Sähköverkon vikatilanteita analysoidaan häiriötallenteista

Sähköverkkojen suojareleinä käytetään nykyisin yleisesti niin sanottuja kennoterminaaleja, jotka ovat hyvin monipuolisia numeerisia suojalaitteita. Numeerinen suojalaite tarkoittaa mikroprosessoriohjattua suojalaitetta, joka on ohjelmoitavissa monipuolisesti. Tällaisten kennoterminaalien täysimääräinen hyödyntäminen vaatii uudenlaista osaamista. Näiden suojalaitteiden tarkoitus on havaita vikatilanteet sähköverkossa ja tarpeen mukaan katkaista sähköt siitä johtolähdöstä, jossa vika ilmenee. Suojalaitteiden on tarkoitus suojata niin laitteita kuin ihmisiä vikatilanteessa.

Kennoterminaalit sisältävät häiriötallentimia, joilla voidaan tallentaa useita eri suureita, kun suojarele havahtuu vikaan. Havahtumishetki on ns. liipaisuhetki eli trigger time. Tallennettavia suureita ovat mm. eri virrat ja jännitteet. Tallenne voidaan määrittää alkavaksi tietty aika ennen häiriön alkamista (ennen liipaisuaikaa) ja jatkumaan tietty aika liipaisun jälkeen. Mitä pidempi häiriötallenne on, niin sitä enemmän informaatiota saadaan talteen. Pitkästä häiriötallenteesta saadaan tietoa myös siitä, mitä on mahdollisesti tapahtunut jo ennen häiriön alkamista. Kennoterminaalit tallentavat häiriötallenteet ns. COMTRADE-muodossa. COMTRADE (Common format for Transient Data Exchange for power systems) on oma tiedostomuotonsa, joka on tarkoitettu nimenomaan sähköverkkojen häiriötilanteiden tallentamiseen ja esittämiseen. COMTRADE-tiedostojen tarkasteluun löytyy muun muassa wavewin-niminen ohjelma, josta ilmaisen version tarjoavat mm. ABB (http://www.wavewinabb.com/) ja Schneider Electric. Suojareleen tallentama häiriötallenne on ainoita keinoja saada tarkkaa tietoa vikatapahtumasta.

Vikatyypit

Tyypillisiä sähköverkon vikatyyppejä ovat mm. maasulku ja oikosulku. Maasulku voi tapahtua esimerkiksi puun kaatuessa sähkölinjan päälle. Tällöin voi sähköverkon yksi vaihe kytkeytyä maihin puun kautta. Esimerkki maasulkutyyppisen vian häiriötallenteesta on nähtävissä kuviossa 1.

Kuvio 1. Maasulkuhäiriön vikatallenne.

Kuviossa 1 kolme ylimmäistä mitattua suuretta ovat vaihejohtimien virrat (iL1, iL2, iL3). Kolme seuraavaa ovat vaihejännitteet (uL1, uL2, uL3) ja alimmaisena on ns. nollavirta (iE). Suojareleen havahtuminen vikatilanteeseen tapahtuu punaisen pystykatkoviivan kohdalla. Vaihe kolme kytkeytyy maahan (pienen vikaresistanssin kautta), jonka seurauksena vaihejohtimen virta (iL3) nousee huomattavasti ja vastaavasti vaihejännite (uL3) laskee. Tällöin kahden muun vaiheen vaihejännitteet (uL1 ja uL2) nousevat. Hetki vian havaitsemisesta rele on lauennut ja sähköt katkennut. Tällaisen vian tunnistaminen häiriötallenteesta on varsin helppoa. Usein tilanne ei ole kuitenkaan yhtä selkeä. Mikäli vaihejohdin ei kytkeydy maahan pieniohmisesti (pieni vikaresistanssi), niin vikavirta ei nouse suureksi. Tällainen tilanne on usein esimerkiksi puun kaatuessa linjan päälle jääden nojaamaan linjaan. Tällöin vikaresistanssi voi olla suuri ja virta jää sen takia pieneksi. Tällainen vika on huomattavasti vaikeampi havaita. Sähkönjakelun siirtyessä maaseudullakin enenevässä määrin maakaapeleihin, muuttuu maasulun vikavirrat tyypillisesti suuremmiksi [1]. Tämä voi mahdollisesti helpottaa häiriötallenteen tulkitsemista. Yksivaiheisen maasulun lisäksi myös kaksivaiheinen ja kolmivaiheinen maasulku on mahdollinen. Näissä voi ajatella yhdistyvän maasulku ja oikosulku.

Toinen perusvikatyyppi on oikosulku. Oikosulku tarkoittaa sitä, että kaksi tai kolme vaihejohtoa osuu toisiinsa. Oikosulkuvioille on tyypillistä suuret virrat ja ne ovat siten suhteellisen helppo tunnistaa. Kuviossa 2 on nähtävissä esimerkkitallenne oikosulkutyyppisestä viasta. Esimerkissä vaihe 1 ja 3 kytkeytyvät toisiinsa ja niiden virrat nousevat selkeästi. Punainen katkoviiva on jälleen suojareleen havahtumishetki, jolloin vikatilanne on havaittu.

Kuvio 2. Oikosulkuhäiriön vikatallenne.

Maasulku- ja oikosulkuvikoja aiheuttaa mm. luonnonilmiöt kuten myrskyt (ukkonen, puiden kaatuminen linjalle jne.), lumi- ja jääkuorma, sekä eläimet. Puun kaatumisen linjalle voi myrskyn lisäksi aiheuttaa myös huolimaton puun kaato. Maakaapeleiden tapauksessa mm. kaivuutyöt aiheuttavat vikoja.

Muita vikatyyppejä ovat mm. kaksoismaasulku ja katkeileva maasulku. Kaksoismaasulussa on kaksi vaihetta yhteydessä maahan eri kohdista. Kaksoismaasulku voi muodostua esimerkiksi normaalin yksivaiheisen maasulun seurauksena, kun muiden vaiheiden vaihejännitteet nousevat aiheuttaen läpilyönnin jossain muualla verkossa. Seurauksena voi olla toinen maasulku läpilyöntikohdassa. Katkeilevassa maasulussa on kyse yksivaiheisesta maasulusta, joka pätkii päälle ja pois. Kyse voi olla esimerkiksi eristeviasta maakaapeliverkossa, jolloin maasulun tapahtuessa vaihejännite laskee ja siten tilanne palautuu hetkeksi vain uusiutuakseen saman tien. Katkeileva maasulku voi olla suojalaitteen hankala havaita. [2]

Suojareleiden tallentamia häiriötallenteita ei useinkaan täysimääräisesti hyödynnetä. Usein tallenne tallentuu ainoastaan itse suojareleen muistiin ja ei siten ole välttämättä saatavissa kuin hakemalla se paikan päältä esimerkiksi sähköasemalta. Vaikka häiriötallenteet tallennettaisiinkin esimerkiksi pilveen, niin tämäkään ei useimmiten ole täysin reaaliaikaista. Häiriötallenteiden tulkinta on yleensä täysin manuaalista työtä ja perustuu tulkitsijan ammattitaitoon ja kokemukseen. [3]

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. Lisäksi hankeen yhtenä tavoitteena on selvittää data-analytiikan mahdollisuuksia häiriötyyppien automaattisen tunnistamiseen häiriötallenteista. Hankkeessa kokeillaan mm. syväoppivan neuroverkon opettamista tunnistamaan automaattisesti häiriötallenteesta vian tyyppi. Lisäksi selvitetään kuinka tällainen tunnistaminen olisi mahdollista implementoida osaksi oikeaa laiteympäristöä ja toimia reaaliajassa tai lähes reaaliajassa vian ilmaantuessa.

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: Olli Väänänen, yliopettaja, Jyväskylän ammattikorkeakoulu

Lähteet:

[1] Tulomäki Heikki, Maasulkujen analysointi häiriötallennuksilla JE-Siirto Oy:ssä, diplomityö 2017. https://trepo.tuni.fi/handle/123456789/24730

[2] Tyni Aleksi, Teiskon alueen maasulkusuojauksen vaihtoehtojen selvittäminen, diplomityö 2020. https://trepo.tuni.fi/handle/10024/123501

[3] Lehesvuo Veikko, Verkkolehti: Power, ABB:n asiakaslehti, Häiriötallenteet hyötykäyttöön. 2012. https://issuu.com/zeelandsociety/docs/abb0112