Suurjännitteisen maakaapelin maadoitussuunnittelu ja maavirtareduktiokertoimen määritys

Abstract

Suurjännitteinen sähkönsiirtojärjestelmä voi vikaantuessaan aiheuttaa vaaran sekä laitteille että henkilöturvallisuudelle. Tyypillisesti vaarallisin tilanne on maasulku, jossa maapotentiaalin kohoaminen aiheuttaa jänniterasitusta laitteille sekä kosketusjänniteriskin ihmisille. Maapotentiaali on riippuvainen maahan injektoituvasta virrasta, joten suunnittelussa on tärkeää pystyä määrittämään vikatilanteessa maassa kulkevan virran määrä. Maavirran reduktiokerroin esittää maassa kulkevan ja kaapelin kosketussuojassa ja muissa metalliosissa kulkevan virran suhteen. Työn tavoitteena oli kehittää laskentametodiikka, jolla suurjännitekaapelijärjestelmien reduktiokertoimia ja tämän kautta maapotentiaalin nousua voidaan laskea tarkemmin.

Työ on pääosin tehty kirjallisuudesta löytyvien laskentamenetelmien pohjalta ja vertaillen erilaisten menetelmien käyttökelpoisuutta Suomen olosuhteisiin. Työssä pyrittiin myös avaamaan eri laskentametodien käyttöalueita ja mahdollisia virhetoleransseja, jotta suunnittelutyössä tehtävien olettamien oikeellisuus ja turvallisuus voidaan taata. Maakaapeleiden tarkastelumetodiikkaa verrattiin ilmajohtojen suunnitteluun ja pyrittiin tunnistamaan merkittävimmät erot sekä ilmajohtojen suunnittelun osia, joita voitaisiin käyttää myös maakaapeleiden osalta.

Työn lopputuloksena kehitettiin kolme MS Excel-pohjaista laskentatyökalua, joilla voidaan laskea maadoitusresistansseja, maakaapeleita sisältävien järjestelmien maadoitusjännitteitä ja virran jakoja. Ohjelmat kehitettiin siten, että laskennan välitulokset ja järjestelmän sähköiset parametrit ovat käytettävissä myös muihin mahdollisiin laskentatarpeisiin. Ohjelman tarkoituksena on myös, että välitulosten avulla voidaan arvioida ja kokeilla erilaisten suunnitteluratkaisujen vaikutusta myös järjestelmän osakokonaisuuksiin.

Työssä keskeisenä havaintona oli maakaapelijärjestelmän tarkastelun kompleksisuus. Monet erilaiset asennustavat ja rakenteet tuovat monia erilaisia laskentatilanteita, mikä vaikeuttaa kaavamaisen suunnittelumallin rakentamista. Maakaapeleilla reduktiokertoimet kuitenkin jäävät tyypillisesti pieniksi, jolloin järjestelmät ovat turvallisia henkilöille ja ympäristölle. Suunnittelussa tulee kuitenkin huomioida maadoitusjärjestelmän komponenttien terminen kestoisuus, koska suurempi osa vikavirrasta palaa niitä pitkin.