Maadoitusjärjestelmien tarkastelu ja laskentamenetelmät Vakka-Suomen Voima Oy:n sähkönjakeluverkossa

Abstract

Sähkönjakeluverkon haavoittuvuus nousi keskusteluihin vuosina 2010 ja 2011, kun Tapani- ja Asta-myrskyt sekä sähkölinjoja alas painaneet lumiset puut aiheuttivat laajoja sähkökatkoja. Näiden laajojen sähkökatkojen jälkeen vaadittiin muutos, jonka mukaan lakiin tulee säätää maksimiaika sähkönjakelun keskeytykselle. Sähkönjakelu saa keskeytyä lumikuorman tai myrskyn vuoksi korkeintaan kuudeksi tunniksi taajama-alueilla ja 36 tunniksi haja-asutusalueilla kaikkien asiakkaiden kohdalla vuodesta 2029 lähtien. Tiukentuneiden toimitusvarmuusvaatimuksien vuoksi jakeluverkkoa muutetaan ilmajohdoista maakaapeleihin entistä enemmän. Maadoitusten ketjuuntuminen on yleistynyt, kun kaapelointia tehdään kaupunkien keskustojen lisäksi myös taajamissa ja haja-asutusalueilla. Pistemäisiä maadoituksia yhdistetään toisiinsa keskijännitekaapeleiden suojajohtimien tai erillisten maadoitusjohtimien kautta, mikä johtaa maadoitusten rakenteiden muuttumiseen. Kaapeloinnin myötä verkon maakapasitanssien edustama nollaimpedanssi pienenee huomattavasti, mikä näkyy kapasitiivisen maasulkuvirran kasvuna.

Diplomityö tehtiin Vakka-Suomen Voima Oy:lle (jatkossa VSV). Työn tarkoituksena oli tehdä selvitys, minkälaisia sähköverkkoyhtiön maadoitusjärjestelmät ovat vuonna 2028 ja miten kaapelointi tulee vaikuttamaan jakeluverkon maadoitusresistansseihin ja maasulkuvirtoihin. Kaapeloinnin vaikutuksia jakeluverkon maadoitusjärjestelmiin tarkasteltiin niin, että standardien vaatimukset edelleen täyttyvät. Työhön sisältyi VSV:n laajojen maadoitusjärjestelmien määrittely ja selvitys siitä, mitkä alueet olisivat muutettavissa laajaksi maadoitusverkoksi. Työssä tutkittiin yhteen liitettyjen maadoitusjärjestelmien maadoitusresistanssin arvoja. Maadoitusten yhdistymisen vaikutuksia maadoitusresistanssien arvoihin selvitettiin esimerkkitapauksen laskentatulosten avulla. Lisäksi työssä tutkittiin kaapeloinnista johtuvaa maasulkuvirtojen kasvua koko verkossa ja päämuuntajakohtaisesti.

Työn tuloksena määriteltiin VSV:n laajat maadoitusjärjestelmät ja ehdotettiin yhtä tapaa laajan maadoitusjärjestelmän esittämiseen. Maasulkuvirrat laskettiin koko keskijänniteverkolle ja päämuuntajakohtaisesti. Laskennan tuloksia voidaan käyttää maasulkuvirran kompensoinnin suunnittelussa. Yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän maadoitusresistanssi laskettiin PSCAD-simulointiohjelmalla. Yksittäisten muuntamoiden maadoitusresistanssit määriteltiin myös laskennallisesti. Yhteen liitetyn maadoitusjärjestelmän maadoitusresistanssien huomattiin olevan hyvin lähellä käännepistemenetelmällä mitattuja arvoja. Vertailua pitäisi kuitenkin tehdä enemmän, ennen kuin voidaan tehdä johtopäätöksiä laskentatulosten luotettavuudesta.

The vulnerability of the electricity distribution network came up for discussion in 2010 and 2011 when storms, Tapani and Asta, as well as heavy snow loads caused extensive power outages. Due to these major power outages, an amendment was required to the law, according to which the law should provide a maximum time for the interruption of electricity distribution. Electricity distribution can be interrupted by snow load or storm for a maximum of six hours in urban areas and 36 hours in sparsely populated areas for all customers after 2028. Due to the reform of the Electricity Market Act, overhead lines are replaced by underground cables. Because of increased cabling, the earthing of separate grounding systems is connected to each other’s by the sheaths of the medium voltage cables or separate grounding wires. Increased cabling reduces the zero impedance of the power grid, leading to an increase in earth fault current.

The thesis was done for Vakka-Suomen Voima Oy (VSV). The purpose of the work was to make a study of what kind of earthing systems VSV will have in 2028 and how cabling will affect to ground impedances and earth fault currents. The thesis included the examination of global earthing systems in VSV's electricity distribution network. In addition, the results of the grounding resistance of the connected earthing systems were investigated in this thesis. The effects of connected earthing on grounding resistances were investigated by the calculation results of the example case. Also, the effects of the cabling to earth fault current were investigated.

One of the results of this work, VSV's global earthing systems were defined and a way was proposed to present global earthings systems. In addition, increase of earth fault currents were calculated for the entire medium voltage network and for each main transformer. The results of the calculations can be used when planning compensation of earth fault currents. The grounding resistance of the connected earthing system was calculated with the PSCAD simulation software. The grounding resistances of the transformer substations were also determined computationally. The grounding resistances of the connected earthing system were found to be close with the measured values of the inflection point method. However, the measurement results are not reliable since more measurements should be made to verify results.