FI108168B - Menetelmä sähköverkon lähdön sähköisen eristystilan määrittämiseksi - Google Patents

Description

108168

Menetelmä sähköverkon lähdön sähköisen eristystilan määrittämiseksi « Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä sähköverkon lähdön tai haaran sähköisen eristystilan määrittämiseksi.

5

Kyseessä on siis sähköverkon, esimerkiksi keskijänniteverkon eristystilan seurantaan perustuva sähköasematason valvontamenetelmä numeerista monitoimirelettä varten.

Suuriresistanssiset maasulut pyritään ilmaisemaan perinteisesti seuraamalla 10 sähkövoimajärjestelmän nollajännitteen itseisarvoa ja siinä tapahtuvia muutoksia. Nollajännitteen kynnysarvon ylittyessä tapahtuu hälytys. Menetelmä ei kerro mitään vian sijainnista verkossa.

FI-patenttijulkaisussa 100922 B on kuvattu menetelmä suuriresistanssisen 15 maasulkuvian havaitsemiseksi ja paikallistamiseksi. Vian ilmaisu perustuu pääpiirteittäin seuraavaan menetelmään: Mitataan sähköasemalla verkon vaihejännitteet vaihekulmineen ja muodostetaan verkon nollajännite (U0) mitattujen vaihejännitteiden vektorisummana, lasketaan verkon nollaimpedanssi (Zo), verrataan nollajännitettä (Un) verkon vaihejännitteisiin (Uv) ja verkon kokonaisnollaimpedanssiin (¾). Saaduista 20 suureista lasketaan vikaimpedanssit (Zf) jokaiselle vaiheelle ja valitaan vialliseksi vaiheeksi se, jonka vikaimpedanssin (Zf) reaaliosa on suurin. Menetelmä mittaa nollajännitteen 10 minuutin keskiarvoa ja siinä tapahtuvia muutoksia. Siten menetelmä ei reagoi nopeisiin nollajännitteen muutoksiin.

25 FI-patenttijulkaisussa 103217 on kuvattu menetelmä sähkönjakeluverkon suuriresistanssisen maasulkuvian paikallistamiseksi virtamittausten perusteella. Kyseinen menetelmä perustuu siihen, että mitatut nollajännitteen ja johdon nollavirran ·· muutokset lasketaan verrattuna johonkin pitkäaikaisempaan keskiarvoon. Näin määritetyistä nollavirran muutoksista vähennetään johdon terveen tilan 30 nollaimpedanssin kautta kulkevan virran vaikutus. Kompensoitujen virtamuutosten perusteella valitaan edelleen vialliseksi johto-osuudeksi sellainen osuus, jossa tämä virtamuutosten itseisarvo on suurin ja lisäksi ennalta asetettua kynnysarvoa suurempi.

2 108168 US-patenttijulkaisussa 4 729 052 on kuvattu menetelmä, jossa maasulun olemassaolo todetaan verkon tähtipisteen maadoitusimpedanssia muuttamalla ja mittaamalla ko. muutoksen vaikutus nollajännitteeseen. Menetelmä sopii ainoastaan sammutettuihin verkkoihin.

5

Patenttijulkaisussa WO-9627138 on kuvattu yksivaiheisen maasulun tunnistamismenetelmä koimivaiheverkossa, jonka tähtipiste on maadoitettu maasulun sammutuskuristimen kautta. Menetelmä edellyttää ajantasaista tietoa lähdön maa-admittanssista ja lähdön epäsymmetriaa kuvaavasta epäsymmetria-admittanssista. Vian 10 ilmaisuun käytettävän vika-admittanssin määrittäminen edellyttää kolmen mittausarvoparin (U0, I0) mittausta. Menetelmä on sangen monimutkainen ja soveltuu ainoastaan täysin kompensoituihin verkkoihin, joissa on maadoituskuristin varustettuna kauko-ohjatulla säätöautomatiikalla. Riittävän nollajännitteen aikaansaamiseksi verkon täytyy olla lisäksi riittävän epäsymmetrinen. Valtaosa verkoista ei täytä em. 15 vaatimuksia.

Tunnetuissa tekniikoissa on useita puutteita.

Tunnettujen menetelmien herkkyys on puutteellinen eikä niitä voida siten pitää 20 sellaisina eristystilan valvontamenetelminä, joita voidaan käyttää verkon kunkin lähdön valvontaan. Kehittyneimmät laskentamenetelmät edellyttävät ajantasaista tietoa lähdön sähköisestä pituudesta ja ovat herkkiä maa-admittanssin virheelle. Maa-admittanssin reaaliosan eli maakonduktanssin fysikaalisesti oikean arvon laskennallinen määrittäminen ei onnistu sähköasemilla yleisesti käytettävien mittalaitteiden 25 puutteellisen tarkkuuden vuoksi. On lisäksi todennäköistä, että maakonduktanssin arvo vaihtelee esimerkiksi säätilojen mukaan.

' Verkon nollajännitteen tehollisarvon seurantaan perustuva vianilmaisumenetelmä ei kerro mitään vian sijainnista verkossa. Hyvin suuriresistanssinen maasulku saattaa 30 aiheuttaa suuremman muutoksen nollajännitteen vaihekulmassa kuin itseisarvossa, mitä informaatiota nollajännitteen seurantaan perustuva menetelmä ei pysty hyödyntämään. Sääilmiöt (esimerkiksi lumisade) ja verkon kytkentätoimenpiteet tai kompensoidun verkon maadoituskuristimen säätäminen aiheuttavat muutoksia verkon 3 108168 nollajännitteessä. Näitä muutoksia on vaikea erottaa hyvin suuriresistanssisen maasulun aiheuttamista muutoksista nollajännitteeseen, minkä vuoksi ao. menetelmän herkkyys on puutteellinen.

5 Aikaisemmat suuriresistanssisen maasulun ilmaisumenetelmät eivät mahdollista verkon valvontaa kullekin verkon lähdölle, koska vian suunta joudutaan määrittämään vian havaitsemisen jälkeen lähtöjen nollavirroissa tapahtuvien muutosten avulla. FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattu menetelmä mahdollistaa ainoastaan koko verkon vaiheiden vuotoresistanssin seurannan. Verkon nollaimpedanssin laskeminen perustuu 10 ko. menetelmässä johdinvalmistajien ilmoittamiin nollasuskeptanssiarvoihin, joihin sisältyy usein huomattavaa epätarkkuutta. Verkon maakapasitanssit voidaan mitata tekemällä maasulkukokeita, mutta tulokset pätevät vain kokeiden aikana käytetyssä kytkentätilanteessa. Lisäksi verkon nollaimpedanssi täytyy laskea ylemmän tason järjestelmässä, jonka jälkeen informaatio täytyy siirtää suojareleelle. Menetelmän etuja 15 ovat viallisen vaiheen ilmaisu ja kohtuullisen hyvä herkkyys.

FI-patenttijulkaisussa 100922B kuvatun menetelmän mukaan lähtöjen nollaimpedanssit lasketaan vain pienivikaresistanssisten maasulkujen yhteydessä. Pienivikaresistanssiseksi maasuluksi tulkitaan vika, jonka vikaresistanssi RF < 5 kQ tai 20 jos nollajännite ylittää 50 % normaalitilan vaihejännitteestä. Menetelmä toimii väärin, jos lähdön nollaimpedanssi on muuttunut kytkentätoimenpiteen seurauksena eikä ajantasaista nollaimpedanssia ole käytettävissä, kun vika syntyy. Menetelmä on herkkä nollaimpedanssin virheelle. Täysin kompensoidussa verkossa, jossa maasulkuvirta on kompensoitu lähes kokonaan, maasulun aiheuttama viallisen lähdön nollavirran muutos 25 on saman suuntainen kuin terveiden lähtöjen nollavirtojen muutokset ja vastaa suuruudeltaan suunnilleen viallisen lähdön sähköistä pituutta. Tällöin ao. menetelmän avulla laskettu kompensoitu virtamuutos on lähellä nollaa myös viallisen lähdön tapauksessa. Menetelmän toiminta voi siten olla epävarmaa täysin kompensoidussa verkossa.

30 4 108168 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä sähköverkon lähdön tai haaran sähköisen eristystilan määrittämiseksi.

5 Keksintö perustuu siihen, että vikatilanteen tai keinotekoisen erityistilanteen aiheuttaman muutoksen perusteella etsitään viallinen vaihe ja viallinen lähtö.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä määritetään mikä on viallinen vaihe mitattujen vaihejännitteiden ja nollajännitteen AUq = U0M - U0' avulla, lasketaan viallisen vaiheen |C/vJsin ((>£/ 10 vikaresistanssi RF jokaiselle lähdölle kaavan RF = ,-:-η1-, avulla, jossa ρ/ορΐηφ/(| + B0\AU_0\

UvF = viallisen vaiheen ja maan välinen jännite ΦυνΡ = viallisen vaiheen jännitevektorin UvF ja vektorin AU0 välinen vaihekulma AIq = lähdön summavirran muutos nollajännitteen muutoksen seurauksena 15 φ;ο = vektorien AIq ja AU0 välinen vaihekulma B0 = lähdön kolmen vaiheen yhteenlaskettu maasuskeptanssi (maa-admittanssin imaginääriosa), vialliseksi lähdöksi tulkitaan se, jonka vikaresistanssi on aseteltua kynnysarvoa 20 pienempi (RF < RFk), ja pienivikaresistanssisen vian tapauksessa verrataan lähtöjen - - laskettuja RF:n arvoja ja vialliseksi lähdöksi valitaan se, jonka vikaresistanssi on pienin.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

25

Tunnusomaista keksinnölle on myös se, mikä on esitetty patenttivaatimusten 6-7 tunnusmerkkiosissa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

30 5 108,168

Keksinnön mukaisen menetelmän keskeinen etu aiemmin esitettyihin menetelmiin ja julkaisuihin nähden liittyy sen käytännön toteutuksen yksinkertaisuuteen ja liittämiseen osaksi muuta verkostoautomaatiota. Menetelmän käytännön soveltaminen ei vaadi lähtötietoina verkon komponenttien sähköteknisiä lajitietoja (siis verkkotietoja).

5 Menetelmä voidaan ajatella mustana laatikkona, jonka sisäänmenoina ovat mitatut nollajännitteet, vaihejännitteet, summavirrat ja ulostulona indikaatio suuriresistanssisesta maasulusta, joka tieto lähetetään yksisuuntaisena tapahtumatietona ylemmän tason automaatiojäijestelmälle. Menetelmä voidaan implementoida yhteen kennoterminaaliin, eikä indikointi vaadi kommunikointia muiden releiden tai 10 tietojärjestelmien kanssa, mikä tekee siitä robustimman ja joustavamman esimerkiksi FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattuun menetelmään verrattuna. Edelleen menetelmän sisältävä rele/ala-asema voidaan installoida verkon varrella olevalle erotinala-asemalle. Koska tässäkään tapauksessa ei tarvita indikoinnin muodostamisen kannalta muita lähtö-tietoja tai kommunikointia tietoliikenteen kautta ylemmän tason 15 releiden/tietojärjestelmien kanssa, on menetelmä käytännön toteutukseltaan huomattavasti selkeämpi kuin FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattu menetelmä.

Keksinnön etu US-patenttijulkaisun 4 729 052 ja julkaisun [Lei97] mukaisiin menetelmiin verrattuna on se, että verkon tähtipisteeseen ei tarvitse asentaa ylimääräisiä 20 komponentteja, jotka liittyvät suoraan verkoston vikavirtapiirin osaksi. Toinen etu on se, että myös maasta erotettujen ja resistanssin kautta maadoitettujen verkostojen viat voidaan ilmaista ja paikantaa.

* · I

Keskeinen etu liittyy menetelmän jatkuvatoimisuuteen. Esimerkiksi julkaisussa [Lei97] 25 kuvattu niin kutsuttu DDA-menetelmä liittyy lähinnä kertaluontoisiin mittauksiin perustuvaan seurantaan. Keksinnön merkittävä ero julkaisun [Lei97] DDA-menetelmään verrattuna on se, että lähdön maakonduktanssiin liittyvä epävarmuus ja ' epätarkkuus voidaan välttää. Tämä mahdollistaa vikaresistanssin aikaisempaa tarkemman määrittämisen ja kasvattaa siten indikoinnin herkkyyttä. Käytännössä 30 fysikaalista maakonduktanssia ei pystytä määrittämään sähköasemilla olevien mittalaitteiden avulla. Laskenta-algoritmina keksinnön mukainen menetelmä on täysin erilainen julkaisun [Lei97] menetelmiin verrattuna. Keksinnön mukainen menetelmä reagoi lähdön eristystilan monitoroinnissa yli verkkojakson pituuden kestäviin 6 108168 muutoksiin, toisin kuin esimerkiksi FI-patenttijulkaisussa 100922 B kuvattu menetelmä, joka mittaa nollajännitteen usean minuutin keskiarvoa ja siinä tapahtuvia muutoksia.

Lähtöjen maa-admittanssien määrittäminen mittauksin parantaa vikavirtojen laskennan 5 tarkkuutta verkkotiedoista laskettuihin arvoihin verrattuna sekä mahdollistaa sen, että releellä on ajanmukainen tieto lähdön sähköisestä pituudesta. Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa vikaindikaation tekemisen vaikka vika tapahtuisi nopeasti lähdön kytkentämuutoksen jälkeen. Lähdön sähköisen pituuden määrityksessä hyödynnetään verkossa luonnostaan tapahtuvia nollajännitteen muutoksia. Lähdön 10 maasuskeptanssi lasketaan pienivikaresistanssisten maasulkujen yhteydessä. Laskentamenetelmät eivät vaadi kompensoinnin säätöä. Mikäli verkko on kompensoitu ja varustettu kelan automaattisella säätäjällä, myös kelan säädän aiheuttamaa nollajännitteen muutosta voidaan käyttää lähtöjen maasuskeptanssien laskentaan.

15 Keksintö mahdollistaa verkon eri lähtöjen sähköisen eristystilan seuraamisen jatkuvasti. Menetelmä ilmaisee paitsi vian olemassaolon ja viallisen lähdön myös viallisen vaiheen ja vikaresistanssin suuruuden.

Keksinnön etuna voidaan pitää myös sitä, että sen toteuttaminen ei vaadi uusia 20 laiteratkaisuja, mittauksia tai mitta-antureita, vaan algoritmit voidaan liittää ohjelmallisesti olemassa oleviin numeerisiin monitoimireleisiin nykyisiä, olemassa olevia mittalaitteita hyödyntäen.

Koska lähdön maa-admittanssin laskenta perustuu nollavirran ja nollajännitteen 25 muutokseen, eikä kyseisten suureiden absoluuttiarvoihin, lähdön maakapasitanssien epäsymmetriasta aiheutuva virhe eliminoituu. Verkon terveessä tilassa tai hyvin suuriresistanssisen maasulun aikana nollajännitteen ollessa alhainen, kapasitanssiepäsymmetrian aiheuttaman virtakomponentin osuus on yleensä merkittävä kokonaissummavirrassa avojohtolähdön tapauksessa.

Mitattavat nollajännitteen ja summavirran arvot sekä niissä tapahtuvat muutokset ovat pieniä mittalaitteiden nimellisarvoihin verrattuna. Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytetään yksittäisen mittausarvon sijasta kyseisen suureen muutosta. Tällöin 30 108168 7 merkittävä osa mittausvirheestä eliminoituu, koska virhe on saman suuntainen muutosta edeltävässä ja sen jälkeisessä mittauksessa. Tämä on keksinnön merkittävä etu.

Keskijänniteverkon lähtöjen eri vaiheiden eristystilan valvonta (suuriresistanssisten 5 maasulkujen ilmaisu) ja viallisen lähdön määrittäminen on ongelmallista olemattoman pienen vikavirran vuoksi. Herkin suoraan verkosta mitattava indikaattori ko. vikatapauksissa on nollajännite. Nollajännitteen tehollisarvon tai koko verkon vuotoresistanssin muutokseen perustuva vianilmaisu ei kerro suoraan viallista lähtöä, vaan se joudutaan määrittämään muilla keinoilla. Keksinnössä esitellyillä menetelmillä 10 voidaan seurata jokaisen lähdön sähköistä eristystilaa erikseen.

Eräs keksinnön merkittävä etu tunnettuihin menetelmiin verrattuna on sen jatkuvatoimisuus. Menetelmä reagoi hyvin nopeisiinkin nollajännitteen muutoksiin (> verkkojakson pituus). Menetelmillä voidaan havaita hyvin lyhytkestoisia ja 15 ohimeneviäkin häiriöitä. Lähtöjen suojareleillä on ajanmukainen tieto lähdön sähköisestä pituudesta ja eristystilasta. Menetelmä ei edellytä informaation siirtoa releen ja ylemmän tason automaatiojärjestelmien välillä tai releiden välillä. Keksinnön menetelmillä voidaan ehkäistä myös maasulun seurarinaisvikoja (esim.

kaksoismaasulut), koska viat voidaan havaita ennen kuin ne aiheuttavat lisärasitusta 20 verkon terveille vaiheille.

Keksinnön mukaisella menetelmällä pystytään ilmaisemaan sähköverkon lähdön yhden • · vaiheen alentunut eristystaso selvästi aikaisempaa suuremmalla herkkyydellä eli pystytään ilmaisemaan aikaisempaa suurempia vikaresistansseja. Vian olemassaolo 25 pystytään määrittämään myös aikaisempaa luotettavammin, koska vialliselle ja terveelle lähdölle laskettujen vikaresistanssiarvojen ero on huomattavasti suurempi viitteen [Lei97] DDA-menetelmään verrattuna.

Esitetty menetelmä on kokonaisuutena edullinen, koska se ei vaadi uusia mittauksia tai 30 laitteita. Tarvitaan ainoastaan uuden/uusien toimilohkojen ohjelmointi releelle.

108168 8

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää graafisesti vektoreina verkon symmetriset vaihejännitteet, terveen tilan 5 epäsymmetriset vaihejännitteet, vian aikaiset epäsymmetriset vaihejännitteet sekä verkon normaali- ja vikatilaa vastaavat nollajännitteet maasta erotetun verkon yksivaiheisessa maasulussa.

Kuvio 2 esittää graafisesti vektoreina verkon symmetriset vaihejännitteet, terveen tilan 10 epäsymmetriset vaihejännitteet, vian aikaiset epäsymmetriset vaihejännitteet sekä verkon normaali- ja vikatilaa vastaavat nollajännitteet kompensoidun verkon yksivaiheisessa maasulussa.

Kuvio 3 esittää esimerkkinä maasta erotettua tai kompensoitua keskijänniteverkkoa, 15 joka koostuu sekä säteittäisistä että renkaaseen kytketyistä lähdöistä. Renkaaseen kytketyt lähdöt syötetään samalta, esimerkiksi 110/20 kV sähköasemalta.

Sähköverkon lähdön maa-admittanssi Yoi voidaan laskea lähdön nollavirran muutoksen ja nollajännitteen muutoksen osamääränä. Näin lasketun maa-admittanssin reaaliosa 20 kuvaa johtolähdön vaiheiden ja maan välistä konduktanssia ja imaginääriosa vaiheiden ja maan välistä suskeptanssia, joka muodostuu maakapasitansseista.

r», = - J-+y®c0,=g0,+jB„, =£=*- (i) k m 25 Rflj = kolmen vaiheen edustama vuotoresi stanssi . G0I = kolmen vaiheen edustama maakonduktanssi - *· Coi = kolmen vaiheen edustama maakapasitanssi

Boi = kolmen vaiheen edustama maasuskeptanssi ω = kulmataajuus 30 108168 ! 9

Normaalisti terveen johtolähdön fysikaalinen vuotoresistanssi on megaohmien luokkaa, joten maakonduktanssi on suuruusluokaltaan dekadilla ΙΟ"6 1/Ω. Kenttämittauksista saaduista tuloksista kaavan 1 avulla lasketut maakonduktanssiarvot ovat usein samalla dekadilla kuin lähdön vastaava maasuskeptanssi. Tämä ei voi pitää fysikaalisesti 5 paikkaansa, vaan kyseisen maasuskeptanssin voidaan katsoa olevan virtuaalista, lähinnä mittausepätarkkuuksista johtuvaa. Sähköasemilla olevien mittalaitteiden mittaustarkkuus ja numeeristen releiden näytteenottotaajuus eivät tyypillisesti riitä johtolähdön tai koko verkon fysikaalisesti oikean maakonduktanssin määrittämiseen em. menetelmällä. Sähköverkon lähdön sähköisen eristystilan valvonnassa päästään 10 herkempään ilmaisuun jos lähdön normaalitilan vuotoresistanssia ei tarkastella ollenkaan, vaan vikaresistanssin laskennassa käytetään ainoastaan lähdön maasuskeptanssia ja summavirran loiskomponenttia. Tällöin maasulkuvikojen indikoinnissa päästään huomattavasti suurempien vikaresistanssien ilmaisuun kuin aikaisemmin tunnetuilla menetelmillä. Kaavan 1 avulla laskettu maasuskeptanssi vastaa 15 tehtyjen kenttämittausten ja niistä saatujen kokemusten mukaan varsin hyvin lähdön sähköistä pituutta.

Lähtöjen nollasuskeptanssit B0 päivitetään aina pienivikaresistanssisten maasulkujen yhteydessä. Tarvittaessa voidaan hyödyntää myös verkkotiedoista laskettuja B0:n 20 arvoja. Keksinnön mukainen menetelmä ei ole herkkä lähdön nollasuskeptapssin virheelle, koska viallisen vaiheen määrittämisessä ei tarvita B0:n arvoa ollenkaan ja myös vikaresistanssin suuruusluokka kertoo vian olemassaolosta.

*.

Seuraavassa on esitetty menetelmä sähköverkon lähdön sähköisen eristystilan 25 määrittämiseksi vikaresistanssin avulla, jossa menetelmässä vikaresistanssi lasketaan johtolähtökohtaisesti. Koska laskennassa käytetään ainoastaan lähdön terveen tilan maa-admittanssin imaginääriosaa eli maasuskeptanssia täytyy myös lähdön summavirrasta erottaa loiskomponentti. Lähdön summavirrassa on myös maakapasi tanssien epäsymmetriasta aiheutuva komponentti. Koko verkon tasolla maakapasitanssien 30 epäsymmetria aiheuttaa verkkoon pienen nollajännitteen myös normaalitilan aikana. Maakapasitanssien epäsymmetrian vaikutus täytyy eliminoida sekä nollajännitteestä että 108168 10 lähtöjen summavirroista. Siten laskenta palautetaan vastaamaan symmetristä alkutilannetta.

Laskenta käynnistyy verkon nollajännitteen muutoksesta. Nollajännitteen muutos 5 lasketaan seuraavasta kaavasta 2. Jos nollajännitteen muutos aiheutuu maasulusta, AU0 merkitsee maasulusta aiheutuvaa nollajännitettä (kuvio 1), koska mitatusta maasulun aikaisesta nollajännitteestä vähennetään terveen tilan nollajännite. Tämä eliminoi kapasitanssiepäsymmetrian vaikutuksen mitattuun nollajännitteeseen. Kun AU0:n itseisarvo ylittää määritellyn kynnysarvon U0k, käynnistyy viallisen vaiheen määritys ja 10 vikaresistanssin laskenta kaikilla lähdöillä. Vektoria Δϋ, käytetään laskennassa myös referenssivektorina.

|At/0| = (c/0«-Uo'|Äl/oi (2) 15 U0' = mitattu nollajännite ennen muutosta (verkon normaalitila)

UflM = mitattu nollajännite muutoksen jälkeen (verkon vikatila)

Vikaresistanssi lasketaan kullekin lähdölle seuraavasta kaavasta, joka toimii sekä maasta erotetussa että kompensoidussa verkossa. Kaikki alleviivatut suureet ovat 20 vektoreita. Laskennassa käytetyt vektorit on määritetty samanaikaisilla mittauksilla. Vikaresistanssin laskenta tapahtuu vaihekohtaisesti viallisen vaiheen jännitteen avulla.

* · R l^lsingy,, F‘ |Δ/0ι j sin φ/0. + Ä0, [Δ£/0| 25 A/0i = Zo2i " —01/ (4) RFi = lähdön i vikaresistanssi

UvF = viallisen vaiheen j a maan välinen j ännite cpUvF = viallisen vaiheen jännitevektorin UvF ja vektorin AUq välinen vaihekulma 30 ΔΙ0ι = lähdön i summavirran muutos 108168 11 Ιου = lähdön i summavirta ennen nollajännitteen muutosta I0?; = lähdön i summavirta nollajännitteen muutoksen jälkeen <pjo. = vektorien ΔΙ^ ja AU,, välinen vaihekulma

Boj = lähdön i kolmen vaiheen yhteenlaskettu maasuskeptanssi (maa-admittanssin 5 imaginääriosa)

Kuvattu menetelmä voidaan toistaa jaksoittain mielivaltaisina myöhempinä ajankohtina RF:n laskemiseksi niin, että lähtöä tai lähtöjä voidaan valvoa jatkuvasti. Kun vikaresistanssi RF alittaa sille asetellun kynnysarvon RFk lähtö tulkitaan vialliseksi. RF 10 voidaan määrittää lyhimmillään verkkojakson pituuden mittaisin välein siten, että myös lyhytkestoiset ohimenevät maasulut voidaan tunnistaa.

Sähköverkon renkaassa käytettyjen lähtöjen sähköisen eristystilan määrittäminen 15 Suuijännitteinen sähkönjakeluverkko on rakennettu normaalisti rengasmaiseksi vian aikaisten varasyöttömahdollisuuksien aikaansaamiseksi ja verkon luotettavuuden parantamiseksi. Seuraavassa tarkastellaan kahden renkaaksi kytketyn, samalta sähköasemalta syötetyn lähdön maasulun indikointia (kuvio 3).

20 Hyvin suuriresistanssiset maasulut voidaan indikoida rengaslähdön tapauksessa saman algoritmin (kaava 3) mukaisesti kuin säteittäisen lähdön tapauksessa. Ainoa ero on se, että säteittäisen lähdön nollavirran asemasta käytetään renkaaseen kytkettyjen lähtöjen nollavirtojen summaa. Vikaresistanssi lasketaan kaavasta 5 lähtöjen A ja B ollessa kytkettynä renkaaksi kuvion 3 merkintöjä käyttäen. Menetelmä toimii sekä maasta 25 erotetussa että kompensoidussa verkossa. Lähtöjen A ja B nollavirtojen summasta käytetään ilmaisua "rengaslähtöjen kokonaissummavirta".

* R _ ^|«ηφ^ \AI0AB\sin(pI<)AB + B0r\AU0\ 30 Δί/0 =U0Ai -Uq' (6) 108168 12 ΔΙοΑΒ = (ΐθΑ2 + ίθΒ2 ) - UcMl + ΖθΒ1 ) Ο) <Pi/0=arg(U0M-U0'), φ/(Μβ = arg(AZ0^) - φυο (8) 5 RFi = rengaslähdön i vikaresistanssi

Uo' = verkon nollajännite ennen muutosta UoM = verkon nollaj ännite muutoksen j älkeen IoA, = rengaslähdön A summavirta ennen nollajännitteen muutosta

Job, = rengaslähdön B summavirta ennen nollaj ännitteen muutosta 10 Ioa2 = rengaslähdön A summavirta nollaj ännitteen muutoksen jälkeen

Iob2 = rengaslähdön B summavirta nollajännitteen muutoksen jälkeen tpy = vektorin AUq vaihekulma φ, = vektorien ΔΙοΑΒ ja AU0 välinen vaihekulma B0r = renkaaksi kytketyn lähdön (kuvio 3: A+B) yhteenlaskettu maasuskeptanssi 15 (kolmen vaiheen summa)

Vikaresistanssin laskenta tapahtuu vaihekohtaisesti viallisen vaiheen jännitteen avulla. Rengaskytkentä ei vaikuta viallisen vaiheen päättelyyn, vaan se tehdään vaihejännitteiden ja nollaj ännitteen avulla siten kuin seuraavassa on esitetty.

20

Viallisen vaiheen määrittäminen maasta erotetussa verkossa

Kun AUoin itseisarvo ylittää sille määritellyn kynnysarvon, ensimmäinen tehtävä on viallisen vaiheen määrittäminen. Viallisen vaiheen päättely tapahtuu hieman eri tavalla 25 maasta erotetussa ja kompensoidussa verkossa. Viallisen vaiheen päättely on jo sinänsä ; . herkkä maasulun indikointimenetelmä.

• «

Kuvioon 1 on piirretty vektoreina maasta erotetun verkon symmetriset vaihejännitteet, terveen tilan epäsymmetriset vaihejännitteet, maasulun aikaiset epäsymmetriset 30 vaihejännitteet, terveen tilan aikana mitattava nollajännite, maasulun aikana mitattava nollajännite sekä symmetristä alkutilaa vastaava maasulun aikainen nollajännite. Maasta 13 108168 erotetussa verkossa nollajännite ja viallisen vaiheen jännite piirtävät puoliympyrän kaaren vikaresistanssin funktiona. Tämä merkitsee sitä, että viallisen vaiheen jännite on maasulun aikana vikaresistanssin suuruudesta riippumatta 90° edellä symmetristä alkutilaa vastaavaa nollajännitettä (AUq). Käytännössä verkossa esiintyy myös 5 normaalitilassa pieni nollajännite maakapasitanssien epäsymmetriasta johtuen, jolloin myös terveen tilan vaihejännitteet ovat epäsymmetriset. Kun vian aikana mitatusta nollajännitteen vektorista vähennetään ennen vikaa mitatun nollajännitteen vektori, saadaan tulokseksi symmetristä alkutilaa vastaava nollajännite. Vialliseksi vaiheeksi tulkitaan se, jonka vaihejännite on likimain 90° edellä referenssivektoria AU0. 10 Käytännössä vaihtelu voi olla raja-arvon ympärillä muutamia asteita mittausepätarkkuuksien vuoksi. Tällöin vaiheiden jänniteosoittimien kulmat nollajännitteeseen nähden ovat seuraavat, jos vaihe 1 oletetaan vialliseksi. Kaavat on laskettu ideaalisen tilan mukaisesti (90°).

15 cp^ = 90°, φϋν = -120° = -30°, - 240° = -150° (9)

Kuvion 1 merkintöjen selitykset: 1,2,3 = vaihetunnukset 20 U0' = terveen tilan nollajännite U0M = maasulun aikana mitattava nollajännite m ' AU0 = symmetristä alkutilaa vastaava maasulun aikainen nollajännite U,, U2, U3 = symmetriset vaihejännitteet Ui', U2', U3' = epäsymmetriset terveen tilan vaihejännitteet 25 U1F, U2F, U3F = epäsymmetriset maasulun aikaiset vaihejännitteet .. Viallisen vaiheen ja maan välinen jännite maasulun aikana ei riipu verkon kapasitanssiepäsymmetriasta eikä terveen tilan nollajännitteestä (kuvio 1). Symmetristä alkutilaa vastaava nollajännite AU,, voidaan laskea seuraavasta kaavasta.

W0 = U0M-U0 (10) 30 14 108168

Viallisen vaiheen määrityksessä ja vikaresistanssin laskennassa käytetään symmetristä alkutilaa vastaavaa nollajännitettä, koska ainoastaan silloin kulmaehto (9) on voimassa.

Terveen tilan nollajännitteen ja vian aikaisen nollajännitteen osoittimet tunnetaan 5 mittausarvoina. Maasta erotetussa verkossa kaavan 3 osoittaja on positiivinen viallisen vaiheen tapauksessa ja negatiivinen terveiden vaiheiden tapauksessa. Tätä voidaan käyttää viallisen vaiheen tarkistuksena.

Symmetristä alkutilaa vastaava AUq voidaan määrittää vaihtoehtoisesti myös toisella 10 tavalla. Mitataan jatkuvasti verkon pääjännitteitä, jotka eivät muutu maasulun seurauksena. Pääjännitteiden avulla voidaan määrittää symmetriset vaihejännitteet U„ U2 ja U3. Pääjännitteiden pitäisi olla likimain samoja sekä terveessä tilassa että maasulun aikana. Käytännössä pääjännitteiden itseisarvot eroavat toisistaan hieman mittausepätarkkuuksista johtuen. Jännitteessä voi olla myös hieman vastakomponenttia.

15 Vaihejännitteen itseisarvona voidaan käyttää esimerkiksi kolmen pääjännitteen keskiarvosta laskettua vaihejännitettä.

20 Symmetristen vaihejännitteiden U„ U2, U3 (kuvio 1) itseisarvoiksi asetellaan kaavasta 11 laskettu |Uj|:n arvo ja vaihekulmat asetetaan vastaamaan symmetristä tilannetta. U,:n • · kulma on terveessä tilassa vektorin (U,1 - ϋο') vaihekulma tai maasulun aikana vektorin (U1F - (Uom - Uo')) kulma. Vaihejännitteiden kulmat asetellaan ideaaliseen arvoonsa, esim. arg(U,) = 30°, arg(U2) = -90°, arg(U3) = 150°. Kun vaihejännitteiden itseisarvot 25 ja vaihekulmat määritetään em. tavalla päästään laskennassa hyödyntämään ideaalisen symmetrisiä jännitteitä. Tällöin symmetristä lähtötilannetta vastaava nollajännite AU0 voidaan määrittää suoraan viallisen vaiheen mitatun jännitteen ja em. tavalla lasketun symmetrisen vaihejännitteen avulla (kuvio 1, kaava 12).

30 υϋ=υχρ-υ\=νιρ-1ί2=ν·ιρ-ν·ι (12) r 108168 15

Hyvin suuriresistanssisen maasulun aikana vaihejännitteet U1F, Ujp ja U3F ovat lähellä terveen tilan arvoja, joten niiden suhteen mittaustarkkuus on hyvä. Jos nollajännite AUq lasketaan muutoksena kaavan 10 avulla, suurin mittausepätarkkuus kohdistuu laskettuun AU„:n arvoon. Tämä johtuu siitä, että mitattavat nollajännitteen arvot ovat 5 yleensä pieniä.

Viallisen vaiheen päättely em. menetelmällä on jo sinänsä herkkä vian indikointimenetelmä. Verkon kapasitanssiepäsymmetriasta aiheutuva terveen tilan nollajännite U,,' voi olla minkä suuntainen tahansa. Jos verkon nollajännite muuttuu 10 johtopituuden tai epäsymmetrian muutoksen seurauksena, voi sattumalta käydä niin, että jokin vaihejännite on 90° edellä nollajännitteen muutosvektoria AU,,. Tällaisen tilanteen todennäköisyys on pieni, mutta viallisen vaiheen päättely ei yksinään ole täysin riittävä ehto vian olemassaololle. Vikaresistanssin suuruus paljastaa tällöin, että mikään lähdöistä ei ole viallinen. Viallisen vaiheen päättely toimii ennakkoehtona 15 vikaresistanssin laskennalle.

Viallisen vaiheen määrittäminen kompensoidussa verkossa

Kuvioon 2 on piirretty kompensoidun verkon symmetriset vaihejännitteet, terveen tilan 20 epäsymmetriset vaihejännitteet, maasulun aikaiset epäsymmetriset vaihejännitteet, terveen tilan nollajännite, symmetristä alkutilaa vastaava maasulun aiheuttama • nollajännite ja maasulun aikana mitattava nollajännite. Jännitteiden symbolit ovat samat kuin kuviossa. 1. Nollajännite ja viallisen vaiheen jännite piirtävät vikaresistanssin funktiona kaaren, jonka säde riippuu verkon kompensointiasteesta. Ylempi 25 puoliympyrän kaari vastaa maasta erotettua tilannetta ja alempi puoliympyrän kaari ääretöntä ylikompensointia.

* ·

Kompensoidussa verkossa viallisen vaiheen päättely on mutkikkaampaa kuin maasta . erotetussa verkossa. Viallisen vaiheen jännitteen vaihekulma nollajännitteeseen 30 AUq nähden voi olla alikompensoidussa verkossa välillä 90°...180° ja ylikompensoidussa verkossa välillä -90°...-180°. Alhaisella kompensointiasteella vaihekulma cp^ lähestyy 90° ja reilusti ylikompensoidussa tilanteessa -90°. Kun 108168 maadoituskuristin on viritetty hyvin lähelle resonanssia, kulma on lähellä 180°.

Viallisen vaiheen päättely em. menetelmällä ei ole yhtä hyvä vian indikointimenetelmä kuin maasta erotetun verkon viallisen vaiheen päättely. Muista syistä kuin maasulusta aiheutuvat nollajännitteen muutokset johtavat todennäköisemmin siihen, että jonkin 5 vaiheen jännitteen vaihekulma nollajännitteeseen AU0 nähden on sellaisella alueella, että ko. vaihe tulkitaan vialliseksi. Tällöin laskettu vikaresistanssi paljastaa lähdön olevan terve. Menetelmä paljastaa siis sen vaiheen, joka voi olla viallinen. Kulman «Pu avulla voidaan päätellä myös, onko verkko ali- vai ylikompensoitu. Jos todetaan, että verkossa on maasulku, kulman cp^ avulla voidaan määrittää myös verkon 10 kompensointiaste. Tästä on hyötyä varsinkin silloin kun, verkossa on kiinteää (ei säädettävää) kompensointia joko sähköasemalla tai hajautetusti verkossa, eikä kelojen nollavirroista ole mittaustietoa käytettävissä. Tällöin verkon kompensointiasteen tarkka määrittäminen muilla keinoilla on vaikeaa.

15 Kun verkko on viritetty resonanssiin nollajännitteen (AU0) vektori on vastakkaissuuntainen viallisen vaiheen symmetriseen vaihejännitteeseen verrattuna. Täysin kompensoidussa symmetrisessä jäijestelmässä viallisen vaiheen jännite on aina alhaisin, koska jäännösvirta on tällöin täysin resistiivistä. Myös tätä voidaan käyttää varmistavana keinona viallisen vaiheen määrittämisessä, jos verkko on mahdollista 20 säätää resonanssiin.

Yhteenveto

Esitellyllä menetelmällä päästään suoritettujen kenttäkokeiden mukaan vähintään 25 190 kQ ilmaisuherkkyyteen. Kaavojen 3 ja 5 määrittelemä vikaresistanssin laskentaan perustuva menetelmä toimii sekä maasta erotetussa että kompensoidussa verkossa. Menetelmän mukainen laskenta toimii sekä säteittäisen lähdön tapauksessa että renkaaksi kytkettyjen lähtöjen tapauksessa. Jokaiselle tarkasteltavalle lähdölle tarvitaan monitoimireleet (kennoterminaalit). Mittaustietoina tarvitaan tyypillisesti yksi 30 pääjännite, nollajännite, vaihejännitteet ja lähtöjen summavirrat. Kaikki em. mittaukset ovat käytettävissä kaikilla sähköasemilla.

108168 17

Keksintö ei luonnollisesti rajoitu esitettyihin suoritusesimerkkeihin vaan käsittää kaikki suoritusmuodot, jotka ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten asettamissa rajoissa. Eri menetelmiä voidaan käyttää rinnakkain mahdollisimman luotettavan 5 indikaation aikaansaamiseksi.

Tässä esityksessä alleviivatulla symbolilla (esimerkiksi AU,,) tarkoitetaan vektoria. Laskennassa käytetyt vektorit (vaihekulmat ja itseisarvot) on määritetty käytännön mittaustekniikan tarkkuudella samanaikaisilla mittauksilla.

10 Lähteet: (Lei97) : Leitloff V. et.al. : Detection of resistive single-phase earth fault in a compensated power-distribution system. ETEP Vol. 7, No 1, January/February 15 1997.

♦

Claims (7)

18 108168 «

1. Menetelmä sähköverkon lähdön tai haaran sähköisen eristystilan määrittämiseksi, jossa menetelmässä 5 - lasketaan nollajännitteen muutoksen itseisarvo vektorimuodossa verkon muutostilanteessa, jolloin Uq' = mitattu nollajännite ennen muutosta ja U0M = mitattu nollajännite muutoksen jälkeen, - verrataan laskettua arvoa |Δ£/0| ennalta määriteltyyn kynnysarvoon |Δ£/0| > Uok, 10. mikäli nollajännitteen muutos on kynnysarvoa suurempi, aloitetaan viallisen vaiheen määritys, tunnettu siitä, että 15. määritetään mikä on viallinen vaihe mitattujen vaihejännitteiden ja nollajännitteen Δυο = U0M - Uo' (kaava 6 tai 10) avulla, - lasketaan viallisen vaiheen vikaresistanssi RF jokaiselle lähdölle kaavan It/Jsinq^ . Rf - |---1 avulla, jossa \^Lo\sin<pI()+B0\AU0\

20 UvF = viallisen vaiheen ja maan välinen jännite = viallisen vaiheen jännitevektorin UvF ja vektorin ΔΙ^ välinen vaihekulma ΔΙ0 = lähdön summavirran muutos nollajännitteen muutoksen seurauksena φ; = vektorien ΔΙ0 ja AU0 välinen vaihekulma B0 = lähdön kolmen vaiheen yhteenlaskettu maasuskeptanssi (maa-admittanssin 25 imaginääriosa), vialliseksi lähdöksi tulkitaan se, jonka vikaresistanssi (RF) on aseteltua kynnysarvoa (RFk) pienempi (RF <RFk)Ja pienivikaresistanssisen vian tapauksessa verrataan lähtöjen laskettuja RF:n arvoja ja 30 vialliseksi lähdöksi valitaan se, jonka vikaresistanssi on pienin. 108168 19

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä sähköverkon lähdön tai haaran sähköisen eristystilan määrittämiseksi, tunnettu siitä, että 5. määritetään mikä on viallinen vaihe mitattujen vaihejännitteiden ja nollajännitteen AUq = Uom - Ho' (kaava 6 tai 10) avulla, - lasketaan viallisen vaiheen vikaresistanssi RF jokaiselle lähdölle kaavan IC/vJsintpM „ Rf = .-}----r (kaava 3) avulla, jossa |A/0l.|sincp/o. +50ί|Δ£/0|

10 UvF = viallisen vaiheen ja maan välinen jännite yUvF = viallisen vaiheen jännitevektorin UvF ja vektorin AU0 välinen vaihekulma ΔΙοι = lähdön i summavirran muutos nollajännitteen muutoksen seurauksena cp/o = vektorien AIq; ja AUq välinen vaihekulma B0i = lähdön i kolmen vaiheen yhteenlaskettu maasuskeptanssi (maa-15 admittanssin imaginääriosa), vialliseksi lähdöksi tulkitaan se, jonka vikaresistanssi on aseteltua kynnysarvoa pienempi (RF< RFk), ja pienivikaresistanssisen vian tapauksessa verrataan lähtöjen laskettuja RF:n arvoja ja 20 vialliseksi lähdöksi valitaan se, jonka vikaresistanssi on pienin. * t

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä sähköverkon renkaaksi kytketyn lähdön eristystilan määrittämiseksi, tunnettu siitä, että 25. määritetään mikä on viallinen vaihe mitattujen vaihejännitteiden ja nollajännitteen * ; AUq = UoM - Uq' (kaava 6 tai 10) avulla, - lasketaan viallisen vaiheen vikaresistanssi RF jokaiselle lähdölle kaavan R (5) Λ |ΔίοχίΙ«ηφ;^+ΒθΓ|Δί;0| 108168 20 avulla, jossa mo=HoM-Ulo (6) 5 ΔίοΑΒ = {LoA2 + ΖθΒ2 ) _ (j-OAl + LoBl) O) <Pu0 = argfcw - U-o '1 <P,„AB = afg(&l0AB ) - <PvB (8)

10 RFi = rengaslähdön i vikaresistanssi Uo’ = verkon nollajännite ennen muutosta U0M = verkon nollajännite muutoksen jälkeen I0A1 = rengaslähdön A summavirta ennen nollajännitteen muutosta Iobi = rengaslähdön B summavirta ennen nollajännitteen muutosta 15 ΙθΑ2 = rengaslähdön A summavirta nollajännitteen muutoksen jälkeen Iqb2 = rengaslähdön B summavirta nollajännitteen muutoksen jälkeen φu - vektorin AUq vaihekulma φ!0AB = vektorien ΔΙοΑΒ välinen AUq vaihekulma B0r = renkaaksi kytketyn lähdön (kuvio 3: A+B) yhteenlaskettu maasuskeptanssi 20 (kolmen vaiheen summa). • i

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että maasta erotetussa verkossa vialliseksi tulkitaan se vaihe, jonka vaihejännite on likimain 90° edellä nollajännitteen muutosvektoria AU0 = UoM-Uo’· 25

·’ 5. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että « kompensoidussa verkossa vialliseksi tulkitaan se vaihe, jonka jännitteen kulma on tietyllä ennalta määritellyllä alueella nollajännitteen muutosvektoriin AU0 nähden.

6. Menetelmä viallisen vaiheen määrittämiseksi maasta erotetussa verkossa, jossa menetelmässä 108168 21 - lasketaan nollajännitteen muutoksen itseisarvo |ΔΪ/0| = |t/0Ai —1/0 vektorimuodossa verkon muutostilanteessa, - määritetään vaihejännitteet vektorimuodossa, 5 tunnettu siitä, että - vialliseksi tulkitaan se vaihe, jonka vaihejännite on likimain 90° edellä nollajännitteen muutosvektoria AUq = U„M - Uo'.

7. Menetelmä viallisen vaiheen määrittämiseksi kompensoidussa verkossa, jossa menetelmässä - lasketaan nollajännitteen muutoksen itseisarvo |Δ£/0( = U0M -U0 vektorimuodossa verkon muutostilanteessa, 15 tunnettu siitä, että - vialliseksi tulkitaan se vaihe, jonka vaihejännitteen kulma on tietyllä ennalta määritellyllä alueella nollajännitteen muutosvektoriin AUq nähden. ·· * · 22 10 8168