Voimajohtojen maadoitusmittaukset: Maadoitusmittausprosessin kehittäminen

Abstract

Maadoitusmittaukset ovat mukana voimajohdon elinkaaren jokaisessa vaiheessa. Maan resistiivisyysmittauksilla saatu tieto maaperän ominaisuuksista on maadoitussuunnittelun perusta. Henkilöturvallisuuden ja voimajohdon häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi, sen maadoitusten kunto tulee tarkastaa määrävälein. Voimajohtojen tapauksessa tämä tarkoittaa lähes poikkeuksetta pylväsmaadoitusten hyvyyttä kuvaavan maadoitusresistanssin mittaamista. Suomessa maadoitusolosuhteet ovat verrattain haasteelliset, minkä lisäksi voimajohdoilla on erityispiirteitä, jotka monimutkaistavat maadoittamista ja mittaamista entisestään. Turvallinen, luotettava ja tehokas maadoitusmittaaminen on ammattitaitoa vaativa tehtävä. Työn tavoitteena oli kehittää maadoitusmittausprosessia Eltel Networks Oy:ssä. Päätavoite oli löytää keinoja parantaa maadoitusresistanssimittausten luotettavuutta keskimäärin. Työssä etsittiin myös muita keinoja tehostaa maadoitusmittausprosessia ja mittauksilla saadun tiedon hyödyntämistä. Työ alkoi tutustumalla maadoittamisen ja maadoitusmittauksiin liittyvään tutkimuskirjallisuuteen sekä nykyisiin käytäntöihin. Alussa tutustuttiin myös mittausmenetelmiin ja niiden suorittamiseen käytännön tasolla. Pääpaino oli käytössä olevissa mittausmenetelmissä, mutta myös joidenkin uusien menetelmien toimintaperiaatteisiin perehdyttiin ja tarkasteltiin niiden soveltuvuutta voimajohtojen maadoitusmittauksiin. Aihetta käsittelevä tutkimuskirjallisuus on pääosin ulkomaista ja useimmiten myös melko vanhaa. Voimajohtojen maadoitusten näkökulmasta tehtyä tutkimusta on myös melko vähän saatavilla. Haasteena olikin taustateorian sovittaminen Suomen maadoitusolosuhteisiin ja voimajohtojen erityispiirteisiin. Teoriatutkimuksen lisäksi tehtiin tilastollista vertailua erityyppisten pylväiden ja maadoitusten maadoitusresistanssimittauksista. Vertailussa käytetty aineisto koostui voimajohtojen kunnossapidon osana tehdyistä maadoitusresistanssimittauksista laadituista pöytäkirjoista. Pöytäkirjoihin on kirjattu tiedot mm. mittaustuloksista menetelmittäin sekä maadoitusresistanssiin ja mittaustuloksiin mahdollisesti vaikuttavista tekijöistä. Mittaustulokset ryhmiteltiin näiden tekijöiden perusteella ja menetelmien luotettavuutta vertailtiin ryhmittäin. Tilastollisen vertailun perusteella maadoitusresistanssimittausten tuloksissa on suurta hajontaa, ja mittausvirhe on keskimäärin suuri. Selkein virheen aiheuttaja oli vertailun perusteella useimmissa tapauksissa epärealistiseen maaperämalliin perustuvan vertailuarvon käyttö. Lisäksi joidenkin mittausmenetelmien havaittiin olevan selkeästi epäluotettavia tietyntyyppisten maadoitusten mittaamisessa. Vertailun tulokset tukivat pääosin esiteltyä teoriaa, ja tiettyjen menetelmien huonolle luotettavuudelle tietyntyyppisten maadoitusten mittauksissa löytyi teoreettista perustaa. Maadoittamisen ja maadoitusmittaamisen teorian moniulotteisuus nosti esiin myös mittausta suorittavien henkilöiden ammattitaidon merkityksen maadoitusmittausprosessissa. Työssä esitetään keinoja, joilla luotettavuutta maadoitusresistanssimittauksissa voidaan parantaa. Lisäksi suositellaan kaksikerrosmaaperämallin käyttöönottoa voimajohtojen maadoitusten suunnittelussa ja maadoitusresistanssimittausten vertailuarvona. Maadoitusmittauksia suorittaville henkilöille annettavassa ohjeistuksessa ja perehdytyksessä tullaan jatkossa tuomaan selkeämmin esiin virhetekijöiden vaikutusta mittaustulokseen ja korostamaan menetelmien soveltuvuuden tärkeyttä. Työssä perehdyttiin joihinkin hyvin lupaaviin uusiin mittausmenetelmiin, kuten Boys-menetelmä ja selektiivinen käännepistemenetelmä. Esiteltyjen mittausmenetelmien soveltuvuutta voimajohtojen maadoitusmittauksiin selvitetään perusteellisemmin erillisessä kehitysprojektissa.

Earthing measurements are a part of an overhead transmission line’s life cycle in its every phase. The data acquired by soil resistivity measurements is the basis of the earthing system design of an overhead transmission line. To ensure the safety and proper function of a line, the condition of its earthings must be checked periodically. This is usually done by measuring the overhead transmission line’s earth resistances. The earthing conditions of Finland are relatively challenging. Additionally, overhead transmission lines have some special features that make earthing and earthing measurements even more challenging. Safe, reliable and efficient earthing measurement is a difficult task that requires a lot of expertise. The aim of this work was to improve the earthing measurement process in Eltel Networks Oy. The main objective was to find ways to improve the reliability of earth resistance measurements in general. Secondary objective was to find ways to make the process and the usage of the data acquired by the measurements more efficient. The work began by getting to know the theory behind earthing and earthing measurements and the current practices. The focus was on the earthing measurement methods that are currently used in the earthing measurement process. Additionally, some new methods and their applications in the measurement of overhead transmission lines was also explored. Most of the research and literature that form the theoretical background of this work is not done in Finland and most of it is not from the point of view of overhead line earthings. Applying the background theory to Finland’s earthing conditions and the special features of overhead transmission lines was a challenge that was encountered in this work. In addition to the theoretical study, a statistical analysis comparing different earth resistance measurement methods was done. The material that was used in the statistical analysis consisted of results obtained by earthing measurements done as part of maintenance work of overhead transmission lines. Measurements were divided into groups by the features of the earthings that were measured. According to the statistical analysis, the dispersion between measurement results and the average measurement error was generally very considerable. Most apparent source of error in most cases was the reference value of the earth resistance that the measured results were compared to. The error was caused by unrealistic soil model that has likely been used in the design of the earthing system. Additionally, it was discovered that some methods are clearly unreliable in the earth resistance measurement of certain earthing types. The results were mainly in line with the presented theory and there was theoretical base for bad performance of certain methods for certain types of earthings. The complexity of the theory and vast number of variables included in earth resistance measurements also highlighted the importance of proficiency of the person carrying out the earth resistance measurements. Ways to improve the reliability of earth resistance measurements were presented. Two-layer soil model was proposed to be implemented in the design of earthings. It was also proposed that a reference value corresponding to a two-layer soil model could be used to evaluate the earth resistance measurement results. Guides and education given to the personnel carrying out earth resistance measurements should include more in-depth instructions on how to evaluate the effect of different error sources to the measurement results and highlight the importance of using the right method for each measurement. The Boys -method and the selective fall of potential method and their applications in overhead transmission line earthing measurements will be further explored.