Suojauksen toimivuus keskijänniteverkon tilapäisessä saarekkeessa
Alarinta, Ilkka (2021)
2021
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
2021-01-26
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101141319
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202101141319
Tiivistelmä
Sähköverkon saarekekäyttö tarkoittaa sähköverkon osan erottamista muusta verkosta itsenäisesti toimivaksi saarekkeeksi, jossa sähkönjakelua voidaan jatkaa hajautettujen energiaresurssien avulla. Saarekekäyttö vähentää vioista ja huoltotoimenpiteistä aiheutuvia keskeytyksiä sekä alentaa verkkoyhtiön keskeytyskustannuksia, joten se on yksi keino sähkön toimitusvarmuuden parantamiseen. Yksi saarekekäytön ongelmista on alentuneet vikavirtatasot, kun ulkoisen verkon syöttämää vikavirtaa ei ole saatavilla, mikä voi aiheuttaa ongelmia saarekkeen suojauksen toiminnalle. Tässä työssä tutkitaan vikavirtojen suuruuksia saarekekäytössä PowerWorld-ohjelmalla tehtävillä simuloinneilla ja pohditaan ratkaisuja suojauksen toiminnan parantamiseksi.
Simulointimalli on rakennettu verkkoyhtiö Elenialta saatujen olemassa olevan pienjänniteverkon tietojen pohjalta. Malliin on luotu kaksi samanlaista muuntopiiriä, jotka on yhdistetty keskijännitekaapelilla. Toiseen muuntopiiriin mallinnetaan yksinkertaistettu versio kiinteistön sisäisestä sähköverkosta vikavirtojen laskentaa varten. Simuloinneissa on tavoitteena selvittää, riittävätkö vikavirrat saarekekäytössä SFS-6000-standardin määrittämään 5 sekunnin suojauksen toimintaaikaan. Varavoimalaitoksena simuloinneissa käytetään tahtigeneraattorilla varustettua varavoimakonetta sekä energiavarastoa, ja simuloinneissa tutkitaan niiden sijoituspaikan sekä energiavaraston osalta myös vikavirran syöttökyvyn vaikutusta suojauksen toimintaan.
Tahtigeneraattorilla varustetulla varavoimakoneella vikavirrat olivat riittävän suuria suojauksen toimintaan kaikissa tilanteissa. Energiavaraston tapauksessa vikavirrat eivät olleet riittävä suuria kaikissa tutkituissa pisteissä. Vikavirrat olivat hieman suuremmat varavoimalaitoksen ollessa kytkettynä keskijänniteverkkoon erillisen muuntajan välityksellä, kuin sen ollessa kytkettynä suoraan jakelumuuntajan pienjännitepuolelle. Paras tilanne vikavirtojen kannalta oli kahden pienemmän laitoksen käyttäminen suoraan eri muuntopiirien pienjännitepuolelle kytkettynä yhden ison laitoksen sijaan. Simuloinneissa tutkittiin myös pientuotannon vaikutuksia suojauksen toimintaan, mutta ongelmia ei havaittu.
Yksi ratkaisu suojauksen toiminnan parantamiseksi saarekekäytössä on varmistaa ylivirtasuojauksen toiminta kasvattamalla varavoimalaitoksen syöttämää vikavirtaa ylimitoituksella. Vaihtoehtoisesti suojauksen voi antaa toimia epäselektiivisesti siten, että varavoimalaitoksen oma suojaus ajaa koko saarekkeen alas vian tapahtuessa. Tämä on varteenotettava toimintatapa verkoissa, joissa vikojen todennäköisyys on pieni. Saarekeverkon suojauksen toteuttamiseen selektiivisesti on olemassa ratkaisuja, jotka perustuvat suojareleiden ja tiedonsiirtoyhteyksien käyttöön. Näihin ratkaisuihin liittyvät korkeat kustannukset ja ne ovat siksi käyttökelpoisia lähinnä verkoissa, jotka on suunniteltu erityisesti saarekekäyttöä varten. Saarekeverkon suojauksen suunnittelu vaatii tällä hetkellä tapauskohtaisia ratkaisuja useiden vaikuttavien tekijöiden ja aihetta koskevien standardien puutteen vuoksi.
Simulointimalli on rakennettu verkkoyhtiö Elenialta saatujen olemassa olevan pienjänniteverkon tietojen pohjalta. Malliin on luotu kaksi samanlaista muuntopiiriä, jotka on yhdistetty keskijännitekaapelilla. Toiseen muuntopiiriin mallinnetaan yksinkertaistettu versio kiinteistön sisäisestä sähköverkosta vikavirtojen laskentaa varten. Simuloinneissa on tavoitteena selvittää, riittävätkö vikavirrat saarekekäytössä SFS-6000-standardin määrittämään 5 sekunnin suojauksen toimintaaikaan. Varavoimalaitoksena simuloinneissa käytetään tahtigeneraattorilla varustettua varavoimakonetta sekä energiavarastoa, ja simuloinneissa tutkitaan niiden sijoituspaikan sekä energiavaraston osalta myös vikavirran syöttökyvyn vaikutusta suojauksen toimintaan.
Tahtigeneraattorilla varustetulla varavoimakoneella vikavirrat olivat riittävän suuria suojauksen toimintaan kaikissa tilanteissa. Energiavaraston tapauksessa vikavirrat eivät olleet riittävä suuria kaikissa tutkituissa pisteissä. Vikavirrat olivat hieman suuremmat varavoimalaitoksen ollessa kytkettynä keskijänniteverkkoon erillisen muuntajan välityksellä, kuin sen ollessa kytkettynä suoraan jakelumuuntajan pienjännitepuolelle. Paras tilanne vikavirtojen kannalta oli kahden pienemmän laitoksen käyttäminen suoraan eri muuntopiirien pienjännitepuolelle kytkettynä yhden ison laitoksen sijaan. Simuloinneissa tutkittiin myös pientuotannon vaikutuksia suojauksen toimintaan, mutta ongelmia ei havaittu.
Yksi ratkaisu suojauksen toiminnan parantamiseksi saarekekäytössä on varmistaa ylivirtasuojauksen toiminta kasvattamalla varavoimalaitoksen syöttämää vikavirtaa ylimitoituksella. Vaihtoehtoisesti suojauksen voi antaa toimia epäselektiivisesti siten, että varavoimalaitoksen oma suojaus ajaa koko saarekkeen alas vian tapahtuessa. Tämä on varteenotettava toimintatapa verkoissa, joissa vikojen todennäköisyys on pieni. Saarekeverkon suojauksen toteuttamiseen selektiivisesti on olemassa ratkaisuja, jotka perustuvat suojareleiden ja tiedonsiirtoyhteyksien käyttöön. Näihin ratkaisuihin liittyvät korkeat kustannukset ja ne ovat siksi käyttökelpoisia lähinnä verkoissa, jotka on suunniteltu erityisesti saarekekäyttöä varten. Saarekeverkon suojauksen suunnittelu vaatii tällä hetkellä tapauskohtaisia ratkaisuja useiden vaikuttavien tekijöiden ja aihetta koskevien standardien puutteen vuoksi.