Tyhjiökatkaisijan aiheuttamat kytkentäylijännitteet ja kuivamuuntajan ylijännitesuojaus

Abstract

Tyhjiökatkaisijalla tehdyt kytkentätoimenpiteet voivat aiheuttaa erittäin jyrkkiä transienttiylijännitteitä sähköverkoissa. Ylijännitteiden syntyyn ja suuruuteen vaikuttavat ympäröivän verkon ominaisuudet, kuorman ominaisuudet, tyhjiökatkaisijan ominaisuudet, sekä kytkentätilanne. Yleisesti pienen induktiivisen virran katkaisua pidetään siinä syntyvien ylijännitteiden takia vaarallisena. Tilanteita, joissa katkaistaan pientä induktiivista virtaa, ovat esimerkiksi tyhjäkäyvän muuntajan irtikytkentä, induktiivisesti kuormitetun muuntajan irtikytkentä, sekä muuntajan irtikytkentä keskijännitepuolen suojauslaukaisulla tilanteessa, jossa muuntajan toisionavoissa on oikosulkuvika. Tyhjiökatkaisijan sulkeutumisen ja avautumisen yhteydessä tapahtuvat esi- ja uudelleensyttymiset aiheuttavat erittäin jyrkkiä transienttiylijännitteitä, jotka ovat haitallisia muuntajakäämityksille ja muuntajan eristysrakenteille. Erityisesti kuivamuuntajat ovat tyypillisesti herkkiä ylijännitteille. Tässä diplomityössä tarkastellaan teollisuuden keskijänniteverkon tilannetta, jossa tyhjiökatkaisijaa käytetään kuivan jakelumuuntajan pääkytkinlaitteena. Työn tavoitteena on selvittää missä tilanteissa tyhjiökatkaisijan aiheuttamat kytkentäylijännitteet ovat niin suuria, että kuivamuuntaja tulisi varustaa ylijännitesuojilla. Työssä rakennetaan simulointimalli PSCAD-ohjelmistolla, jolla tutkitaan erilaisia kytkentätilanteita erilaisissa verkkotopologioissa. Simuloinneilla pyritään määrittämään ja tunnistamaan tärkeimmät transienttiylijännitteiden syntyyn ja suuruuteen vaikuttavat tekijät. Tutkittavia tilanteita ovat muuntajan energisointi, tyhjäkäyvän muuntajan irtikytkentä, induktiivisesti kuormitetun muuntajan irtikytkentä, muuntajan irtikytkentä, kun kuorman tehokerroin on lähellä yhtä ja muuntajan irtikytkentä, kun toisionavoissa on kolmivaiheinen oikosulku. Työssä tehdyistä simuloinneista selviää, että tärkein ylijännitteiden syntyyn vaikuttava tekijä on tyhjiökatkaisijan ja kuivamuuntajan välisen kaapelin pituus. Myös muuntajan nimellisteholla on vaikutusta tyhjäkäyvän muuntajan irti kytkennässä, sekä toision oikosulkuvian tapauksessa. Sen sijaan syöttävän verkon laajuuden vaikutus ei osoittautunut simuloinneissa merkittäväksi, vaikkakin sillä on myös vaikutusta. Simuloinneista selviää, että muuntajan energisointi ja tyhjäkäyvän muuntajan irtikytkentä eivät aiheuta vaarallisen suuria ylijännitteitä. Myöskään kuormallisen muuntajan irtikytkentä ei aiheuta vaarallisen suuria ylijännitteitä, jos kuorman tehokerroin on lähellä yhtä. Sen sijaan induktiivisesti kuormitetun muuntajan irtikytkentä, sekä muuntajan irtikytkentä toision oikosulkuvian tapauksessa voivat aiheuttaa erittäin jyrkkiä muuntajan eristystason ylittäviä transienttiylijännitteitä.