AMR-hälytysrajojen validointi : Keskijänniteverkon vaihekatkoksen vaikutus pienjänniteverkkoon ja nollavikojen tunnistaminen
Siljanto, Sami (2024)
2024
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
2024-10-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202409198813
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202409198813
Tiivistelmä
Elenian verkossa sähkömittarit lähettävät käytöntukijärjestelmään hälytyksiä, jotka perustuvat vaihejännitteiden poikkeamiin. Käyttötoiminnassa mittarihälytysten on syytä olla riittävän tarkasti määritelty, jotta eri hälytykset kuvaavat eri vikatilanteita useimmissa tapauksissa oikein. Elenian käyttötoiminnassa on tullut vastaan tapauksia, joissa mittarihälytykset eivät ole kuvanneet vikoja oikein, jolloin mittarihälytysten rajojen soveltuvuuden tutkimiselle on ollut tarvetta.
Diplomityössä tutkittiin jännite-epäsymmetriahälytyksen ja nollavikalaukaisun käytössä ole vien jänniterajojen soveltuvuutta. Jännite-epäsymmetriahälytys perustuu mitattuun jännite-epä symmetriaan pj-verkossa kj-vaihekatkoksen aikana. Kj-vaihekatkoksen aikana jännite-epäsym metria on usean vaiheen alijännitettä. Nollavika on nollajohtimen epäjatkuvuudesta johtuva vika, joka aiheuttaa jännite-epäsymmetriaa. Nollaviassa jännite-epäsymmetria on usean vaiheen yli jännitettä ja alijännitettä. Nollaviassa jännite-epäsymmetria riippuu kuormituksesta, nollajohtimen jatkuvuudesta ja käyttöpaikan maadoituksista.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen osalta tutkittiin muuntajien kytkentäryhmän vaikutusta jän nite-epäsymmetrian siirtymiseen kj-puolelta pj-puolelle. Elenian verkossa on käytössä kolmea eri kytkentäryhmäistä jakelumuuntajaa, jotka ovat Dyn11-, Yzn11- ja ZNzn0-kytkentäiset muuntajat. Kytkentäryhmän vaikutusta jännite-epäsymmetriaan tutkittiin todellisissa kj-vaihekatkoksissa tal lentuneiden mittarihälytysten avulla. Tämän lisäksi työssä rakennettiin PSCAD-malli, jolla simu loitiin erilaisia kj-vaihekatkosvikoja. Mittarihälytyksillä ja simulointimallilla pyrittiin varmentamaan muuntajan kytkentäryhmän vaikutus jännite-epäsymmetrian siirtymiseen pj-verkkoon, ja siten ar vioitiin hälytyksen soveltuvuutta kaikille Elenian verkon jakelumuuntajien takaisille mittareille.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen osalta tutkittiin toisena osana nykyisen hälytyksen jännitera jojen sopivuutta. Tutkimuksessa hyödynnettiin kj-vaihekatkoksen aikaisten mittarihälytysten yh teydessä tallentuneita vaihejännitteitä. Tavoite oli selvittää voiko kj-vaihekatkoksissa esiintyä pj verkossa vaihejännitteitä, jotka eivät täytä nykyisen jännite-epäsymmetriahälytyksen ehtoja.
Nollavikalaukaisun jänniterajojen sopivuutta tutkittiin hälytysten yhteydessä tallentuneiden jän nitteiden ja virtojen avulla. Työssä selvitettiin kuormituksen vaikutusta tilanteissa, joissa nollajoh din on kokonaan poikki ja tilanteissa, joissa nollajohdin on ollut osittain jatkuva.
Työn tuloksena voidaan todeta, että kytkentäryhmällä on merkitystä jännite-epäsymmetrian siirtymiseen. Työssä todettiin, että nykyinen jännite-epäsymmetriahälytys soveltuu mittareille, joita syötetään Dyn11- ja Yzn11-kytkentäisillä muuntajilla. Jännite-epäsymmetriahälytys ei so vellu mittareille, joita syötetään ZNzn0-kytkentäisillä muuntajilla.
Tämä johtuu siitä, että ZNzn0-kytkentäisten muuntajien toisiopuolella indusoituu selvästi poik keavat vaihejännitteet kuin Dyn11- tai Yzn11-kytkentäisten muuntajien toisiopuolelle.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen jänniterajojen sopivuuden osalta tutkimuksessa huomattiin, että todellisten kj-vaihekatkojen aikana on ollut sellaisia tapauksia, joissa jännite-epäsymmetria hälytyksen ehdot eivät ole täyttyneet. Näissä tapauksissa vaihejännite on pudonnut alemmas kuin jännite-epäsymmetriahälytyksen 100 V alarajan, jolloin on muodostunut vaihe puuttuu -hälytys.
Nollavikalaukaisun jänniterajojen soveltuvuuden tutkimisessa todettiin kuormituksen epäsym metrisyydellä olevan suurempi vaikutus tapauksissa, joissa nollajohdin on kokonaan poikki. Näissä tilanteissa nollavika on helpompi tunnistaa. Nollaviat, joissa on osittain jatkuva nollajohdin, voi olla hankala tunnistaa suuresta kuormituksen epäsymmetrisyydestä huolimatta. Ehdotuksena osittain jatkuvien nollavikojen tunnistamiseen on rinnakkain nollavikalaukaisun kanssa toimiva nollavikahälytys, jolle määritetään nollavikalaukaisua tiukemmat jännite-ehtojen rajat. In Elenia’s network the smart meters send alarms to the distribution management system when they measure an abnormality in the phase voltages. AMR-alarms used in DSO’s network management ought to be accurate enough so that they describe the actual faults in most cases. In Elenia network management there has been actual cases where false positive alarms have occurred and that’s why there is a need to study validity of used AMR alarm voltage limits.
This study aims to validate suitability of the phase voltage conditions used in two different AMR meter functionalities: voltage asymmetry alarm and neutral conductor fault trip. The voltage asym metry alarm is used to detect broken phase conductor in MV network by measuring asymmetry in magnitudes of phase voltages in LV network. Detecting a broken neutral conductor is done by measuring voltage asymmetry in LV network. During neutral conductor fault it is not unusual that simultaneous overvoltage and undervoltage are present in some phases. The voltage asymmetry is dependent mostly of the loading but also the conductivity of the neutral conductor and ground ing has a factor in the voltage asymmetry during fault.
Part of studying suitability of voltage asymmetry alarm was to examine the effect of secondary substation transformer’s vector group to voltage asymmetry during broken phase conductor in MV network. In Elenia’s network there are three types of secondary substation transformers with different winding couplings: Dyn11, Yzn11 and ZNzn0. The study was done by gathering data from smart meters that had been affected by broken phase conductor fault in MV network. For additional validation of the effect of different vector groups, a PSCAD-model was built to simulate various broken phase conductor faults, and thereby verify the suitability of the currently used voltage asymmetry alarm limits for every distribution transformer in Elenia network.
As a second part of voltage asymmetry alarm study, the suitability of currently used alarm’s phase voltage conditions was examined. Study was done utilizing phase voltages recorded by meters during broken phase conductor faults in MV network. The aim of the study was to deter mine whether a such MV fault can cause phase voltages in the LV network that the conditions for voltage asymmetry alarm are not met.
The suitability of the phase voltage conditions for the neutral conductor fault trip was examined through the voltages and currents recorded by meters during neutral conductor faults. The impact of asymmetric loads on the voltage asymmetry was studied in two situations. One with neutral conductor is completely broken and the other with the neutral conductor partially conductive.
The results of the study concluded that vector group significantly affects the voltage asym metry during MV phase outages. Currently used voltage asymmetry alarm is applicable for the meters that are fed by Dyn11 and Yzn11 coupled transformers. However, the alarm cannot be applied on meters that are fed by ZNzn0 coupled transformers.
Regarding the suitability of phase voltage conditions for voltage asymmetry alarm, it was found that there have been actual broken phase conductor faults where conditions for the alarm were not met. In these cases, the phase voltages were below 100 V which is the lower voltage threshold of the alarm, triggering a blown fuse alarm.
In the study of suitability of phase voltage conditions for neutral conductor fault trip, it was found that asymmetry of the loading has a greater impact in cases where the neutral conductor is completely broken. However, in the case of faults with partially conductive neutral conductor, it can be difficult to identify based on voltage asymmetry despite significant load asymmetry. To detect more reliability faults with partially conductive neutral conductor, it was suggested that an alarm with stricter voltage conditions to be used alongside with the neutral conductor fault trip.
Diplomityössä tutkittiin jännite-epäsymmetriahälytyksen ja nollavikalaukaisun käytössä ole vien jänniterajojen soveltuvuutta. Jännite-epäsymmetriahälytys perustuu mitattuun jännite-epä symmetriaan pj-verkossa kj-vaihekatkoksen aikana. Kj-vaihekatkoksen aikana jännite-epäsym metria on usean vaiheen alijännitettä. Nollavika on nollajohtimen epäjatkuvuudesta johtuva vika, joka aiheuttaa jännite-epäsymmetriaa. Nollaviassa jännite-epäsymmetria on usean vaiheen yli jännitettä ja alijännitettä. Nollaviassa jännite-epäsymmetria riippuu kuormituksesta, nollajohtimen jatkuvuudesta ja käyttöpaikan maadoituksista.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen osalta tutkittiin muuntajien kytkentäryhmän vaikutusta jän nite-epäsymmetrian siirtymiseen kj-puolelta pj-puolelle. Elenian verkossa on käytössä kolmea eri kytkentäryhmäistä jakelumuuntajaa, jotka ovat Dyn11-, Yzn11- ja ZNzn0-kytkentäiset muuntajat. Kytkentäryhmän vaikutusta jännite-epäsymmetriaan tutkittiin todellisissa kj-vaihekatkoksissa tal lentuneiden mittarihälytysten avulla. Tämän lisäksi työssä rakennettiin PSCAD-malli, jolla simu loitiin erilaisia kj-vaihekatkosvikoja. Mittarihälytyksillä ja simulointimallilla pyrittiin varmentamaan muuntajan kytkentäryhmän vaikutus jännite-epäsymmetrian siirtymiseen pj-verkkoon, ja siten ar vioitiin hälytyksen soveltuvuutta kaikille Elenian verkon jakelumuuntajien takaisille mittareille.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen osalta tutkittiin toisena osana nykyisen hälytyksen jännitera jojen sopivuutta. Tutkimuksessa hyödynnettiin kj-vaihekatkoksen aikaisten mittarihälytysten yh teydessä tallentuneita vaihejännitteitä. Tavoite oli selvittää voiko kj-vaihekatkoksissa esiintyä pj verkossa vaihejännitteitä, jotka eivät täytä nykyisen jännite-epäsymmetriahälytyksen ehtoja.
Nollavikalaukaisun jänniterajojen sopivuutta tutkittiin hälytysten yhteydessä tallentuneiden jän nitteiden ja virtojen avulla. Työssä selvitettiin kuormituksen vaikutusta tilanteissa, joissa nollajoh din on kokonaan poikki ja tilanteissa, joissa nollajohdin on ollut osittain jatkuva.
Työn tuloksena voidaan todeta, että kytkentäryhmällä on merkitystä jännite-epäsymmetrian siirtymiseen. Työssä todettiin, että nykyinen jännite-epäsymmetriahälytys soveltuu mittareille, joita syötetään Dyn11- ja Yzn11-kytkentäisillä muuntajilla. Jännite-epäsymmetriahälytys ei so vellu mittareille, joita syötetään ZNzn0-kytkentäisillä muuntajilla.
Tämä johtuu siitä, että ZNzn0-kytkentäisten muuntajien toisiopuolella indusoituu selvästi poik keavat vaihejännitteet kuin Dyn11- tai Yzn11-kytkentäisten muuntajien toisiopuolelle.
Jännite-epäsymmetriahälytyksen jänniterajojen sopivuuden osalta tutkimuksessa huomattiin, että todellisten kj-vaihekatkojen aikana on ollut sellaisia tapauksia, joissa jännite-epäsymmetria hälytyksen ehdot eivät ole täyttyneet. Näissä tapauksissa vaihejännite on pudonnut alemmas kuin jännite-epäsymmetriahälytyksen 100 V alarajan, jolloin on muodostunut vaihe puuttuu -hälytys.
Nollavikalaukaisun jänniterajojen soveltuvuuden tutkimisessa todettiin kuormituksen epäsym metrisyydellä olevan suurempi vaikutus tapauksissa, joissa nollajohdin on kokonaan poikki. Näissä tilanteissa nollavika on helpompi tunnistaa. Nollaviat, joissa on osittain jatkuva nollajohdin, voi olla hankala tunnistaa suuresta kuormituksen epäsymmetrisyydestä huolimatta. Ehdotuksena osittain jatkuvien nollavikojen tunnistamiseen on rinnakkain nollavikalaukaisun kanssa toimiva nollavikahälytys, jolle määritetään nollavikalaukaisua tiukemmat jännite-ehtojen rajat.
This study aims to validate suitability of the phase voltage conditions used in two different AMR meter functionalities: voltage asymmetry alarm and neutral conductor fault trip. The voltage asym metry alarm is used to detect broken phase conductor in MV network by measuring asymmetry in magnitudes of phase voltages in LV network. Detecting a broken neutral conductor is done by measuring voltage asymmetry in LV network. During neutral conductor fault it is not unusual that simultaneous overvoltage and undervoltage are present in some phases. The voltage asymmetry is dependent mostly of the loading but also the conductivity of the neutral conductor and ground ing has a factor in the voltage asymmetry during fault.
Part of studying suitability of voltage asymmetry alarm was to examine the effect of secondary substation transformer’s vector group to voltage asymmetry during broken phase conductor in MV network. In Elenia’s network there are three types of secondary substation transformers with different winding couplings: Dyn11, Yzn11 and ZNzn0. The study was done by gathering data from smart meters that had been affected by broken phase conductor fault in MV network. For additional validation of the effect of different vector groups, a PSCAD-model was built to simulate various broken phase conductor faults, and thereby verify the suitability of the currently used voltage asymmetry alarm limits for every distribution transformer in Elenia network.
As a second part of voltage asymmetry alarm study, the suitability of currently used alarm’s phase voltage conditions was examined. Study was done utilizing phase voltages recorded by meters during broken phase conductor faults in MV network. The aim of the study was to deter mine whether a such MV fault can cause phase voltages in the LV network that the conditions for voltage asymmetry alarm are not met.
The suitability of the phase voltage conditions for the neutral conductor fault trip was examined through the voltages and currents recorded by meters during neutral conductor faults. The impact of asymmetric loads on the voltage asymmetry was studied in two situations. One with neutral conductor is completely broken and the other with the neutral conductor partially conductive.
The results of the study concluded that vector group significantly affects the voltage asym metry during MV phase outages. Currently used voltage asymmetry alarm is applicable for the meters that are fed by Dyn11 and Yzn11 coupled transformers. However, the alarm cannot be applied on meters that are fed by ZNzn0 coupled transformers.
Regarding the suitability of phase voltage conditions for voltage asymmetry alarm, it was found that there have been actual broken phase conductor faults where conditions for the alarm were not met. In these cases, the phase voltages were below 100 V which is the lower voltage threshold of the alarm, triggering a blown fuse alarm.
In the study of suitability of phase voltage conditions for neutral conductor fault trip, it was found that asymmetry of the loading has a greater impact in cases where the neutral conductor is completely broken. However, in the case of faults with partially conductive neutral conductor, it can be difficult to identify based on voltage asymmetry despite significant load asymmetry. To detect more reliability faults with partially conductive neutral conductor, it was suggested that an alarm with stricter voltage conditions to be used alongside with the neutral conductor fault trip.