 päästökaistan alarajana oli 300 Hz ja ylärajana 1200 Hz ja suotimen 15 suunnittelussa käytettiin Hann-ikkunafunktiota. Muidenkin päästökaistan taajuusrajojen ja ikkunafunktioiden käyttö on luonnollisesti mahdollista. Kuviossa 12 on esitetty yksityiskohta kuviosta 10, missä ku-20 viossa 12 on esitetty summavirran Isum järjestyksessä toinen summavirtapulssi. Kuviossa 13 on puolestaan esitetty yksityiskohta kuviosta 11, missä kuviossa 13 on esitetty järjestyksessä toista summavirtapulssia vastaava nollajännit-: teen muutos. Suodatuksen vaikutus näkyy summavirran Isum ja nollajännitteen

I t I

Uo amplituditason muutoksena alaspäin, koska transienttikomponenttia lukuun- ·"·. 25 ottamatta muut summavirran ja nollajännitteen taajuuskomponentit on suo- • · · ’ ]' §! datettu alkuperäisistä mittauksista pois.

. Kuviossa 14 on esitetty viallisen lähdön summavirran Isum amplitudi

( I I

:>t;‘ ja kuviossa 15 on esitetty jakeluverkon nollajännitteen U0 amplitudi jatkuvalla ’···* FFT:llä laskettuna. FFT:n laskennassa taajuutena on käytetty 500 Hz:n kiinte- 30 ää taajuutta tarkoittaen sitä, että on laskettu transientin 500 Hz:n komponentin ,· · amplitudia. Kuviossa 16 on esitetty summavirran Isum ja nollajännitteen U0 vai- hekulmien välinen vaihekulmaero mainitulla 500 Hz:n taajuudella järjestykses-,>! ; sä toisen summavirtapulssin kohdalla. Kuviossa 16 nähdään, miten mainittu V t t vaihekulmaero pysyy vian aikana vialliselle johtolähdölle ominaisella vaihekul-’: * ’ 35 ma-alueella -90° ± 80°.

15 115488 j

Kuvioissa 17a, 17b, 17c, 17d ja 17e on vielä esitetty menetelmän toiminta järjestyksessä neljän ensimmäisen summavirtapulssin osalta viallisen johtolähdön näkökulmasta tarkasteltuna. Kuviossa 17a on esitetty summavir-ran 500 Hz:n komponentin amplitudi ja kuviossa 17b nollajännitteen 500 Hz:n 5 komponentin amplitudi. Kuviossa 17c esitetyn kuvaajan nousevat pulssit kuvaavat sitä, että kukin summavirtapulssi on tunnistettu johtuvaksi tarkasteltavalla lähdöllä esiintyvän katkeilevan maasulun aiheuttamaksi, kun taas kuviossa 17d oleva tasainen kuvaaja osoittaa, että vikaantumattomalla lähdöllä ei ole mitenkään reagoitu verkossa esiintyvään vikaan. Kuviossa 17e esitetyn ku-10 vaajan laskeminen arvosta yksi arvoon nolla kuvaa sitä, että viallisella lähdöllä on jo ensimmäisen summavirtapulssin perusteella havahduttu, että vika on kyseisellä lähdöllä.

Kuviossa 18 on esitetty vikaantumattoman lähdön summavirta Isum vastaavassa esimerkkitilanteessa. Kuviossa 19 on esitetty kuvion 18 yksityis-15 kohta, jossa kuviossa 19 on esitetty järjestyksessä toinen vikaantumattoman lähdön summavirtapulssi. Kuviossa 20 on esitetty kuvion 19 mukainen vikaantumattoman lähdön summavirtapulssi edellä esitetyn kaistanpäästösuodatuk-sen jälkeen. Kuviossa 21 on esitetty kuvion 20 mukaisen summavirtapulssin 500 Hz:n komponentin amplitudi jatkuvalla FFT:llä laskettuna. Kuviossa 22 on 20 esitetty summavirran ja nollajännitteen 500 Hz:n taajuuskomponenttien vaihe-kulmien välinen vaihekulmaero järjestyksessä toisen summavirtapulssin kohdalla. Kuviossa 22 nähdään, miten mainittu vaihekulmaero pysyy vian aikana : edellä mainitulla vikaantumattomalle johtolähdölle ominaisella vaihekulma-alu- eella+90° ± 80°.

25 Kuvioissa 23a, 23b, 23c, 23d ja 23e on vielä esitetty menetelmän

» » I

**] j toiminta neljän ensimmäisen summavirtapulssin osalta vikaantumattoman joh- ,! . tolähdön näkökulmasta tarkasteltuna. Kuviossa 23a on esitetty summavirran • 4 · :<t;’ 500 Hz:n komponentin amplitudi ja kuviossa 23b nollajännitteen 500 Hz:n kom- ponentin amplitudi. Kuviossa 23c oleva tasainen kuvaaja osoittaa, että viallisel-30 la lähdöllä ei ole mitenkään reagoitu vikaantumattoman lähdön tunnistusehto- • · ·.; · jen mukaiseen ratkaisuun, kun taas kuviossa 23d esitetyn kuvaajan pulssit osoittavat, että jokainen summavirtapulssi on tunnistettu aiheutuvan tarkastel-• | : tavaan johtolähtöön nähden taustaverkossa esiintyvästä katkeilevasta maasu-

S I

!,. lusta, eikä tarkasteltavalla johtolähdöllä olevasta viasta. Kuviossa 23e kuvaa- 35 jän laskeminen arvosta nolla arvoon miinus yksi kuvaa sitä, että vikaantumat- * 115488 ! 16 ! tomalla johtolähdöllä on jo ensimmäisen summavirtapulssin perusteella havahduttu, että vika on taustaverkossa eikä tarkasteltavalla johtolähdöllä.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaa-5 timusten puitteissa. Niinpä kompensoidun jakeluverkon lisäksi esitettyä ratkaisua voidaan vastaavalla tavalla hyödyntää myös maasta erotetuissa jakeluverkoissa eli verkoissa missä verkolla on normaalisti yhteys maahan ainoastaan verkon maakapasitanssien kautta, koska transientti-ilmiö on suunnilleen samanlainen sekä maasta erotetuissa että kompensoidussa verkossa. Edelleen 10 vastaavalla tavalla esitettyä ratkaisua voidaan käyttää myös resistanssilla maadoitetuissa sähkönjakeluverkoissa eli verkoissa, missä päämuuntajan toi-siokäämityksen tähtipisteen ja maan väliin on kytketty erillinen maadoitusvas-tus. Edelleen verkkotopologialla ei ole vaikutusta ratkaisun toimivuuteen, vaan sitä voidaan käyttää niin säteittäis- kuin rengasverkoissakin sekä ilmajohtover-15 koissa että kaapeliverkoissa. Ratkaisu on luonnollisesti vastaavalla tavalla sovellettavissa myös sellaisissa verkoissa, joissa verkon perustaajuuden arvo poikkeaa arvosta 50 Hz, sekä verkoissa, joissa on kolmesta poikkeava määrä vaiheita.

Katkeilevan maasulun tunnistaminen sähkönjakeluverkoissa voi-20 daan toteuttaa summavirran ja nollajännitteen sijaan myös verkon vaihesuurei-den eli vaihejännitteen ja vaihevirran perusteella. Tässäkin ratkaisussa mainittuja vaihesuureita käsitellään vastaavankaltaisilla signaalinkäsittelymenetelmillä kuten suodattamalla siten, että suodatettu vaihevirta ja suodatettu vaihejän-nite käsittävät olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän ; ; 25 transienttikomponentin mukaanlukien varaus- ja purkaustransientit. Vastaaval- la tavalla kuin summavirtaan ja nollajännitteeseen perustuvassa ratkaisussa myös vaihesuureisiin perustuvassa ratkaisussa olennaista on suojauksen perustaminen katkeilevan maasulun aiheuttaman transientin tarkasteluun ainakin • » ’··· yhdellä varaus- tai purkaustransientille ominaisella taajuudella.

« t » · » • · » • t 1 · » » • · I | i > t 1 »

t I

• t · » t

Claims

115488

1. Menetelmä katkeilevan maasulun tunnistamiseksi sähkönjakelu-verkossa, missä menetelmässä katkeileva maasulku tunnistetaan sähkönjake-5 luverkon nollajännitteen (Uo) ja sähkönjakeluverkon johtolähdön (1, 2) alun vai-hevirtojen (lR, Is, It) summavirran (Isum) perusteella, tunnettu siitä, että muodostetaan mainitun sähkönjakeluverkon nollajännite (U0), muodostetaan mainitun johtolähdön (1, 2) vaihevirtojen (Ir, Is, It) 10 summavirta (Isum) johtolähdön alussa, suodatetaan mainittua nollajännitettä (U0) siten, että suodatettu nollajännite (Uo) käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, suodatetaan mainittua summavirtaa (Isum) siten, että suodatettu I 15 summavirta (Isum) käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasulussa esiintyvän transienttikomponentin, määritetään mainitun nollajännitteen (U0) transienttikomponentin amplitudi (A(Uo)) ja vaihekulma ((p(Uo)) ainakin yhdellä taajuudella, määritetään mainitun summavirran (Isum) transienttikomponentin 20 amplitudi (A(Isum)) ja vaihekulma (9(Isum)) ainakin yhdellä taajuudella, muodostetaan mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) : transienttikomponenttien vaihekulmien (φ(υ0), cp(Isum)) välinen vaihe-ero, • · · verrataan mainittua nollajännitteen (U0) transienttikomponentin amp- : litudia (A(Uo)) ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon • · * 25 (A(Uolimit)), • · .. . verrataan mainittua summavirran (Isum) transienttikomponentin amp- litudia (A(ISum)) ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon ** (A(Isumlimit)), verrataan mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) I 30 transienttikomponenttien vaihekulmien (φ(υ0), <p(Isum)) välistä vaihe-eroa en- • ,: naita asetettuun kyseisen vaihe-eron asetusarvoalueeseen ja . : mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transientti- / komponenttien amplitudien (A(U0), A(Isum)) ylittäessä vastaavat amplitudien asetusarvot (A(Uoumit), A(Isumlimit)) ja mainittujen nollajännitteen (Uo) ja sum-35 mavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihekulmien (<p(Uo), cp(Isum)) välisen > » ί 115488 vaihe-eron ollessa ennalta asetellulla asetusarvoalueella tunnistetaan katkeilevan maasulun esiintyvän tarkasteltavassa sähkönjakeluverkossa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nollajännitteen (U0) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihe-5 kulmien (cp(Uo), <p(Isum)) välisen vaihe-eron ollessa asetusarvoalueella <pb ± Δφ, missä 9b on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta, tunnistetaan katkeilevan maasulun esiintyvän sillä johtolähdöllä (1, 2), jonka summavirran (Isum) transienttikomponentin amplitudi (A(Isum)) ja vaihekulma (<p(Isum)) on määritetty.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että edelleen asetetaan ohjauskäsky (CTL) mainitulla johtolähdöllä (1, 2) olevan katkaisijan (6) ohjaamiseksi auki sähkönjakeluverkon suojaamiseksi katkeilevan maasulun vaikutukselta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 15 että nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihe- kulmien (tp(Uo), <p(Isum)) välisen vaihe-eron ollessa asetusarvoalueella -<pb ± Δφ, missä cpb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta, tunnistetaan katkeilevan maasulun esiintyvän galvaanisesti yhteenkytketyn sähkönjakeluverkon jollakin muulla johtolähdöllä (1, 2) kuin sillä johtolähdöllä (1, 2), jonka summavir-20 ran (Isum) transienttikomponentin amplitudi (A(Isum)) ja vaihekulma (<p(Isum)) on määritetty.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, v tunnettu siitä, että määritetään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien amplitudit (A(Uo), A(Isum)) ja vaihekulmat (<p(U0), : 25 <p(Isum)) jatkuvalla FFT-laskennalla.

: 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, , että määritetään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikompo- • t nenttien amplitudit (A(U0), A(Isum)) ja vaihekulmat (<p(U0), <p(Isum)) ennalta ase- ' tetulla kiinteällä taajuuden arvolla.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, : : · että määritetään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikompo- :: neniin ainakin yksi taajuus ja määritetään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien amplitudit (A(Uo), A(Isum)) ja vaihekulmat .* ‘ ·. (cp(U0), <pOsum)) kyseisellä taajuuden arvolla. ’·’ 35

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponentin ainakin 115488 yksi taajuus määritetään suodattamattoman summavirran (Isum) puolen jakson pituuden perusteella.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodatetaan mainittu nollajännite (Uo) ja summavirta 5 (Isum) kaistanpäästösuotimella.

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muodostetaan sähkönjakeluverkon nollajännite (U0) laskemalla yksittäisten vaihejännitteiden (UR, Us, Uy) hetkellisarvojen keskiarvo ja muodostetaan vaihevirtojen (lR, ls, It) summavirta (Isum) laskemalla yksittäisten 10 vaihevirtojen (lR, Is, It) hetkellisarvojen summa.

11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu transienttikomponentti on varaustransienttikom-ponentti.

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen menetelmä, tunien ett u siitä, että mainittu transienttikomponentti on purkaustransienttikompo- nentti.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkönjakeluverkko on osittain tai täysin kompensoitu, maasta erotettu tai resistanssilla maadoitettu sähkönjakeluverkko.

14. Laitteisto katkeilevan maasulun tunnistamiseksi sähkönjakelu- verkossa, joka laitteisto on sovitettu tunnistamaan katkeileva maasulku sähkönjakeluverkon nollajännitteen (U0) ja sähkönjakeluverkon johtolähdön (1, 2) ·',·/ alun vaihevirtojen (lR, Is, It) summavirran (Isum) perusteella, ; i tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu : ·/: 25 välineet muodostamaan mainitun sähkönjakeluverkon nollajännite w, välineet muodostamaan mainitun johtolähdön (1, 2) vaihevirtojen (IR, ls, It) summavirta (ISum) johtolähdön (1,2) alussa, • > välineet suodattamaan mainittua nollajännitettä (Uo) siten, että suo-30 datettu nollajännite (Uo) käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maasu-: : lussa esiintyvän transienttikomponentin, :... välineet suodattamaan mainittua summavirtaa (Isum) siten, että suo- , · datettu summavirta (Isum) käsittää olennaisesti ainoastaan katkeilevassa maa- sulussa esiintyvän transienttikomponentin, 35 välineet määrittämään mainitun nollajännitteen (U0) transienttikom ponentin amplitudi (A(U0)) ja vaihekulma (<p(Uo)) ainakin yhdellä taajuudella, 115488 välineet määrittämään mainitun summavirran (Isum) transienttikom-ponentin amplitudi (A(Isum)) ja vaihekulma (<p(Isum)) ainakin yhdellä taajuudella, välineet muodostamaan mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summa-virran (Isum) transienttikomponenttien vaihekulmien (<p(U0), <p(Isum)) välinen vai-5 he-ero, välineet vertaamaan mainitun nollajännitteen (Uo) transienttikompo-nentin amplitudia (A(Uo)) ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon (A(Uolimit)), välineet vertaamaan mainitun summavirran (Isum) transienttikompo-10 nentin amplitudia (A(ISum)) ennalta asetettuun kyseisen amplitudin asetusarvoon (A(Isumlimit)), välineet vertaamaan mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (•sum) transienttikomponenttien vaihekulmien (<p(Uo), <p(Isum)) välistä vaihe-eroa ennalta asetettuun kyseisen vaihe-eron asetusarvoalueeseen ja 15 välineet tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyvän tarkastelta vassa sähkönjakeluverkossa mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien amplitudien (A(U0), A(Isum)) ylittäessä vastaavat amplitudien asetusarvot (A(Uolimit), A(Isumlimit)) ja mainittujen nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihekulmien (<p(Uo), 20 cp(Isum)) välisen vaihe-eron ollessa ennalta asetellulla asetusarvoalueella.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että nollajännitteen (U0) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihe-kulmien (cp(U0), cp(Isum)) välisen vaihe-eron ollessa asetusarvoalueella cpb ± Δφ, • · · missä cpb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta, laitteisto on sovitettu ; 25 tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyvän sillä johtolähdöllä (1, 2), jonka summavirran (ISum) transienttikomponentin amplitudi (A(Isum)) ja vaihekulma (9(Isum)) on määritetty.

.. 16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, " että laitteistoon kuuluu edelleen välineet asettamaan ohjauskäsky (CTL) maini- 30 tulla johtolähdöllä (1, 2) olevan katkaisijan (6) ohjaamiseksi auki sähkönjakelu-: verkon suojaamiseksi katkeilevan maasulun vaikutukselta.

17. Patenttivaatimuksen 14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, . : että nollajännitteen (U0) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien vaihe- , ··. kulmien ((p(Uo), cp(Isum)) välisen vaihe-eron ollessa asetusarvoalueella -90 ± Δφ, '·[ 35 missä <Pb on -90 astetta ja Δφ on esimerkiksi 80 astetta, laitteisto on sovitettu tunnistamaan katkeilevan maasulun esiintyvän sähkönjakeluverkon jollakin 115488 muulla johtolähdöllä (1, 2) kuin sillä johtolähdöllä (1, 2), jonka summavirran (Isum) transienttikomponentin amplitudi (A(ISum)) ja vaihekulma ((p(Isum)) on määritetty.

18. Jonkin patenttivaatimuksen 14 - 17 mukainen laitteisto, tun-5 n e tt u siitä, että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien amplitudit (A(Uo), A(ISum)) ja vaihekulmat (cp(U0), (p(Isum)) jatkuvalla FFT-laskennalla.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto on sovitettu määrittämään nollajännitteen (Uo) ja summavirran 10 (Isum) transienttikomponenttien amplitudit (A(U0), A(ISum)) ja vaihekulmat (<p(U0), (p(Isum)) ennalta asetetulla kiinteällä taajuuden arvolla.

20. Patenttivaatimuksen 18 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponentin ainakin yksi taajuus ja että laitteisto on sovi- 15 tettu määrittämään nollajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) transienttikomponenttien amplitudit (A(Uo), A(Isum)) ja vaihekulmat (cp(Uo), <p(Isum)) kyseisellä taajuuden arvolla.

21. Patenttivaatimuksen 20 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu välineet määrittämään nollajännitteen (Uo) ja summa- 20 virran (Isum) transienttikomponentin ainakin yksi taajuus suodattamattoman summavirran (Isum) puolen jakson pituuden perusteella.

22. Jonkin patenttivaatimuksen 14 - 21 mukainen laitteisto, tun- : _;': n e 11 u siitä, että laitteistoon kuuluu kaistanpäästösuodin (15) mainittujen nol- ; · lajännitteen (Uo) ja summavirran (Isum) suodattamiseksi. | 25

23. Jonkin patenttivaatimuksen 14 - 22 mukainen laitteisto, tun- I I ' » ....; n e 11 u siitä, että laitteistoon kuuluu välineet muodostamaan sähkönjakeluver- kon nollajännite (Uo) laskemalla yksittäisten vaihejännitteiden (Ur, Us, Uj) het- I I kellisarvojen keskiarvoja välineet muodostamaan vaihevirtojen (Ir, Is, It) sum-mavirta (ISum) laskemalla yksittäisten vaihevirtojen (lR, ls, It) hetkellisarvojen 30 summa.

- : 24. Jonkin patenttivaatimuksen 14 - 23 mukainen laitteisto, tun- nettu siitä, että mainittu transienttikomponentti on varaustransienttikompo- . : nentti. • ·

25. Jonkin patenttivaatimuksen 14 - 23 mukainen laitteisto, tun-” 35 nettu siitä, että mainittu transienttikomponentti on purkaustransienttikom- :.· ponentti. 115488

26. Jonkin patenttivaatimuksen 14-25 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sähkönjakeluverkko on osittain tai täysin kompensoitu, maasta erotettu tai resistanssilla maadoitettu sähkönjakeluverkko. 23 1 1 5 4 8 8