Sähköverkon suojaukset auttavat rajaamaan vikojen vaikutuksia

Kaupunki ylhäältä kuvattuna, sähköverkot kaupungin yllä

Vikatyypit ja niiden syyt

Tavallisin sähkökatkon aiheuttaja Suomen sähköverkossa on jokin luonnonilmiö. Energiateollisuus ry:n julkaisemien keskeytystilastojen mukaan merkittävimpiä sähkönjakelun keskeytysten aiheuttajia ajallisesti mitattuna (sähkökatkon pituus h/asiakas) ovat tuuli ja myrsky sekä lumi- ja jääkuorma. Tämä on luonnollista, sillä em. luonnonilmiöt aiheuttavat pahimmillaan yhdellä kertaa suuren määrän yksittäisiä vikoja, jotka voivat jakaantua laajalle alueelle. Lisäksi voimakkaiden luonnonilmiöiden aiheuttamat viat ovat tyypillisesti sellaisia, että niiden korjaaminen on aikaa vievää. Myrskyn kaatamien puiden poistaminen linjoilta sekä niiden aiheuttamien vaurioiden korjaaminen ottaa aikansa.

Jos ei huomioida sähkönjakelun keskeytysten ajallista kestoa, vaan ainoastaan määrät, nousevat yleisiksi sähkökatkojen syiksi tuulen ja myrskyn sekä lumi- ja jääkuorman lisäksi ukkonen sekä erilaiset tekniset tai käyttövirheisin liittyvät syyt.

Diagrammi — Kuvio 1. Sähkönjakelun keskeytysten aiheuttajat keskijänniteverkossa / määrällinen jakauma vuonna 2019. [1]

Sähköverkossa esiintyvät viat ovat tyypillisesti oikosulkuja, maasulkuja, johtimen katkeamisia tai näiden yhdistelmiä. Oikosulkutilanne tarkoittaa sitä, että sähköverkon johdinten välille syntyy pieni-impedanssinen yhteys, jolloin johdinten välinen virta kasvaa huomattavan suureksi. Tällöin johdin- tai komponenttivaurion riski on merkittävä, mikäli suojaus ei toimi asianmukaisesti. Maasulkutilanteessa yksi tai useampi sähköverkon vaihejohdin on yhteydessä maan potentiaaliin esimerkiksi puun kaaduttua linjalle. Maasulku voi syntyä myös valokaaren seurauksena esimerkiksi, jos lähelle osuva salaman isku indusoi avojohtoihin niin suuren ylijännitteen, että tapahtuu läpilyönti johtimen ja sähköpylvään välisen eristimen yli, tai mikäli jokin maahan yhteydessä oleva esine/asia (esim. kaivurin tai pumppuauton puomi, autonosturin osa, tms.) on liian lähellä keski- tai suurjännitteistä johdinta.

Valokaari voi syntyä myös esim. sähköasemalla sijaitsevassa sähkökojeistossa komponenttivian tai inhimillisen virheen seurauksena. Tällaisiin tilanteisiin varaudutaan erittäin nopeasti toimivalla valokaarisuojauksella, joka tunnistaa valokaaren ja ohjaa kojeistossa olevaa katkaisijaa (suojauksen toiminta-aika yhteensä n. 35-100 ms). Valokaaren lämpötila on tuhansia asteita ja se voi höyrystää kojeiston kuparikiskoston ja muun lähellä olevan materiaalin hetkessä myrkyllisiksi kaasuiksi. Lisäksi valokaari aiheuttaa räjähdysmäisen paineiskun, on sokaisevan kirkas ja voi aiheuttaa vakavia palovammoja sulaneiden metalliroiskeiden lisäksi myös lämpösäteilyn seurauksena. Suuritehoinen valokaaritilanne on erittäin tuhoisa laitteistoille ja vaarallinen ihmisille, jonka vuoksi suojauksen nopea toiminta on erittäin tärkeää.

Sähkönjakeluverkon suojalaitteet ja niiden toiminta häiriötilanteessa

Sähkönjakelujärjestelmän vikatilanteet tunnistetaan ja rajataan automaattisesti suojareleiden avulla. Relesuojaus on niin kattava, että koko sähköverkko kaikkine osineen ja asemineen on suojattu. Esimerkiksi yksittäisellä sähköasemalla on suojaukset muuntajalle, aseman sisäiselle kojeistolle/kiskostolle ja jokaiselle johtolähdölle. Suojareleillä toteutetulla sähkönjakelujärjestelmän suojauksella:

varmistetaan henkilöturvallisuus (sekä sähköasemien käyttäjien että sivullisten) mahdollisimman hyvin
minimoidaan vikatilanteen seurauksena syntyvät vauriot
rajataan sähkökatko vaikutusalueeltaan ja kestoltaan mahdollisimman pieneksi.

Varsinaisia vikoja valvovan relesuojauksen lisäksi sähkönjakeluverkossa on myös käyttöä (kuormitusta) valvovia suojalaitteita, jotka reagoivat mm. seuraaviin poikkeamiin: yli- tai alijännite, yli- tai alitaajuus ja ylikuorma. Sähköverkon ja sen komponenttien käyttöä valvovan suojauksen tavoitteena on sähkönjakelujärjestelmään tai sen osiin kohdistuvan rasituksen rajoittaminen turvalliselle tasolle sekä laajan verkkohäiriön estäminen.

Suojareleet toimivat automaattisesti ilman käyttöhenkilökunnan aktiivista ohjausta tai valvontaa. Ne mittaavat sähköverkon suureita, kuten virtoja ja jännitteitä, tavallisesti mittamuuntajien ja/tai sensorien avulla ja toteuttavat tarvittaessa ennalta määrätyn ohjauksen tai indikoinnin. Tyypillisesti suojarele ohjaa katkaisijan auki (eli katkaisee sähkön vikaantuneesta kohteesta), mikäli mitatut arvot eivät ole aseteltujen rajojen sisällä. Vikatilanteessa suojausjärjestelmä lähettää myös hälytyksen verkkoyhtiön käyttöhenkilökunnalle. Lisäksi nykyaikaiset numeeriset suojareleet tallentavat ennakkoon määritellyt asiat (esim. mitatut suureet) häiriötallenteeseen, jota voidaan myöhemmin hyödyntää vian syyn selvittämisessä.

Suojareleet voivat olla tyypiltään:

Ensiö- eli primäärireleitä
Sähkömekaanisia toisioreleitä
Tasasuuntaajareleitä
Staattisia releitä (elektronisia releitä)
Mikroprosessorireleitä
Numeerisia releitä

Näistä numeeriset releet, eli ns. kennoterminaalit (ks. kuvio 2), ovat reletyypeistä nykyaikaisimpia. Ne sisältävät ohjelmoitavuutta, vianpaikannustoiminnot, itsediagnostiikkaominaisuudet, häiriötallennusominaisuudet, useita kommunikointiprotokollia, mahdollisuuden suojaustoimintojen integroitumiseen ja paljon muuta. Muut listassa mainitut reletyypit edustavat teknisesti vanhempia sukupolvia ja ovat siten myös tarkkuudeltaan, nopeudeltaan ja ominaisuuksiltaan rajoittuneempia.

Kuvio 2. Numeerinen suojarele ja sen paikallinen näyttöpaneeli [3]

Suojareleet voivat olla toiminnaltaan esimerkiksi virtareleitä, ali- tai ylijännitereleitä, taajuusreleitä, suuntareleitä, tehoreleitä, epäsymmetriareleitä tai differentiaalireleitä. Käytettävä suojausfunktio riippuu suojattavasta kohteesta ja suojauksen tarkoituksesta. Esimerkiksi taajuusreleet voivat toimia valtakunnallisella tasolla tehonvajaussuojuksena (kytkee kuormia/kohteita irti verkosta, kun taajuus laskee tehovajeen seurauksena) kun taas differentiaalirele valvoo jonkin yksittäisen tarkasti rajatun kohteen, kuten sähköaseman kojeiston johdinkiskoston tai siirtojohdon, tulo- ja lähtövirran virtojen erotusta ja tekee suojaustoiminnon, mikäli virtojen amplitudissa tai vaihekulmissa on liian suuri poikkeama.

Suurin osa ilmajohtoverkon häiriöistä on hetkellisiä ja syntyy esimerkiksi silloin, kun linjan lähelle iskevä salama sytyttää lyhytkestoisen valokaaren johtimen ja sähköpylvään maahan yhteydessä olevan rakenteen välille. Jotta vältetään hetkellisten häiriöiden aiheuttamat pitkät sähkökatkot, käytetään suojalaitteissa automaattisia jälleenkytkentöjä: pikajälleenkytkentää (PJK) ja aikajälleenkytkentää (AJK).

Pikajälleenkytkennän periaate on seuraava: kun suojarele havaitsee häiriön valvomassaan johtolähdössä, se ohjaa katkaisijaa, joka katkaisee sähkönsyötön vikaantuneeseen kohteeseen. Vikaa ei heti tulkita pysyväksi, vaan suojarele kokeilee hetken päästä (esim. 0,3 – 0,7 s riippuen verkosta/kohteesta), onko vika poistunut vai edelleen aktiivinen. Mikäli vika on poistunut, niin sähkönjakelu jatkuu normaalisti, mutta mikäli vika on edelleen aktiivinen, katkaisee suojarele sähkönsyötön uudelleen ja kokeilee seuraavaksi aikajälleenkytkentää.

Aikajälleenkytkentä tapahtuu epäonnistuneen pikajälleenkytkennän jälkeen asetteluista/kohteesta riippuen noin 30-60 sekunnin päästä. Tällöin suojarele ohjaa katkaisijan takaisin kiinni. Mikäli vika on poistunut, jatkuu sähköjakelu normaalisti. Mikäli vika on kuitenkin edelleen aktiivinen, suojarele ohjaa katkaisijan lopullisesti auki ja antaa hälytyksen verkkoyhtiön valvomoon. Tämän jälkeen vika siirtyy ihmisten selvitettäväksi. Olet joskus ehkä huomannutkin, että pian sähkökatkon alettua sähköt saattavat käydä hetkellisesti päällä. Kyseessä on todennäköisesti ollut juuri aikajälleenkytkentä. Automaattisen jälleenkytkentäsekvenssin periaate tilanteessa, jossa vika on pysyvä (PJK + AJK + lopullinen laukaisu), on esitetty kuviossa 3.

Kuvio 3. Suojareleen jälleenkytkentäsekvenssin periaatekaavio — Kuvio 3. Suojareleen jälleenkytkentäsekvenssin periaate.

Suojareleiden ja niiden ohjaamien laitteiden suunnitelman mukainen toiminta varmistetaan säännöllisillä koestuksilla, joita tehdään jokaiselle suojareleelle systemaattisesti esimerkiksi 1-5 vuoden välein riippuen releen tyypistä. Koestusten tarkoituksena on havaita laitevikojen (suojareleet, niiden mittamuuntajat/-sensorit, katkaisijat, ym.) lisäksi mahdolliset virheet kytkennöissä tai laitteiden asetuksissa ja varmistaa, että suojaus toimii tositilanteessa täsmälleen oikein ja vaaditussa ajassa. Koestuksissa käytetään erityistä koestuslaitetta, jolla simuloidaan suojareleelle vikatilanne ja todetaan suojauksen toiminta. Koestukset suunnitellaan, toteutetaan ja dokumentoidaan huolellisesti, jotta voidaan tarvittaessa osoittaa, että suojausjärjestelmän toiminta on varmistettu.

KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö

Jyväskylän ammattikorkeakoulun KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö -hankkeessa perustetaan laiteympäristö, joka sisältää nykyaikaisia suojareleitä, verkkomallin sekä koestuslaitteen. Suojalaiteympäristössä voidaan jatkossa tehdä mm. sähköverkon suojausten suunnitteluun, toteutukseen ja suojalaitteiden koestamiseen liittyvää TKI- ja koulutustyötä turvallisesti laboratorioympäristössä. TKI-ympäristöä voidaan hyödyntää myös nykyaikaisiin suojalaitejärjestelmiin liittyvien kyberuhkien kartoittamisessa ja aiheeseen liittyvän osaamisen kasvattamisessa.

KOESTUS-hankkeen toteutuksessa ovat vahvasti mukana ALVA Sähköverkko Oy, Elektron E Oy, Enerva Oy, Fingrid Oyj, Rejlers Finland Oy ja Äänekosken Energia Oy.

KOESTUS – Sähköverkon suojausten ja koestuksen TKI-ympäristö -hanketta rahoittavat Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR), hankkeen toteuttaja sekä hankekumppanit. Hankkeen toteutusaika on 1.6.2021 – 31.5.2023.

Kirjoittaja: Teppo Flyktman, lehtori, Jyväskylän ammattikorkeakoulu

Lähteet:

[1] Energiateollisuus ry. , Keskeytystilasto 2019. KESKEYTYSTILASTO 2019 (energia.fi) https://energia.fi/files/4972/Sahkon_keskeytystilasto_2019.pdf

[2] ABB Oy, Sähkönjakelujärjestelmien relesuojaus, koulutusmateriaali 2017

[3] ABB Oy, REX640, tuoteuutinen 2020. REX640-suojaterminaalin uudella versiolla parannettua toiminnallisuutta sekä turvallisempaa tiedonsiirtoa sähköntuotanto- ja sähkönjakelusovelluksiin | ABB