Maadoitusten käsittelytavan soveltaminen jakeluverkkoyhtiössä
Ahonen, Pauli (2020)
2020
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-12-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011248171
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202011248171
Tiivistelmä
Laajamittaisen maakaapeloinnin seurauksena jakeluverkon maadoitusjärjestelmät ovat muuttuneet: ilmaverkossa ennen erillään olleet maadoitusjärjestelmät yhdistyvät kaapelien maadoitusjohtimien välityksellä. Vuonna 2018 päivitettyyn SFS 6001 -standardiin lisättiin määritelmä yhteisestä maadoitusjärjestelmästä, jonka käyttäminen mahdollistaa luopumisen määräajoin tehdyistä maadoitusimpedanssimittauksista. Yhteisen maadoitusjärjestelmän määräystenmukaisuus voidaan todentaa mittaamalla tai laskemalla. Mittaamalla tulee mitata yhden erillään olevan järjestelmän maadoitusimpedanssi. Maadoituslaskentaa voidaan hyödyntää, jos maadoitusjärjestelmän maaperän resistiivisyys tiedetään ja maadoituselektrodit dokumentoidaan.
Työn tarkoituksena on soveltaa standardin mukaista yhteistä maadoitusjärjestelmää ennen standardipäivitystä rakennettuihin verkon osiin. Lisäksi tarkastellaan, miltä osin Elenia Verkko Oyj voisi luopua sähköasemien maadoitusimpedanssimittauksista.
Tutkimusosuus perustuu käännepistemenetelmällä ja Wennerin menetelmällä tehtäviin mittauksiin. Käännepistemenetelmällä tutkitaan, onko kunnossapidon yhteydessä mitatut arvot todistuksia mitatun muuntamon maadoituselektrodien olemassaolosta. Lisäksi tarkastellaan selektiivisen käännepistemenetelmän luotettavuutta ja sen kykyä mitata yhden muuntamon maadoitusimpedanssi tilanteessa, jossa maadoitusjärjestelmä koostuu useista muuntamoista. Maaperän resistiivisyyden osalta selvitetään, kuinka merkittävästi maadoituselektrodit ja potentiaalintasausrenkaat vaikuttavat maaperän resistiivisyyteen ja voidaanko maaperän resistiivisyys mitata muuntamolta jälkikäteen. Lisäksi Elenian sähköasemien maadoitusliityntöjä analysoidaan verkkotietojärjestelmän avulla.
Mittaustuloksista voidaan päätellä, ettei käännepistemenetelmällä voida todistaa maadoituselektrodien olemassaoloa, jos muuntamo on yhdistyneenä muihin maadoitusjärjestelmiin. Osalla mittauskohteissa selektiivisellä käännepistemenetelmällä saatiin luotettavia tuloksia. Kyseisen mittaustavan haasteet liittyvät järjestelmän maadoitusresistanssien suhteeseen. Jos mitattavan muuntamon maadoitusresistanssi on huomattavasti suurempi verrattuna järjestelmän muihin muuntamoihin, niin mittauksissa käytetyt 100 m mittajohtimet eivät ole riittävän pitkät ja antavat epäluotettavia tuloksia. Maaperän resistiivisyys on suoraan verrannollinen mittausolosuhteisiin, joista merkittävimpänä voidaan pitää kosteutta. Olosuhde-eroista huolimatta maadoituselektrodit ja potentiaalintasausrenkaat parantavat merkittävästi maaperän johtavuutta, varsinkin pintakerroksissa. Maaperän resistiivisyys olisi mahdollista mitata muuntamolta jälkikäteen, jos mittaus kohdistuu maadoitusjohtimien vaikutusalueen ulkopuolella. Mittauksen luotettavuus paranee tehdessä useampia mittauksia eri suuntiin.
Elenian sähköasemille tehdyn analyysin mukaan yli puolet sähköasemista olisi mahdollista luokitella osaksi yhteistä maadoitusjärjestelmää. Analyysin tuloksien hyödyntämistä varten olemassa oleva verkko tulisi ensin määritellä yhteiseksi maadoitusjärjestelmäksi. Maadoituslaskennan hyödyntäminen yhteisen maadoitusjärjestelmän määrittämisessä nähdään potentiaalisimpana vaihtoehtona. Ennen maadoituslaskennan soveltamista tulisi jatkotutkimuksena selvittää, kuinka maadoituselektrodit voitaisiin Elenian käyttämillä rakentamistavoilla paikantaa jälkikäteen. As a result of extensive cabling earthing systems in distribution networks have changed. Earthing systems used to be local but now those systems get connected via cable sheaths. In 2018 a definition for interconnected earthing systems was added to SFS 6001 standard which allows to abandon grounding impedance measurements. Interconnected earthing system’s existence gets verified by either measuring its ground impedance or utilizing earthing system calculation. Calculations can be used if soil resistivity is known and grounding electrodes are documented.
The purpose of this thesis is to apply interconnected earthing system to a network built before standard update. In addition, Elenia Verkko Oyj’s substations are examined to determine if ground impedance measurements could be discarded.
The research part is based on measurements made with fall-of-potential and Wenner method. Fall-of-potential method is used to examine whether values measured during maintenance prove existence of the measured transformer’s grounding electrodes. Moreover, reliability of selective fall-of-potential method is considered, and its ability to measure ground impedance of a single transformer in a situation where earthing system consist of multiple transformers. Regarding soil resistivity, it is investigated how significantly the grounding electrodes and equipotential bonding rings affect the soil resistivity, and if it is possible to measure soil resistivity around transformers afterwards. Furthermore, Elenia’s substations earthing connections are analyzed with the network information system.
Based on measurement results the existence of earthing electrodes cannot be proved by the fall-of-potential method if the measured transformer has earthing connections. In some measurement sites the selective fall-of-potential method gave reliable results. Challenges with this measurement method are related to ground resistances and their ratios in the measured system. If the ground resistance of the measured transformer is significantly higher compared to other transformers in the system, then the 100 m test leads used in measurements are not long enough and give unreliable results. Soil resistivity is directly proportional to measurement conditions of which moisture is the most significant. Despite the differences in conditions the grounding electrodes and equipotential bonding rings substantially improve soil conductivity, especially in the surface layers. It would be possible to measure soil resistivity around transformers afterwards if the measurement is directed outside of grounding electrodes’ affection zone. The reliability of measurements improves when several measurements from different directions are made.
According to an analysis made to Elenia’s substations, more than half of them could be classified as part of an interconnected earthing system. To utilize the results of analysis, the existing network should first be defined as interconnected earthing system. Using earthing system calculations to determine interconnected grounding systems is seen as the most potential option. Before applying the grounding calculation, it should be further studied how grounding electrodes could be located afterwards with the construction methods used by Elenia.
Työn tarkoituksena on soveltaa standardin mukaista yhteistä maadoitusjärjestelmää ennen standardipäivitystä rakennettuihin verkon osiin. Lisäksi tarkastellaan, miltä osin Elenia Verkko Oyj voisi luopua sähköasemien maadoitusimpedanssimittauksista.
Tutkimusosuus perustuu käännepistemenetelmällä ja Wennerin menetelmällä tehtäviin mittauksiin. Käännepistemenetelmällä tutkitaan, onko kunnossapidon yhteydessä mitatut arvot todistuksia mitatun muuntamon maadoituselektrodien olemassaolosta. Lisäksi tarkastellaan selektiivisen käännepistemenetelmän luotettavuutta ja sen kykyä mitata yhden muuntamon maadoitusimpedanssi tilanteessa, jossa maadoitusjärjestelmä koostuu useista muuntamoista. Maaperän resistiivisyyden osalta selvitetään, kuinka merkittävästi maadoituselektrodit ja potentiaalintasausrenkaat vaikuttavat maaperän resistiivisyyteen ja voidaanko maaperän resistiivisyys mitata muuntamolta jälkikäteen. Lisäksi Elenian sähköasemien maadoitusliityntöjä analysoidaan verkkotietojärjestelmän avulla.
Mittaustuloksista voidaan päätellä, ettei käännepistemenetelmällä voida todistaa maadoituselektrodien olemassaoloa, jos muuntamo on yhdistyneenä muihin maadoitusjärjestelmiin. Osalla mittauskohteissa selektiivisellä käännepistemenetelmällä saatiin luotettavia tuloksia. Kyseisen mittaustavan haasteet liittyvät järjestelmän maadoitusresistanssien suhteeseen. Jos mitattavan muuntamon maadoitusresistanssi on huomattavasti suurempi verrattuna järjestelmän muihin muuntamoihin, niin mittauksissa käytetyt 100 m mittajohtimet eivät ole riittävän pitkät ja antavat epäluotettavia tuloksia. Maaperän resistiivisyys on suoraan verrannollinen mittausolosuhteisiin, joista merkittävimpänä voidaan pitää kosteutta. Olosuhde-eroista huolimatta maadoituselektrodit ja potentiaalintasausrenkaat parantavat merkittävästi maaperän johtavuutta, varsinkin pintakerroksissa. Maaperän resistiivisyys olisi mahdollista mitata muuntamolta jälkikäteen, jos mittaus kohdistuu maadoitusjohtimien vaikutusalueen ulkopuolella. Mittauksen luotettavuus paranee tehdessä useampia mittauksia eri suuntiin.
Elenian sähköasemille tehdyn analyysin mukaan yli puolet sähköasemista olisi mahdollista luokitella osaksi yhteistä maadoitusjärjestelmää. Analyysin tuloksien hyödyntämistä varten olemassa oleva verkko tulisi ensin määritellä yhteiseksi maadoitusjärjestelmäksi. Maadoituslaskennan hyödyntäminen yhteisen maadoitusjärjestelmän määrittämisessä nähdään potentiaalisimpana vaihtoehtona. Ennen maadoituslaskennan soveltamista tulisi jatkotutkimuksena selvittää, kuinka maadoituselektrodit voitaisiin Elenian käyttämillä rakentamistavoilla paikantaa jälkikäteen.
The purpose of this thesis is to apply interconnected earthing system to a network built before standard update. In addition, Elenia Verkko Oyj’s substations are examined to determine if ground impedance measurements could be discarded.
The research part is based on measurements made with fall-of-potential and Wenner method. Fall-of-potential method is used to examine whether values measured during maintenance prove existence of the measured transformer’s grounding electrodes. Moreover, reliability of selective fall-of-potential method is considered, and its ability to measure ground impedance of a single transformer in a situation where earthing system consist of multiple transformers. Regarding soil resistivity, it is investigated how significantly the grounding electrodes and equipotential bonding rings affect the soil resistivity, and if it is possible to measure soil resistivity around transformers afterwards. Furthermore, Elenia’s substations earthing connections are analyzed with the network information system.
Based on measurement results the existence of earthing electrodes cannot be proved by the fall-of-potential method if the measured transformer has earthing connections. In some measurement sites the selective fall-of-potential method gave reliable results. Challenges with this measurement method are related to ground resistances and their ratios in the measured system. If the ground resistance of the measured transformer is significantly higher compared to other transformers in the system, then the 100 m test leads used in measurements are not long enough and give unreliable results. Soil resistivity is directly proportional to measurement conditions of which moisture is the most significant. Despite the differences in conditions the grounding electrodes and equipotential bonding rings substantially improve soil conductivity, especially in the surface layers. It would be possible to measure soil resistivity around transformers afterwards if the measurement is directed outside of grounding electrodes’ affection zone. The reliability of measurements improves when several measurements from different directions are made.
According to an analysis made to Elenia’s substations, more than half of them could be classified as part of an interconnected earthing system. To utilize the results of analysis, the existing network should first be defined as interconnected earthing system. Using earthing system calculations to determine interconnected grounding systems is seen as the most potential option. Before applying the grounding calculation, it should be further studied how grounding electrodes could be located afterwards with the construction methods used by Elenia.