Ylijännitteet

Transcription

Ylijännitteet

BL20A0300
Suurjännitetekniikka
Ylijännitteet
Jarmo Partanen
• Energiatekniikka
• Sähkötekniikka
• Ympäristötekniikka
1
J.Partanen
www.lut.fi/lutenergia
Ylijännitelajit
1) Jyrkät ylijännitteet
– nousu- ja kestoajat mikrosekuntien suuruusluokkaa
– yleensä ukkosen aiheuttamia
– esiintymiseen ei juuri voida vaikuttaa
2) Loivat ylijännitteet:
– kesto millisekuntien luokkaa (< 50 Hz jakso)
– yleensä seuraus kytkentätoimenpiteestä tai viasta
– voidaan ehkäistä komponenttivalinnoilla tai lisäämällä sopivia
vaimennuskomponentteja
3) Pienitaajuiset ylijännitteet
– värähteleviä, pitkäkestoisia
– yleensä kytkentätoimenpiteen tai vian seurauksena
– voidaan ehkäistä sopivilla komponenttivalinnoilla ja
järjestelmäsuunnittelulla
2
J.Partanen
Ylijännitelajit
3
J.Partanen
Ukkospilvi
• Syntymisen edellytyksenä:
–
–
–
–
voimakkaat pystyvirtaukset
suuri ilmamassojen kosteus
ilmamassaukkonen, rintamaukkonen
sähkövaraukset erottuvat pystyvirtausten vaikutuksesta
• Sähkövaraukset:
– pilvessä jopa GV suuruusluokkaa olevia potentiaalieroja
– influsoivat maan pinnalle vastakkaismerkkisen varauksen
– maan pinnalla sähkökentänvoimakkuudet jopa useita kV/m
• Salama:
– useimmiten pilven negatiivisesta osasta maahan
– kanavapurkaus etenee 50 – 100 m jaksoissa maata kohti
– yksi tai useammat pääpurkaukset purkavat pilven varauksen
4
J.Partanen
Ukkospilvi
Poikkileikkaus ukkospilvestä (cumulonimbus)
5
J.Partanen
Salamapurkaus
Salamapurkauksen eri vaiheet
6
J.Partanen
Salamapurkaus
Salamapurkauksen kehittyminen
7
J.Partanen
Salamapurkaus
Salamavirran nousuajan
jakautuma
Salamavirtojen
kumulatiivinen jakautuma
8
J.Partanen
Salamapurkaus
Alaspäin suuntautuvien negatiivisten salamapurkausten tilastollisia ominaisuuksia.
Parametri
Täsmennys
Todennäköisyys, jolla taulukkoarvo ylitetään
95 %
50 %
5%
Virran huippuarvo
I, kA
pääpurkaus
jälkipurkaus
14
5,2
31
12
69
29
Purkauksen varaus
Q, C
pääpurkaus
jälkipurkaus
koko purkaus
1,1
0,2
1,3
5,2
1,4
7,5
24
11
40
Rinnan maksimijyrkkyys
Smax , kA/ s
pääpurkaus
jälkipurkaus
11
7,2
27
40
49
120
Rinnan keskimääräinen
jyrkkyys
Sav , kA/ s
pääpurkaus
jälkipurkaus
1,7
3,3
5,0
15
14
72
Joule-integraali
i2dt , A2s
pääpurkaus
jälkipurkaus
6,0 · 103
5,5 · 102
5,5 · 104
6,0 · 103
5,5 · 105
5,2 · 104
Salaman energia on 10-50 kWh
9
J.Partanen
Vuosittaisten ukkospäivien
lukumäärä
10
J.Partanen
Suuntimisasemat
Salaman suuntimisasemat
(DF, musta) v. 1989 ja
salamanlaskijat v. 1988.
11
J.Partanen
Paikannetut salamat
Paikannetut salamat sataa neliökilometria kohti (oik.) ja vastaavat
ukkospäivät (ainakin 2 salamaa / vrk) (vas.) keskimäärin vuosina 1987-1989
12
J.Partanen
Paikannetut salamat
Paikannetut salamat kesällä 1989.
Negatiiviset salamat on merkitty
pisteellä, positiiviset +-merkillä.
Ilmatieteen laitoksen salamapaikannin.
Aika 890426 18:35-890925 09:15 GMT.
Leveysasteet 57.00-67.50, pituusasteet
16.00-31.50. Kartalla on 29814 salamaa.
13
J.Partanen
Salamapaikannuksen edut
• Ukkosrintamien liikkeiden seuranta:
– töiden keskeytys riskialttiilla johto-osuuksilla
– korjaushenkilökunta hälytysvalmiuteen
– varautuminen rinnakkaisten siirtoreittien käyttöönottoon
• Salamaniskujen paikannus:
vikapartio voidaan ohjata oikeaan paikkaan
luotettavampi vikatilastointi
pitkällä aikavälillä tietoa ukkosalttiista paikoista
salamavirran huippuarvojen ja kerrannaisuustietojen
hyväksikäyttö suojauslaskelmissa
– luotettavammat riskianalyysit
–
–
–
–
14
J.Partanen
Häiriö- ja salamatietojen
vertailu
LKW
400
Forssa
300
Naantali
200
Lieto
Salo
100
Parainen
0
Syy
110 kV johdolla Lieto – Forssa on ollut
johtohäiriö. Kuvassa on tulostettu
salamat häiriöaikana ± 1 min.
Johtohäiriö on ollut salaman aiheuttama.
80
81
82
83
84
henkilökunta
tuntematon
luonnonilmiöt
85
86
87
88
varusteet
ukkonen
muut
Häiriöitä aiheuttaneet 110 kV johtoviat syittäin
v. 1980-88.
15
J.Partanen
Salaman vaikutukset
1) Lämpövaikutukset
– suojajohdon lämpötilan nousu (Joule-integraali)
– metallin puhkomiskyky
– lämpöisku huonosti johtavassa tai eristävässä materiaalissa (kosteus
höyrystyminen
pirstoutuminen)
2) Mekaaniset vaikutukset
– johtimia yhteen painava voima
– mutkan tekevä johdin pyrkii suoristumaan
3) Sähköiset vaikutukset
– pelkkä ukkospilvien varaus voi aiheuttaa koronaa (Elmon tulet)
radiohäiriöt
– Ukkosylijännitteet (syöksyaallot), maasulku
– indusoituneet jännitteet
– influenssijännitteet
16
J.Partanen
Salamointi, ilmastolliset
ylijännitteet
• Merkittävä vikojen aiheuttaja siirto- ja jakeluverkossa
– sähköntoimituksen keskeytykset
– laitevauriot
• Häiriöiden ja vauriokustannusten minimoimiseksi
– osattava ennakoida
– osattava suojautua
17
J.Partanen
Ilmastolliset ylijännitteet
• Syntyvien ylijännitteiden kannalta tärkeitä:
1)
2)
–
–
–
–
–
ukkospäivien lukumäärä (kerauninen taso)
salamoiden esiintymistiheys
salamavirran suuruus
salamavirran rinnan jyrkkyys
esipurkauksen viimeisen portaan etäisyys maasta
–
–
–
–
johdon aaltoimpedanssi
johdon eristystaso
suojalaitteet
maadoitukset
1
iZ 0
2
U
1) Voidaan ennakoida ja varautua mutta ei vaikuttaa!
2) Voidaan vaikuttaa!
18
J.Partanen
Suojautuminen ilmastollisilta
ylijännitteiltä
• Ukkosjohtimet
– tehokas maadoitus
– suojauskulma
• Suojakipinävälit
–
–
–
–
jakelumuuntajat (< 200 kVA)
jyrkkä katkaisu
maasulku
jyrkillä aalloilla ylilyöntijännite kasvaa
• Venttiilisuojat
– MO-suojia, käytössä myös vanhoja kipinävälisuojia
– pehmeä toiminta
19
J.Partanen
Suojautuminen ilmastollisilta
ylijännitteiltä
• Sähköasemalle saapuvien ylijänniteaaltojen jyrkkyyden ja lakiarvon
todennäköisyysjakaumiin vaikuttavat:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
salamaniskutiheys
salamapurkausvirta
salamapurkausvirran jyrkkyys
käyttötaajuisen jännitteen hetkellisarvo
salamaniskukohdan etäisyys sähköasemasta
salamakanavan etäisyys johdosta
johdon aaltoimpedanssi
johdon vaimennusominaisuudet
pylväslaji ja pylvään korkeus
johdon läheinen maasto
johdon suojaus
pylväsmaadoitukset
johdon eristystaso
20
J.Partanen
Ukkosylijännitteet
1) Suora salamanisku
– tyypillisesti muutamia MV
– voidaan ehkäistä ukkossuojauksella
2) Takaisku
– isku maadoitettuun osaan
– suuri maadoitusimpedanssi voi aiheuttaa niin suuren jännitteen, etä
eristys pettää ”nurinpäin”
– voidaan ehkäistä tehokkaalla maadoituksella (Suomen oloissa
hankalaa)
3) Välilliset ylijännitteet
– salamapurkauksen varausten vaikutuksesta
– sähkömagneettinen induktio salamavirran vaikutuksesta
– merkittävä vain < 24 kV jännitetasoilla
21
J.Partanen
Pylväsrakenteita
A) Suora isku
B) takaisku
22
J.Partanen
Takaiskujen suhteellinen osuus johtoon osuneiden salamaniskujen
määrästä pylvään maadoitusresistanssin funktiona ja vaihejohtimen
näennäisen eristystason Uwekv eri arvoilla.
23
J.Partanen
110 ... 400 kV johtojen ja
johto-osien syöksyaaltoominaisuuksia
johdin
aaltoimpedanssi
aallon nopeus
m/ s
salamanura
(100 ... 10 kA)
400 ... 800
150 ... 250
yksinkertainen
virtajohdin
430
250
parivirtajohdin
330
265
ukkosjohdin
470
240
2 ukkosjohdinta
280
240
pylväs
50 ... 250
290
suora johdinelektrodi
170
100
24
J.Partanen
Salamaiskun magneettinen
induktio ylijännitteen
aiheuttajana
25
J.Partanen
Ukkospilven johtoon
synnyttämä varaus
26
J.Partanen
Ukkossuojaus, ukkosköydet
Salamaniskut pyritään ohjaamaan maadoitettuihin
suojajohtimiin
– Suomessa kaikki 400 ja 220 kV johdot ja lähes kaikki 110 kV
johdot
– sähköasemat ja niille tulevat johdot
– takaiskujen vaara huonoissa maadoitusolosuhteissa
– suojauskulma riippuu johdon geometriasta
27
J.Partanen
Ukkossuojaus
ukkosjohdin
rS
c
rS
salamapurkauskanava
vaihejohdin
suojauskulma
y
maa
28
J.Partanen
Suojauskulma
• Salamapurkauskanavan viimeisen portaan pituus määräytyy
purkausvirrasta
– pieni purkausvirta
lyhyt porras
– viimeisen portaan pituus rs
iCO
6
s
CO
r
2i
• Suojauskulma
30(1 e
)
(m)
(virta kA)
riippuu johdon geometriasta
• Mitä pienempi on salamapurkauksen virta sitä helpommin isku
ohittaa suojajohdot ja suuntautuu vaihejohtimeen!
iCO = 10 kA
rs = 44 m
29
J.Partanen
Ukkosköyden sijoitus
1
Tavoitteena, että pilvestä
lähestyvälle suurivirtaisen
salaman purkauskanavalle
matka 2 olisi ’aina’
suurempi kuin 1 tai 3.
Tällöin salamaisku on osu
vaihejohtimeen.
2
3
30
J.Partanen
Kytkentäylijännitteet
Kytkentäylijännitteet (rinnan nousuaika muutama sata s) syntyvät
tasoitusilmiöiden seurauksena verkon äkillisissä tilan muutoksissa
Vikatilanteet:
• johtimen katkeaminen
• oikosulku
• epätahtitilanne
Kytkentätoimenpiteet:
• virtapiirin avaaminen
• virtapiirin sulkeminen
• Eivät pienene (suhteellisesti) käyttöjännitteen kasvaessa
• Eristysrakenteen jännitelujuuden minimi on kytkentäjännitteen
aika-alueella
kytkentäylijännitteet ovat merkittävä mitoitustekijä suurilla
(>300 kV) käyttöjännitteillä.
31
J.Partanen
Eristysrakenteen jännitelujuus kV/cm ylijännitteen rinnan nousuajan
funktiona
32
J.Partanen
IEC-standardien koejännitteiden
suhde nimellisjännitteisiin
Um = suurin sallittu käyttöjännite
Uw = kestojännite
LI = koejännite ilmastollisilla
ylijännitteillä
AC = koejännite vaihtojännitteillä
SI = koejännite kytkentäjännitteellä
Pisteet osoittavat valittavissa olevia
vaihtoehtoja.
33
J.Partanen
Kytkentäylijännitteiden aiheuttajia
1) Jännitteenanto
2) Virran katkaisu
– kapasitiivisen virran katkaisu
– pienen induktiivisen virran katkaisu
– oikosulkuvirran katkaisu
3) Vian syntyminen ja poistuminen
– maasulun syntyminen (valokaaren syttyminen ja
sammuminen)
– kuorman putoaminen
34
J.Partanen
Jännitteenanto
Merkittävin ylijännitteiden aiheuttaja yli 220 kV käyttöjännitteillä
Syntyvä ylijännite riippuu jäännösvarauksesta
– ei varausta –> 2 p.u.
– jäännösvaraus (esim. pikajälleenkytkentä)
3 p.u.
Syntyvät ylijännitteet voidaan rajoittaa puoleen sulkemisvastuksilla.
35
J.Partanen
a
u
2u
b
c
u
-u
3u
d
36
a)
Jännitteet ennen
katkaisijan sulkeutumista,
johdolla ei
jäännösvarausta.
b)
Katkaisija sulkeutunut,
jännitteenjakauma
kytkentäaallon
heijastuttua johdon
lopusta.
c)
Katkaisija auki, johdolla
jäännösvaraus.
d)
Katkaisija sulkeutunut,
jännitteenjakautuma
kytkentäaallon
heijastuttua yhden kerran
johdon lopusta.
J.Partanen
37
J.Partanen
Keinoja ylijännitteiden
rajoittamiseen jännitteenannossa
• Sulkemisvastukset
– monimutkainen rakenne
– ei Suomessa 400 kV verkossa
• Jäännösvarauksen pienentäminen
– avautumisvastukset
• Tahdistettu kytkentä
– kussakin vaiheessa sulkeminen, kun u=0
• Rinnakkaiskuristimien käyttö
38
J.Partanen
Virran katkaisu
Kapasitiivisen virran katkaisu
tyhjänä käyvän johdon erottaminen
kondensaattoripariston irrottaminen
Ongelma vain katkaisijan jälleensyttymisen yhteydessä; (Palaava jännite ylittää
katkaisijan avausvälin vasta palautumassa olevan jännitelujuuden)
Ylijännitteet voivat olla 1,6 – 2,6 (jopa 3) p.u., jos tapahtuu jälleensyttyminen
Kondensaattoripariston erottamiseen ei saa käyttää jälleensyttyvää
katkaisijaa! (Tyhjökatkaisijat joskus sopimattomia)
39
J.Partanen
Virran ja jännitteen käyttäytyminen
kapasitiivista virtaa katkaistaessa
LS
u (t )
~
2U sin t
i
K
CS
C
uS (t)
uC (t)
ub = us(t) – uc(t) = palaava jännite
= katkaisijan koskettimien yli
vaikuttava jännite
Virran ja jännitteen käyttäytyminen
kapasitiivista virtaa katkaistaessa.
40
J.Partanen
”Pienen” induktiivisen virran katkaisu
cos < 0,5
virta on huomattavasti pienempi kuin katkaisijan katkaisukyky
Aiheuttaa suurimmat ylijännitteet!
muuntajan tyhjäkäyntivirran katkaisu
suurjännitemoottorin käynnistysvirran katkaisu
reaktorin erottaminen
Katkaisukyky >> katkaistava virta
virta leikkautuu jo ennen nollakohtaa
virran katkaisuhetkellä kuormitusinduktanssissa oleva energia jää
värähtelemään LC-piiriin
syntyvät ylijännitteet < 3 p.u., muuntajaa tai reaktoria irroitettaessa
suurjännitemoottorin tapauksessa jopa 7 p.u. (jännitteen jyrkkyys ongelma)
Katkaisijan jälleensyttyminen pienentää ylijännitteitä!
41
J.Partanen
Lk
u (t )
~
t
2U cos
W
1
C S u02
2
1
CS u L max
2
u L max
Ck
K
LS
CS
uL
1
LS i02
2
1
CS u02
2
i0
1
LS i02
2
1
LS i02
2
LS
CS
42
J.Partanen
43
J.Partanen
• Syntyvän ylijännitteen maksimiarvoon vaikuttavat:
– virran ja jännitteen hetkellisarvot kytkentähetkellä
– verkon vaimennusominaisuudet
– kytkinlaitteen ominaisuudet
• Tasoitusvärähtelyjen taajuuteen vaikuttavat:
– verkon induktanssit ja kapasitanssit kytkentäkohdan molemmilla
puolilla
• Ylijännitteiden suuruutta voidaan yleensä rajoittaa
sopivilla katkaisijavalinnoilla ja lisäämällä verkkoon
vaimennusta!
44
J.Partanen
Pienitaajuiset ylijännitteet
1) Maasulku
– yksivaiheinen maasulku yleisin käyttötaajuisen ylijännitteen aiheuttaja
– maasulkukerroin k = f(Z1, Z2, Z0, Rf)
k = 1,8 (12 – 123 kV verkoissa)
k = 1,7 (osittain maadoitettu 123 kV)
k = 1,4 (tehollisesti maadoitettu)
– maasulun aikaiset ylijännitteet otettava huomioon MO-suojia
valittaessa
2) Kuorman äkilliset muutokset
3) Ferranti-ilmiö
4) Resonanssijännitteet
– muuntajan vajaanapainen kytkentä
– jännitemuuntajan kippivärähtely
45
J.Partanen
Kuormituksen irtikytkeytyminen
• Johdon loppupäässä jännite nousee koska:
– jännitteenalennus katoaa
– alkupään syöttöjännite säilyy hetken (säätäjien hitaus)
– kapasitiivinen jännitteennousu
• Ferranti-ilmiö
– johdon kapasitiivinen varausvirta nostaa tyhjäkäyvän johdon
jännitettä johdon avointa päätä kohti.
46
J.Partanen
Resonanssitilat
• Syntyvät vian tai kytkentätapahtuman seurauksena
– jännitteen säröytyminen, jännitetason vaihtelut, eristeiden
lämpeneminen
• Voidaan ennakoida ja ehkäistä sopivilla
komponenttivalinnoilla
47
J.Partanen
Ferroresonanssi
(kippivärähtely)
• Jänniteresonanssi epälineaarisessa L-C-piirissä.
L = L(I), L pienenee kun virta kasvaa
C
L
UC
I
Im
U
UL
(L = vakio)
~
UV
UL
j LI
UC
1
I
j C
UV
UC U L
I
j
1
I
C
Re
C = vakio
Kuristimen ominaiskäyrä
48
J.Partanen
Ferroresonanssi
(kippivärähtely)
U
UC
UL+UC
UL
I
49
J.Partanen
Ferroresonanssi
(kippivärähtely)
U
P2
P1
UV
I3
I1
I2
I
P3
•
•
•
•
P1 : virran tilapäisesti kasvaessa tarvitaan jännite, joka ylittää lähdejännitteen UV
palataan tilaan P1
P2 : virtalisä ei vaadi niin suurta lisäjännitettä kuin UV – UC tarjoaisi
virta kasvaa,
voidaan joutua tilaan P3
P3 : uusi toimintapiste, jossa U ja I erittäin suuret (on tapahtunut ”kippaus”)
Kippaus tapahtuu jokaisen virtajakson aikana!
50
J.Partanen
Ferroresonanssi
(kippivärähtely)
U0
C
L
U
C
C
+U0
UV
-U0
51
Jännitemuuntajan kippivärähtelyssä
esiintyvä (mahdollinen) vaiheen ja
maan välinen jännite U0. UV on
normaali vaihejännite.
J.Partanen
Kippivärähtely
• Alkaa äkillisesti kytkentätoimenpiteen seurauksena
• Lakkaa, kun mukaan kytketään lisää johtoja
• Jännitteet vaiheiden ja maan välillä vääristyneitä
(vaiheiden välillä normaalit)
• Jännitemuuntajissa ylikuumenemista
• Esiintyy sekä verkkotaajuudella että sen yli- ja
aliharmonisilla
52
J.Partanen
Kippivärähtelyn estäminen
• Vaimennuksen lisääminen
• 300
suuruusluokkaa oleva vastus
• Erikoistapauksia varten pienempiä vastuksia
53
J.Partanen

Ylijännitteet

Transcription

Similar documents

Jakelujärjestelmän rakenne 1 Sähköasema ja kytkinlaitos - ao

Ansioluettelo 2014

SEOT55_Tyomaasahkoistys_its_opt - ao

Katso tästä kutsu - Sähkösuunnittelijat NSS ry

Suunnittelu-, konsultointi- ja projektinjohtopalvelut

Vaihtovirrat

Transistorit