Kaapeliverkkoon varastoituneen energian vaikutukset kytkentäylijännitteisiin
Tukiainen, Aleks (2018)
Tukiainen, Aleks
2018
Sähkötekniikka
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-12-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201811222744
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201811222744
Tiivistelmä
Tiukentuneiden toimitusvarmuusvaatimuksien vuoksi sähköverkkoyhtiöiden maakaapelointi on yleistynyt huomattavasti. Maakaapeleiden avulla vältytään myrskyjen ja lumikuormien aiheuttamilta sähkökatkoilta. Kaapeleiden sähköiset arvot poikkeavat perinteisistä avojohdoista, jonka vuoksi kaapelit vaikuttavat eri tavoin sähköverkon suunnitteluun ja käyttöön. Kaapelin kapasitanssi on huomattavasti suurempi kuin avojohdon, jonka seurauksena sähkökenttään varastoitunut energia kasvaa. Tässä diplomityössä on tutkittu, kuinka kaapeliverkkoon varastoitunut energia purkautuu verkkoon eri kytkentätilanteissa ja miten se vaikuttaa verkon kytkentäylijännitteisiin.
Työssä on rakennettu PSCAD-mallit Elenian Vilppulan sähköasemasta sekä yksinkertaistettu verkkomalli kuvitteellisesta täysin kaapeloidusta keskijänniteverkosta ja sähköasemasta. Simulointimalleilla tutkittuja kytkentätoimenpiteitä olivat kuormitetun ja tyhjäkäyvän 20 kV johtolähdön kytkennät, tyhjäkäyvän kaapelin kytkennät, tyhjäkäyvän kaapelin ja avojohdon yhdistelmän kytkennät, reaktorilla kompensoidun kaapelin kytkennät ja 1-vaiheisen maasulun kytkennät. Simuloinneissa on tutkittu lähinnä kaapeliverkkoon varastoituneen energia purkautumista irtikytkennän jälkeen ja palaavan jännitteen huippuarvolla tapahtuvia jälleenkytkentöjä.
Yleisesti kaapeliverkkoon varastoitunut energia purkautuu irtikytkennän jälkeen verkkoon aiheuttamatta merkittäviä ylijännitteitä. Ylijännitteitä voi kuitenkin esiintyä, jos kaapelin on kytkettynä induktiivinen kuorma tai varastoitunut energia ei ole kerennyt purkautua täysin ja verkkoon tulee jälleenkytkentä palaavan jännitteen huippuarvolla. Simulointien mukaan pahimpia kytkentäylijännitteitä aiheuttavia kaapeliverkon kytkentätoimenpiteitä ovat jäännösvarauksellisen tyhjäkäyvän kaapelin ja ilmajohdon yhdistelmän jälleenkytkentä sekä reaktorilla kompensoidun kaapelin irtikytkentä. Reaktorilla kompensoidun kaapelin irtikytkennästä aiheutuvat ylijännitteet riippuvat kuitenkin enemmän reaktorin magneettikenttään varastoituneesta energiasta ja lisäksi niitä vastaan voidaan suojautua tehokkaasti reaktorin napoihin asennettujen ylijännitesuojien avulla. Jäännösvarauksellisen tyhjäkäyvän kaapelin ja ilmajohdon yhdistelmän jälleenkytkentä voi puolestaan aiheuttaa kriittisiä ylijänniteitä, koska kaapelin ja ilmajohdon kiinnityskohtaan asennetut ylijännitesuojat eivät vaikuta lainkaan syntyviin ylijännitteisiin. Kaikissa simuloinneissa kytkentäylijännitteet jäivät kuitenkin alle komponenttien jännitekestoisuuksien, mutta edellä mainitut kytkentätoimenpiteet vaativat erityishuomiota. Simuloinneista tulee lisäksi muistaa, että tuloksia ei olla verifioitu kenttämittauksien perusteella, jonka vuoksi niitä ei voi soveltaa suoraan todellisuuden sähköverkkoihin.
Työssä on rakennettu PSCAD-mallit Elenian Vilppulan sähköasemasta sekä yksinkertaistettu verkkomalli kuvitteellisesta täysin kaapeloidusta keskijänniteverkosta ja sähköasemasta. Simulointimalleilla tutkittuja kytkentätoimenpiteitä olivat kuormitetun ja tyhjäkäyvän 20 kV johtolähdön kytkennät, tyhjäkäyvän kaapelin kytkennät, tyhjäkäyvän kaapelin ja avojohdon yhdistelmän kytkennät, reaktorilla kompensoidun kaapelin kytkennät ja 1-vaiheisen maasulun kytkennät. Simuloinneissa on tutkittu lähinnä kaapeliverkkoon varastoituneen energia purkautumista irtikytkennän jälkeen ja palaavan jännitteen huippuarvolla tapahtuvia jälleenkytkentöjä.
Yleisesti kaapeliverkkoon varastoitunut energia purkautuu irtikytkennän jälkeen verkkoon aiheuttamatta merkittäviä ylijännitteitä. Ylijännitteitä voi kuitenkin esiintyä, jos kaapelin on kytkettynä induktiivinen kuorma tai varastoitunut energia ei ole kerennyt purkautua täysin ja verkkoon tulee jälleenkytkentä palaavan jännitteen huippuarvolla. Simulointien mukaan pahimpia kytkentäylijännitteitä aiheuttavia kaapeliverkon kytkentätoimenpiteitä ovat jäännösvarauksellisen tyhjäkäyvän kaapelin ja ilmajohdon yhdistelmän jälleenkytkentä sekä reaktorilla kompensoidun kaapelin irtikytkentä. Reaktorilla kompensoidun kaapelin irtikytkennästä aiheutuvat ylijännitteet riippuvat kuitenkin enemmän reaktorin magneettikenttään varastoituneesta energiasta ja lisäksi niitä vastaan voidaan suojautua tehokkaasti reaktorin napoihin asennettujen ylijännitesuojien avulla. Jäännösvarauksellisen tyhjäkäyvän kaapelin ja ilmajohdon yhdistelmän jälleenkytkentä voi puolestaan aiheuttaa kriittisiä ylijänniteitä, koska kaapelin ja ilmajohdon kiinnityskohtaan asennetut ylijännitesuojat eivät vaikuta lainkaan syntyviin ylijännitteisiin. Kaikissa simuloinneissa kytkentäylijännitteet jäivät kuitenkin alle komponenttien jännitekestoisuuksien, mutta edellä mainitut kytkentätoimenpiteet vaativat erityishuomiota. Simuloinneista tulee lisäksi muistaa, että tuloksia ei olla verifioitu kenttämittauksien perusteella, jonka vuoksi niitä ei voi soveltaa suoraan todellisuuden sähköverkkoihin.