10KV-jakaumamuuntajan suojalaitoksen määrityksen esiselvitys

1. Renkaistä pääyksikköön liittyvät sähköjohtojärjestelyt
1.1 Renkaistä pääyksikköön liittyvän yhdistelmän rakenne

Renkaista pääyksikkö (RMU) on koostettu huoneistoista. Yleensä siinä on vähintään kolme huoneistoa, mukaan lukien kaksi renkaissa olevaa sähköjohdon tulo- ja lähtöhajonnan huoneistoa sekä yksi muuntajan piirin huoneisto.

1.2 Renkaistä pääyksikköön liittyvien suojamallien asettaminen

Sekä renkaissa olevat sähköjohdon syöttöhuoneistot että muuntajan syöttöhuoneistot käyttävät kuormituksen kytkentäkyntereitä, yleensä kolmipaikaisia kytkentäkyntereitä, joilla on tehtäviä kytkemiseen, katkaisemiseen ja maareikastukseen. Muuntajan syöttöhuoneistot ovat myös varustettu suurella katkaisukapasiteetilla varustettujen rajakyntereiden kanssa suojaksi. Käytännön toiminta on osoittanut, että tämä on yksinkertainen, luotettava ja taloudellisesti järkevä sähköjakelumalli.

1.3 Renkaistä pääyksikköön liittyvän suojauksen ominaisuudet

Kuormituksen kytkentäkyntereitä käytetään normaalin kuorman virtakäyräiden kytkemiseen. Niillä on ominaisuuksia kuten yksinkertainen rakenne ja alhainen kustannus, mutta ne eivät voi katkaista lyhyysvirtauksia. Suurella katkaisukapasiteetilla varustettu rajakynteri toimii suojaelementtinä ja voi katkaista lyhyysvirtauksia. Näiden kahden elementin organinen yhdistäminen voi vastata erilaisten normaalien ja virheellisten toimintatilanteiden sähköjakelujärjestelmän toiminnan ja suojauksen vaatimuksiin. Sulakkeiden parametrien määrittäminen ja sen rakenteen suunnittelu ja valmistus tehdään tiukasti standardeja noudattaen.

Se sisältää sekä toimintafunktiot että suojafunktiot, joten sen rakenne on monimutkainen ja kustannukset korkeat, mikä tekee laajamittaiseen käyttöön epärealistiseksi. Renkaissa olevissa pääyksiköissä käytetään paljon kuormituksen kytkentäkyntereiden ja suuren katkaisukapasiteetin rajakyntereiden yhdisteitä. Sähkölaitteiden toiminta- ja suojafunktiot, jotka eivät ole täsmälleen samoja, toteutetaan kahdella yksinkertaisella ja edullisella komponentilla. Eli kuormituksen kytkentäkyntereitä käytetään suuriin kuormituksen kytkentätoimiin, kun taas suurella katkaisukapasiteetilla varustettuja rajakyntereitä käytetään suojaksi laitteisiin, joissa lyhyysvirrat ovat harvinaisia. Tämä ratkaisee ongelman hyvin, välttäen monimutkaisten ja kalliiden sulakkeiden käytön samalla kun se vastaa todellisia toimintovaatimuksia.

• Sulakkeilla on kaikki suojaus- ja toimintafunktiot, mutta ne ovat kalliita.

• Kuormituksen kytkentäkyntereillä on melkein sama suorituskyky kuin sulakkeilla, mutta ne eivät voi katkaista lyhyysvirtauksia.

• Kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmällä voidaan katkaista lyhyysvirtauksia. Joitakin rajakyntereiden katkaisukapasiteetteja on jopa suurempi kuin sulakkeiden. Siksi tämän yhdistelmän käyttö on yhtä tehokasta kuin sulakkeen käyttö, mutta kustannukset voivat vähentyä huomattavasti.

1.4 Kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmän etumat

Kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmällä on seuraavat etumat:

1.4.1 Hyvä suorituskyky tyhjiä muuntimia kytkettäessä

Useimmat renkaissa olevien pääyksiköiden kuormitukset ovat jakelu­muuntimia. Yleensä kapasiteetti ei ylitä 1250 KVA:ta, ja harvoissa tapauksissa se saavuttaa 1600 KVA:ta. Jakelu­muuntimen tyhjän kuorman virta on yleensä noin 2 % suunniteltusta virtasta, ja isommilla jakelu­muuntimilla tyhjän kuorman virta on pienempi. Kun renkaissa oleva pääyksikkö kytkentää tyhjän muuntimen pieniä virtauksia, se suoriutuu hyvin eikä aiheuta korkeaa ylivirtaa.

1.4.2 Jakelu­muuntimien tehokas suojaus

Erityisesti öljyupotetuissa muuntimissa kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmän käyttö on tehokkaampaa kuin sulakkeen käyttö. Jossain tapauksissa jälkimmäinen ei ehkä edes tarjoa tehokasta suojaa. Aiheeseen liittyvät tiedot osoittavat, että öljyupotetussa muuntimessa lyhyysvirran sijaintissa syntyvä kaaripaine nousee, ja öljyn höyrytymisen muodostamat kuplat tulevat väistämään alkuperäisen öljytilan paikan. Öljy siirtää paineen muuntimen öljylaitteeseen. Lyhyeyssä jatkuvana paine kasvaa lisää, mikä aiheuttaa öljylaitteen muodon muutoksen ja rikkoutumisen.

Välttääksesi öljylaitteen vaurioitumisen, on virhetilanne poistettava 20 ms:n sisällä. Jos sulake käytetään, relaatio­suojan vuoksi, plus sen omalla toiminta- ja kaari­tuhontaaika, kokonaisaika on yleensä vähintään 60 ms, mikä ei ole tehokasta suojaa muuntimelle. Suurella katkaisukapasiteetilla varustettu rajakynteri kuitenkin on pikatuho­toiminto. Sen virtarajoitus­toiminnon avulla se voi poistaa virhetilanteen ja rajoittaa lyhyysvirtauksen 10 ms:n sisällä, mikä suojaa tehokkaasti muuntimia. Siksi suuria katkaisukapasiteetteja varustettuja rajakyntereitä tulisi käyttää mahdollisimman usein sähkölaitteiden suojaamiseen sulakkeiden sijaan. Vaikka kuormituksena olisikin kuiva muuntin, rajakynterisuojauksen nopea toiminta on parempi kuin sulakkeen käyttö.

1.4.3 Relaatio­suojan yhteensopivuuden osalta

Suurimmissa osassa tapauksissa renkaissa olevissa pääyksiköissä ei tarvitse käyttää sulaketta. Tämä johtuu siitä, että renkan jakelujärjestelmän päähän sijoitetun sulakkeen (eli 110KV tai 220KV alijäämäaseman 10KV-syöttösulakkeen) suojauksen asetukset ovat yleensä seuraavat: pisteen suojauksen aika on 0s, ylipitkän suojauksen aika on 0.5s, ja nollajärjestys­suojauksen aika on 0.5s. Jos renkaissa olevissa pääyksiköissä käytetään sulaketta, vaikka asetus­aika olisikin 0s, sulakkeen oman toimintaajan hajonta­ominaisuuden vuoksi on vaikea varmistaa, että renkaissa olevan pääyksikön sulake toimii ensin, eikä ylemmän tason sulake.

1.4.4 Suuri katkaisukapasiteetin rajakynteri voi tarjota suojaa alas­virtaan oleville laitteille

Kuten virtamuunnin, kaapelit jne. Suuren katkaisukapasiteetin rajakynterien suojauksen kattavuus ulottuu vähimmäis­sulamisvirtasta (yleensä 2-3 kertaa rajakynterin suunniteltu virta) suurimpaan katkaisukapasiteettiin. Rajakynterien virta-aika-ominaisuus on yleensä jyrkkä käänteinen aika­kuvaaja. Lyhyeyden jälkeen se voi sulautua ja poistaa virhetilanteen hyvin nopeasti. Jos suojana käytetään sulaketta, se lisää huomattavasti muita sähkökomponenttien, kuten kaapeliteen, virtamuuntimen ja muuntimen terminaalien, lämpöstabiiliyden vaatimuksia, mikä nostaa sähkölaitteiden ja projektin kustannuksia. Tässä on huomioitava, että kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmän käytössä nämä kaksi pitäisi sovittaa hyvin yhteen. Kun rajakynteri ei sulaa kolmessa vaiheessa, rajakynterien pisto­mekanismi pitäisi välittömästi katkaista kuormituksen kytkentäkynterin estääkseen yksivaiheisen toiminnan.

2. Korkean jännitteen käyttäjien loppupisteen huoneistojen sähköjohtojärjestelyt

GB14285-1993-standardi "Relaatio­suojauksen ja turvallisuuden automaattisten laitteiden tekninen ohje" määrää, että jakelu­muuntimen suojauskappaleen valitessa, kun kapasiteetti on yhtä suuri tai suurempi kuin 800 KVA, tulisi valita sulake relaatio­suojalaitteen kanssa. Tätä säännöstä voidaan ymmärtää seuraavista kahdesta näkökulmasta:

• Kun jakelu­muuntimen kapasiteetti on 800 KVA:ta tai enemmän, menneisyydessä useimmat niistä olivat öljyupotettuja muuntimia ja ne oli varustettu kaasurelayde. Sulakkeen käyttö mahdollistaa tehokkaan suojauksen öljyupotetulle muuntimelle yhteistyössä kaasurelayden kanssa.

• Käyttäjille, joiden laiterakennelman kapasiteetti on yli 800 KVA, eri syistä yksivaiheinen maanjäristys saattaa aiheuttaa nollajärjestys­suojan toiminnan, mikä aiheuttaa sulakkeen avaamisen ja virhetilanteen eristämisen, jotta emolevyn sulake ei toimisi ja vaikuttaisi muiden käyttäjien normaaliin sähköntuotantoon. Lisäksi standardi määrää, että vaikka yksittäinen muuntin ei saavuttaisi tätä kapasiteettia, jos käyttäjän jakelu­muuntimien yhteiskapasiteetti on 800 KVA, tämä vaatimus pitää paikkansa. Nykyisin useimpien käyttäjien korkean jännitteen kytkentähuoneiston kytkentäsuunnitelma on peruskytkentämenetelmä, ja tämän pohjalta voidaan johtaa kytkentämenetelmiä, kuten yksi pää- ja varasuuntaiset tulo­linjat tai kaksois­tulo­linjat bussiviivan erottelulla.

3. Johtopäätökset

10kV-jakelu­muuntimien suojauksen asettaminen sisältää pääasiassa sulakkeita, kuormituksen kytkentäkyntereitä tai kuormituksen kytkentäkyntereitä rajakyntereiden kanssa. Teknisten, taloudellisten ja toiminnallisten tekijöiden huomioon ottaminen kokonaisvaltaisesti osoittaa, että sekä 10kV-renkaissa olevissa pääyksiköissä että korkean jännitteen loppukäyttäjien sähköjakeluyksiköissä, kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmä voi tarjota sekä normaalin kuorman virtakäyrän että kyky katkaista lyhyysvirtauksia ja suorituskyky tyhjän muuntimen kytkemiseen, mikä suojaa tehokkaasti jakelu­muuntimia. Siksi suositellaan, että kuormituksen kytkentäkynterin ja suuren katkaisukapasiteetin rajakynteriyhdistelmä olisi suosittu suojamalli jakelu­muuntimien suojaamiseen.