NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INFORMASJONSTEKNOLOGI, MATEMATIKK OG ELEKTROTEKNIKK HOVEDOPPGAVE

NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET FAKULTET FOR INFORMASJONSTEKNOLOGI, MATEMATIKK OG ELEKTROTEKNIKK HOVEDOPPGAVE Kandidatens navn: Fag: Oppgavens tittel (norsk): Oppgavens tittel (engelsk): Geir Delbekk Energi og miljø: Elektrisk energiteknikk. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett. Earthfault protection in high voltage (up to 24 kv) distibution networks. Oppgavens tekst: I denne oppgaven skal kandidaten ta for seg problemet å detektere jordslutninger i høgspente fordelingsnett avhengig av nøytralpunktsjording og direkte jordslutningsstrøm. Det skal utledes o nye nummeriske vern kan tilfredsstille både eksisterende og nye krav fra Direktoratet for brann- og elsikkerhet (DBE) om utkobling av jordfeil. Kandidaten skal - Gjøre rede for variasjonen av feilstrøm og berøringsspenning på feilstedet ved jordslutning i høyspente fordelingsnett avhengig av nøytralpunktsbehandlingen i nettet. - Drøft mulighetene og egenskapene ved ulike måter å for tilkobling av en jordslutningsspole i et nett. Forklar hvorfor en spole gir mye større sannsynlighet for at jordslutningen forsvinner av seg selv i et luftnett og vurder også behovet for automatisk regulering av spolestrømmen. - Gi en oversikt over ulike aktuelle jordslutningsvern for fordelingsnett og hvordan disse tilfredsstiller kravene til en gjerne selektiv utkobling ved jordfeil. - Oppgaven utføres i samarbeid med Bodø energi, og det skal utføres beregninger og vurderinger for eksempel nett til Bodø energi. I denne delen av oppgaven kan det gjerne brukes programsystemet Netbas Oppgaven gitt: 18.2.2003 Utført ved: Institutt for elkraftteknikk Veileder: Karstein J. Olsen Trondheim, 21.7.2003 Geir Delbekk

Forord. Denne rapporten er utarbeidet ved Norges Teknisk- Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) våren 2003. Arbeidet med prosjektet har vært utført gjennom hele vårsemesteret. Under arbeidsperioden har jeg fått hjelp og gode råd fra veileder i faget. Spesiell takk må gis til Førsteamanuensis Karstein J. Olsen ved institutt for Elkraftteknikk og Hans Vidar Torbergsen ved Bodø Energi. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett i

Sammendrag. I denne oppgaven er det sett på nøytralpunktsbehandling i høgspente fordelingsnett. Det er sett på elektriske forhold ved ulik nøytralpunktsbehandling, henholdsvis isolerte og spolejordete nett. Det blir belyst problemer med manglende funksjonalitet for vern ved overgang til spolejordet nett. Videre er det sett på forskriftenes krav, og hvordan disse kan overholdes. Det er gjort beregninger på: Muligheten for å detektere høyohmige jordfeil. Hvilken innvirkning usymmetri i fasenes kapasitive avledning til jord har på spenningen over nøytralpunktet. Det er gjort beregninger for nett med isolert nøytralpunkt og ved forskjellige innstillinger av spolestrømmen (kompensering). Hvilken innvirkning en ohmsk komponent har på reduksjon av spenningen over nøytralpunktet i et nett uten definert jordfeil. Variasjon i feilstrøm som et resultat av fasenes forandring i avstand til jordpotensialet. Eksempel-nett fra Bodø Energi. Det ble funnet at ohmsk reststrøm fra nettet og spolen reduserer spenningen i nøytralpunktet til ufarlige verdier under normale forhold. En spole med parallellmotstand er prosjektert for eksempelnett Havna. Beregnede verdier i Netbas stemmer ikke overens med målte verdier av jordslutningsstrømmer. Det må taes i betraktning ved dimensjonering av spole. En parallellmotstand som bidrar med resistiv strøm vil føre til at måleverdier for vernets cosφ innstilling draes lengre inn i målesonen, men den vil også føre til en reduksjon av vernets evne til å detektere høyohmige jordfeil. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett ii

Innholdsfortegnelse. 1 INNLEDNING.... 3 2 FORSKRIFTENE... 4 3 DETEKTERING AV EN POLTE JORDFEIL... 5 3.1 DETEKTERING AV HØYOHMIGE JORDFEIL I NETT MED ISOLERT NØYTRALPUNKT... 5 3.1.1 Kommentar... 6 4 ELEKTRISKE FORHOLD VED EN JORDSLUTNING.... 8 4.1 SPENNINGSFORLAGRING VED JORDFEIL.... 9 4.2 NULLPUNKTSPENNING.... 10 4.3 FEILSTRØMMEN MED ISOLERT NØYTRALPUNKT.... 10 4.3.1 Strømflyt i nett med isolert nøytralpunkt...12 4.4 FEILSTRØMMEN VED SPOLEJORDET NØYTRALPUNKT.... 13 4.4.1 Strømflyt i nett med spolejordet systemjord.... 15 4.5 LUFTNETT... 15 4.6 KABELNETT.... 16 4.7 BLANDENETT... 16 5 LYSBUENS EGENSKAPER... 17 5.1 IONISERING... 17 5.2 ISOLERTE NETT.... 18 5.3 SPOLEJORDET NETT.... 18 5.4 LYSBUE I KABELNETT.... 18 6 DRIFTSMETODER FOR NETT MED SPOLEJORDET SYSTEMJORDING... 19 6.1 DRIFT MED SPOLENS PARALLELLMOTSTAND TIDSFORSINKET INNKOBLET.... 19 6.2 DRIFT MED SPOLENS PARALLELLMOTSTAND FAST TIL JORD... 19 6.2.1 To parallell motstander... 19 6.2.2 En parallellmotstand... 19 6.3 DISKUSJON.... 20 7 USYMMETRI... 21 7.1 BEREGNINGER.... 21 7.1.1 Usymmetriens innvirkning på U 0 spenningen.... 21 7.1.2 Redusering av nullpunktsspenningen.... 23 7.1.3 Usymmetriens innvirkning på fasespenningene.... 28 8 JORDSLUTNINGSVERN... 29 8.1 NULLSPENNINGSRELEER... 29 8.2 NULLSTRØMSREELER... 29 8.3 JORDFEILRETNINGSRELEER... 30 8.4 JORDSLUTNINGSIMPULSRELEER... 30 8.5 UTVIDETE FUNKSJONER FOR RESONANSREGULATORER (REDUNDANS)... 31 9 MÅLING AV JORDFEILSTRØM... 32 9.1 KABELSTRØMTRANSFORMATOR.... 32 9.2 HOLMGRENSKOBLING... 32 10 MÅLING AV NULLPUNKTSSPENNING... 33 11 PARALLELLMOTSTAND... 34 12 FEILAKTIG DETEKTERING... 36 12.1 FEILAKTIG UTKOBLING.... 36 12.1.1 Vinkelfeil... 37 Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 1

12.2 MANGLENDE UTKOBLING.... 38 12.3 ANDRE FAKTORER.... 38 13 TILKOBLING AV JORDSLUTNINGSSPOLE TIL NETTET... 39 13.1 TILKOBLING VIA TRANSFORMATORNULLPUNKT.... 39 13.2 TILKOBLING VIA KUNSTIG NULLPUNKT... 40 14 FEILBEREGNING.... 41 15 PROSJEKTERING... 44 16 BESKRIVELSE AV NETTET I BODØ... 45 16.1 DRIFTFORSTYRRELSER... 46 16.2 BEREGNINGER OG DIMENSJONERINGER... 47 16.3 BEREGNINGER PÅ NETTET TIL BODØ ENERGI... 47 17 BEREGNINGER PÅ EKSEMPELNETT: HAVNA.... 50 17.1 BESKRIVELSE AV VERN... 50 17.2 BESKRIVELSE AV TRANSFORMATOR.... 50 17.3 BERØRINGSSPENNINGER.... 51 17.4 DETEKSJON AV HØYOHMIGE OVERGANGSMOTSTANDER.... 51 17.5 BEREGNINGER PÅ ISOLERT NETT... 52 17.6 BEREGNING AV SPOLE... 53 17.7 PARALLELLMOTSTAND.... 54 17.7.1 Beregning uten motstand i parallell:... 54 17.7.2 Beregning av parallellmotstand:... 55 18 KONKLUSJON.... 60 19 REFERANSER... 61 19.1 LITTERATUR.... 61 19.2 ANNET.... 61 Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 2

1 Innledning. Fram til miten av 70-tallet var flesteparten av høyspente fordelingsnett drevet med spolejordet nøytralpunkt. Tungvint drifting av spolene førte til at de fleste spolene ble fjernet og erstattet med retningsbestemte jordfeilvern. Nå er imidlertid spolen aktuell igjen for bruk i høyspente fordelingsnett da nyere tekniske løsninger har ført til bedre regulering av spolen. Mange energiverk har gått over til, eller vurderer overgang til nett med spolejordet nøytralpunkt på grunn av følgende punkter: 1. Direktoratet for brann og elsikkerhet (DBE) gjennomførte i l999 en spørreundersøkelse i landets energiverk om nøytralpunkts behandling i høgspente fordelingsnett. Konklusjonene av undersøkelsen var at for mange høgspente fordelingsnett driftes i strid med forskriftene for høyspentanlegg. 2. DBE har innskjerpet FEAF-F 42-1, noe som betyr at høyohmige jordfeil skal detekteres. 3. Økt fokus på leveringskvalitet. Overgangen har ikke vært uten problem for samvirket mellom spole og relevern. Erfaringer viser til feil- eller manglende utkoblinger. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 3

2 Forskriftene. Forskriftene for høyspente forsyningsanlegg og senere innskjerpinger fra DBE setter følgende krav til høyspente forsyningsanlegg opp til 22kV: Tabell 2-1 Utsattanleggsdel Utkobling Innen 0,5 s Maksimal tillatt berøringspenning Maksimal tillatt skrittspenning Beferdet område 125 V 500 V Ubeferdet område 250 V 250 V 500 V Er disse betingelsene ikke overholdt, må utsatt anleggsdel kobles ut etter 0,5 sek. Lengre utkoblingstid kan aksepteres etter vurdering av berøringsspenning og faremoment i hvert tilfelle. Tabell 2-2 Nett Hurtig utkobling Tilstrebet varsel Eller varsel Kabel nett 1000 Ω Luft nett 3000 Ω 5000 Ω Blandet nett 3000 Ω 5000 Ω Det vil komme nye og reviderte forskrifter for høyspente forsyningsanlegg innen 1. januar 2005. Disse forskriftene vil bygge på normer og EU-krav. En arbeidsgruppe i DBE holder nå på med revideringer. Det er ventet at de siste tiders innskjerpinger vil bli tatt med. Det er trolig at det vil bli forandringer med hensyn på berøringspenninger; det vil bli en mer EUtilpasset norm [12]. I den forbindelse kan det være verdt å nevne de svenske krav til berørings spenninger, da Sverige har vært et foregangsland for Norge, med tanke på nøytralpunktsbehandling: Tabell 2-3 Spennings- Utkobling Utkobling Signalisering. Satt del innen 2 s. innen 5 s. Felles jord 100 V 100 V 50 V Skilt jord 200 V 200 V 100 V Utsatt del 400 V 300 V 100 V Øvrigedeler 800 V 600 V 200 V I Sverige har de satt krav til deteksjon av jordfeil til 20 000 Ω. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 4

3 Detektering av en polte jordfeil. 3.1 Detektering av høyohmige jordfeil i nett med isolert nøytralpunkt. Med høyohmige jordfeil menes det jordfeil over 1000Ω. Krav fra DBE er satt til hurtig automatisk utkobling eller varsel ved 3000Ω, og tilstrebet varsel ved 5000Ω for linje og blandet nett. Kabelnett skal ha hurtig automatisk utkobling eller varsel ved 1000Ω. Følgende kurver er laget etter Formel 4-6: Figur 3-1 Detektering av høyohmige jordfeil i et 22kV nett Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 5

Figur 3-2 Detektering av høyohmige jordfeil i et 11kV nett. 3.1.1 Kommentar. Av Figur 3-1 og Figur 3-2, sees det at U 0 vernet må stilles lavt, for å detektere høyohmige jordfeil ved høye jordfeilstrømmer. Dette krever at vernet tillater en lavere U 0 innstilling, samt at usymmetrien i nettet ikke er så stor at den kommer i utløseområdet til vernet. For å klare en utkobling eller varsling på 3000 ohm ved en U 0 innstilling på 0,3 p.u i 22kVnett, kreves det en jordfeilstrøm lavere enn 15 A. En detektering av en jordfeil på 5000 ohm på samme U 0 innstilling krever en jordfeilstrøm lavere enn 8A. Dette er vanskelig å få til i de fleste høgspentnett. I 11kV nett vil en høyohmig jordfeil være enda vanskeligere å detektere. Ved en feil resistans på 3000Ω og en U 0 innstilling på 0,3 p.u kreves det en strøm mindre enn 8A for å kunne detektere den. Det er brukt en innstilling på 0,3 p.u i disse eksemplene da dette før ble ansett som normalt innstilling kriteriet i Norge. I kabel Med moderne vern har man muligheten til å stille inn lav U 0 verdi. Drifts erfaring fra Viken Nett har vist at en U 0 - innstilling på 0,05 p.u ikke er førte til flere utkoblinger enn før [9]. Som det sees fra Figur 3-1 og Figur 3-2 byr normalt ikke utkobling av lavohmige jordfeil på noe problem. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 6

Erfaringsverdier fra BBK [4]: Energi & Miljø Linje for Elektrisk energiteknikk Tabell 3-1 Grenseverdier for U 0 innstillinger. Type nett U 0 innstillingen bør ikke underskride Luft 0,1p.u Blandet 0,05p.u Kabel 0,01-0,002p.u Formel 3-1 Ij = U 0 2 f ( U R j ) 2 1 I j = Jordfeilstrøm U f = Fase spenning R j = Resistansen i feilstedet U 0 = Nullpunktspenning Tabell 3-2 Lav innstilling av U 0 verdi i et 22-kV nett. U 0 innstilling Maks. jordfeilstrøm ved Rf=1000Ω Maks. jordfeilstrøm ved Rf=3000Ω Maks. Jordfeilstrøm Ved Rf=5000Ω 0,20 pu 63,5A 21,14A 12,66A 0,10 pu 127A 42,33A 25,38A 0,05 pu 254A 84,67A 50,80A 0,01 pu 1270A 423A, 254,03A Tabell 3-3 Lav innstilling av U 0 verdi i et 11-kV nett. U 0 innstilling Maks. Jordfeilstrøm Ved Rf=1000Ω Maks. Jordfeilstrøm ved Rf=3000Ω Maks. Jordfeilstrøm ved Rf=5000Ω 0,20 pu 31,74A 10,53A 6,27A 0,10 pu 63,51A 21,15A 12,66A 0,05 pu 127,01A 42,33A 25,38A 0,01 pu 635,08A 211,70A 127,02A Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 7

4 Elektriske forhold ved en jordslutning. Ved jordslutning forandres spenning og strøm balansen. Etter et overgangsforløp (transientperiode) vil strømmer og spenninger gå over i en ny stasjonær tilstand. Størrelsen på feilstrømmen vil være avhengi av impedansen i feilkretsen. Ved direktejordslutning er spenningen i fase med feil tilnærmet lik null, mens de to andre fasene får linjespenning mot jord. En vil måle tilnærmet samme spenningsforhold til jord overalt i et galvanisk sammenkoblet nett. Figur 4-1 Spenningsforløp ved jordslutning i fase A. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 8

4.1 Spenningsforlagring ved jordfeil. Oppstår det en feil i en fase, vil fasens potensial havne nærmere (med overgangsmotstand) eller på (uten overgangsmotstand) jordpotensialet. Ved underkompensering, er det den feilfrie fase som kommer foran den med feil, som blir utsatt for størst spenning, mens ved overkompensering er det den etterfølgende feilfrie fasen som får det største spenningsbidraget. Alle faseledere har en viss kapasitiv og ohmsk avledning mot jord. Den kapasitive avledningen er bestemt av nettets utstrekning, avstand mellom fase og jord, avstand mellom fasene seg i mellom, m.m. Den ohmske størrelsen bestemmes av klimatiske forhold, saltbelegg, fuktighet m.m. Det er vanlig at man ser bort fra den ohmske avledningen ved beregninger da den kapasitive strømmen er dominerende. Figur 4-2 Spenningsforlagring ved jordfeil. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 9

4.2 Nullpunktspenning. Ved jordfeil vil samme nullpunktsspenningen bli til i alle deler av det galvaniske avskilte nettet. Spenningsmåling forteller derfor ikke hvor feilen er. 4.3 Feilstrømmen med isolert nøytralpunkt. Når det oppstår jordfeil i et nett med isolert nøytralpunkt som system jord er det bare kapasitansene Cj som representerer en tilbakevei for feilstrømmen. En forenklet fase ekvivalentmodell kan settes opp som vist Figur 4-3. Figur 4-3 Ekvivalentmodell for nett med isolert nøytralpunkt. Med utgangspunkt i ekvivalentmodellen i Figur 4-3, kan følgende formler utledes: Formel 4-1 I j 3 jωcju f Formel 4-2 3 Uf Zo = jxc = Ij Formel 4-3 Ij = Z 0 3 U f + R f Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 10

Formel 4-4 U Z 0 = U f = Z 0 + R f 3 3 0 U f 3R 1+ Z 0 f Formel 4-5 U 0 Z 0 = Ij 3 Formel 4-6 u 0 = I 1+ U 1 j f R f 2 Formel 4-7 Ub = I j R f U N = U 0 : Spenning over nøytralpunktet. u 0 = Nøytralpunktsspenningen i pu av fasespenning. U b = Spenningen over feilstedet (berøringsspenningen). U f = Fase spenningen. I j = Feilstrømmen. I 0 = Feilstrøm gjennom en fase. Z 0 = Impedans over nøytral punktet. R f = Motstanden på feilstedet. X c = Reaktansen for kapasitive avledningen mot jord. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 11

4.3.1 Strømflyt i nett med isolert nøytralpunkt. Det vil flyte en kapasitiv ladestrøm i feilstedet, som er et resultat av feilstrømmen i hele det galvanisk sammenhengene nettet. Denne strømmen vil flyte inn mot transformatoren og videre ut mot avgangene. Den feilbefengte avgangen vil ikke gi noe bidrag. Det som vil bli målt på avgangen er bidraget fra alle de andre avgangene. Figur 4-4 viser hvordan jordfeilstrømmen fordeler seg på radialen. Summen av feilstrømmene i to faser vil alltid ligge 90º etter nullspenningen U 0. Summen av I 0 i fasene utover linjen vil gi en varierende feilstrøm. Ved samleskinne er summen av I 0 tilnærmet lik null, i feil stedet vil strømmen skifte retning, og ved slutten av radialen vil summen av I 0 være null. Figur 4-4: Strømflyt isolert nett Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 12

4.4 Feilstrømmen ved spolejordet nøytralpunkt. Om man kobler en spole mellom jord og forsyning transformatorens nøytralpunktpunkt, kan man i teorien regulere feil strømmen til null. Når det oppstår en jordfeil i et nett med spolejordet nullpunkt vil tilbake veien for feilstrømmen gå gjennom transformatorens nullpunkt. En forenklet fase ekvivalent modell kan settes opp som i Figur 4-5. Figur 4-5 Ekvivalent modell for nett med spolejordet nøytralpunkt. Fra Figur 4-5 kan følgende formler utledes: Formel 4-8 Z op = 3 ( j3xc j jxl R0 ) Formel 4-9 Ij = Z op 3 U f + R f Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 13

Formel 4-10 I j = ( R f + R ) 1+ R 0 2 2 0 + R 1 3ωCj ωl 2 f + R 2 0 2 1 3ωcj ωl 2 U f Formel 4-11 U = U Z op 0 f = Z op + R f 3 3 U f R 1+ Z f op Formel 4-12 u 0 = 1 R 0 2 I U j 1 + 3ωCj ωl f 2 Formel 4-13 Ub = I j R f U N = U 0 : Spenning over nøytralpunktet. u 0 = Spenningen over nøytralpunktet i PU, referert til fasespenningen. U f = Fasespenningen. U b = Berøringsspenningen.. Ij = Feilstrømmen. Z op = Total impedans over nøytralpunktet. Z L = Impedansen til spolen. Z C0 = Impedansen til nettets kapasitive avledning til jord. R 0 = Resistiv komponent som består av ohmsk bidrag fra spole og nettet. Den inkluderer også en eventuell parallellmotstand. Rf = Feilmotstand. X L = Reaktansen til kompensasjonsspolen. X C = Reaktansen til kapasitiv avledning mot jord. C j = Fasens kapasitans til jord. L = Spolens induktans. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 14

4.4.1 Strømflyt i nett med spolejordet systemjord. Nullstrømmen vil fordele seg utover radialen, når spole drives i resonans er strømmen ideelt lik null i feilstedet (om vi ser bort i fra de ohmske bidragene fra nett og spole). Nullstrømmen på linjen er størst ved samleskinne og avtar til omtrent null på enden. Ved samleskinne er det ikke mulig å avdekke radial med feil, for på alle avganger har nullstrømmen samme størrelse og retning. Dette kan løses ved bruk av parallell resistans over spolen. Figur 4-6 Strømflyt i et nett med spolejodet systemjord. 4.5 Luftnett. I et rent luftnett er kapasitansene til jord små. De ligger på omtrent 5nF/ km. Ved en direkte jordslutning i et isolert nett blir formelen for jord: I j j C0U f 3 ω Om luftnettet har en utstrekning på 10 km utgjør dette en jordfeilstrøm på 0,6A i et 22 kv nett og 0,3A på et 11 kv nett. Problemet med rene luftnett som ikke er revolterte, er ulik kapasitiv avledning til jord lager en spenning over transformatorens nøytralpunkt. Dette gjør at det ikke vernets U 0 innstilling ikke kan stilles for lavt, noe som gjør det vanskelig å detektere høyohmige feil. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 15

4.6 Kabelnett. Et kabelnett karakteriseres ved store kapasitanser til jord. Som en rimelig verdi kan en sette 0,3µF/km for 22 kv kabelnett nett. I j j C0U f 3 ω Om et kabelnett har en utstrekning på 10 km betyr dette en strøm på 35,59 A i et 22kV nett. Dette er ca. 60 ganger større enn for tilsvarende jordslutning i kabelnett. Dette kan føre til problemer med å overholde forskriftenes krav om berøringspenning. Kabelnett har liten usymmetri noe som muliggjør en lav U 0 innstilling av jordfeilvernet slik at høyohmige feil kan detekteres. 4.7 Blandenett. Er det både kabel og linje i nettet kan det by på problemer. Det kan oppstå store jordfeilstrømmer, som kan føre til høye berøringsspenninger samt at kapasitiv usymmetri gjør det vanskelig å stille lav U 0 spenning. Begrenser det vernets følsomhet til å detektere jordfeil med stor feilmotstand. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 16

5 Lysbuens egenskaper. Meget få jordfeil er metalliske. I de fleste nett forårsaker jordfeilen at det tennes en lysbue på feilstedet. Om lysbuen blir stående eller vil slukke av seg selv, er avhengig av strømmens størrelse og meteorologiske forhold. 5.1 Ionisering. Tørr luft ved normalt trykk og temperatur er en god isolator for elektrisk strøm. Luft er lett, så molekylene av oksygen og nitrogen står langt fra hverandre, og elektronene som svever rundt elektronkjernene er fast bundet til sine skall. Det finnes altså svært få frie elektriske ladete partikler som kan transportere elektrisitet. Om en fugl setter seg på en jordet travers med vingen borti faselederen. Lysbuen tennes ved begge berøringspunktene. Metall fra leder og travers og kjøtt og fuktighet fra fuglen, fordamper og blander seg med luft med lysbuens meget høye temperatur. Med denne høye temperaturen på flere tusen grader har gassmolekylene stor hastighet. Tilfeldige sammenstøt mellom molekyler fører til at elektroner rives løs. Elektroner er negativt ladet, og molekyler som de løsrives fra får dermed en et overskudd av positiv ladning. Det har oppstått et elektrisk plasma der fuglen satt. Så lenge den elektriske strømmen som går gjennom lysbuens plasma er så sterk at den at den klarer å holde temperaturen oppe brenner lysbuen. Plasmaens ledningsevne avhenger av gasssammensetningen på stedet, men mest av temperaturen i lyssøylen, som kan bli opp mot 10 000-20 000 ºC. Brennbetingelsene for lysbuen avhenger derfor av avkjøling fra vind og fuktighet. Det særegne ved lysbuen er at den justerer sitt tverrsnitt av seg selv, slik at spenningsfallet langs lysbuen blir minst mulig. Det betyr at spenning over lysbuen bare avhenger av lyssøylens lengde og gass sammensetning, men ikke av den strømstyrken som passerer gjennom den. Spenningen over lysbuen er relativt liten, så det er impedansen i den øvrige delen av kretsen for feilstrømmen som bestemmer strømmens størrelse. Kan man derfor begrense strømmen gjennom lysbuen på feilstedet, vil effekten bli for liten til å opprettholde temperaturen, og lysbuen slokner. Figur 5-1 Illustrasjon av forskjellen mellom alminnelige gasser (til venstre) og plasma (til høyre). I vanlige gasser er ioner og elektroner bundet sammen av elektriske krefter. I et plasma har de enkelte elektroner og ioner stor nok kinetisk energi til å overvinne denne bindingen, og de ladede partiklene beveger seg fritt i forhold til hverandre. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 17

5.2 Isolerte nett. Energi & Miljø Linje for Elektrisk energiteknikk Det er en vanlig oppfatning at en lysbue som tennes, men som ikke er på mer enn 10 A, vil slukke umiddelbart, men gjentenninger kan forekomme under visse omstendigheter. Fordi spenningen over feilstedet stiger så raskt kan feilen utvikle seg til en intermitterende jordfeil som igjen kan føre til høye overspenninger. Lysbuer opp til 35 A har også en tendens til å dø ut av seg selv om ioniseringstiden er under 0,3 sek. Er den over denne tiden, vil det som regel dannes en stående lysbue. Ved strømmer over 35 A, er det svært sannsynlig at lysbuen blir stående. Det bør også nevnes at det har vist seg at ved storm/orkan slukker lysbuer på langt over 100 A av seg selv, fordi lysbuelengden øker. 5.3 Spolejordet nett. Jordslutningsspolen reduserer risikoen for gjentatte lysbuer fordi den gir lav feilstrøm og dermed liten effektutvikling og ionisering på feilstedet, også fordi at spennings oppbygningen over feilstedet, når lysbuen eventuelt slukker, skjer relativt langsomt. Det har vist seg at selv om en spole ikke er rett innstilt i forhold til feilstrømmen, vil den ha en positiv innvirkning på slukking av lysbuen. Forsøk har vist at gjentenninger av lysbuen ikke avhenger av jordstrømmens størrelse alene. Steilheten til tilbakevendende spenning over feilstedet har betydning. Steilheten har vist seg å være avhengi av kompenseringsgraden og dempingen [5]. 5.4 Lysbue i kabelnett. Det høyspente kabel nettet i Norge består for det meste av treleder kabel. Dermed vil de fleste driftsforstyrrelser være rene kortslutninger som overstrømsreleet kobler ut. Ved enleder kabel øker sjansen for en polt jordfeil. I en y-y koblet transformator uten tertiærvikling kan det kraftige transientforløpet frembringe ferroresonans i to av transformator bena og medføre at kjernen drives i metning ved enpolet jordfeil [4]. I et blandet nett mister spolen sin slukkeeffekt i hele transient perioden. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 18

6 Driftsmetoder for nett med spolejordet systemjording. 6.1 Drift med spolens parallellmotstand tidsforsinket innkoblet. Dette er den vanligste formen for drifting av spolen. Parallellmotstanden kobles inn1-3 sekunder etter at regulatoren har registrert feilen, slik at en lysbue får tid til å slukke ved forbigående jordfeil. 6.2 Drift med spolens parallellmotstand fast til jord. I nett med stor kapasitiv usymmetri til jord, kan en benytte parallellmotstanden til å minske spenningen over nøytralpunktet. Parallellmotstanden ligger da fast til jord, selv uten feil i nettet. Denne metoden kan også benyttes til å drifte nettet i resonans. Metoden kan gjøres på to forskjellige måter: 6.2.1 To parallell motstander. Den ene parallellmotstanden ligger fast til jord, og den andre kobles forsinket inn etter 1-3 sekunder. 6.2.2 En parallellmotstand. Parallellmotstanden ligger fast inne til jord. Ved jordfeil vil motstanden kobles ut kortvarig for å redusere feilstrømmen og forenkle slukkingen av lysbuen, deretter legger den seg inn etter 1-3 sekunder, for å forbedre målegrunnlaget for det retningsbestemte vernet. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 19

6.3 Diskusjon. Hvilken metode som er å foretrekke bestemmes av nettets usymmetri og nettets ohmske avledning til jord, samt spolens ohmske bidrag. 11-22kV nettene er sjelden revolterte i Norge. Således karakteriseres de av stor kapasitiv usymmetri til jord, men det har vi vist seg at nettets ohmske bidrag er så pass stor at den reduserer denne [se 7.1.2 ] Fordeler med drift der parallell motstanden ligger fast til jord: Fjerner/minsker U 0 spenningen i et friskt nett. Mulighet til å drifte nettet i resonans, og dermed ingen reaktiv strøm. Letter slukkingen av lysbue da lysbuen slukker lettere ved ohmskreststrøm en ved reaktivstrøm. Ulemper med drift der parallell motstanden ligger fast til jord: Motstanden vil gi ekstra strøm bidrag til kretsen. Motstanden vil føre til at vernets U 0 verdi må stilles lavere. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 20

7 Usymmetri. Alle nett vil ha en viss usymmetri av kapasitiv avledning mot jord, mellom de forskjellige fasene samt usymmetri i kapasitans mellom fasene, i urevolterte nett. Det er ikke vanlig å revoltere 11kV og 22kVnett. For luftlinjer som ikke revolteres er kapasitansene alltid usymmetriske, mens en- og trefase kabel normalt gir symmetriske forhold. Denne usymmetrien vil føre til at nøytralpunktet vil få potensialforskjell i forhold til ideell jord, og dermed vil det legge seg en spenning mellom ideell jord og nøytralpunktet. Beregninger gjort i nett i 7.1.1 viser at med isolert nullpunkt utgjør ikke denne usymmetrien normalt noe problem, men ved spolejordete nett, vil en kunne få store usymmetrier i fasespenningen. Ved enfaset jordfeil kan fasespenningen bli større en linjespenningen. I et friskt nett vil det også ligge en spenning over nullpunktet. 7.1 Beregninger. For linjeoverføring med plan oppheng uten jordledere viser beregninger at kapasitansen mot jord er 5-15 % lavere for den midtre leder enn for yterlederne. Når det brukes jord ledere blir usymmetrien mot jord mindre, men usymmetrien fasene i mellom blir større [2]. I kabelnettet vil usymmetrien være liten, erfaringer viser at den ligger på 1 % [4]. 7.1.1 Usymmetriens innvirkning på U 0 spenningen. Følgende formel er utledet ved bruk av tyngde punkts metode [Vedlegg I]: Formel 7-1 Uo Relativ økning av U 0 spenningen. = Uf 100 1.5 1 K 3 U 2 200 K = U = Spolens kompenseringsgrad i [%] av kapasitiv jordfeilstrøm. Usymmetri i prosent av kapasitiv avledning til jord Formelen er basert på at all usymmetri er lagt til en fase. Fra Formel 7-1 kan så følgende verdier beregnes for et nett med kapasitiv usymmetrisk avledning til jord. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 21

Tabell 7-1 Beregnede verdier på spenning over transformatorens nullpunkt, i et friskt nett. Usymmetri [%] Isolert nett Spolejordet nett 1 % overkompensert Spolejordet nett 5 % overkompensert 1 0,003 0,33 0,07 0,03 2 0,067 0,67 0,13 0,07 3 0,01 1,01 0,20 0,10 4 0,014 1,35 0,27 0,14 5 0,017 1,64 0,33 0,16 6 0,020 2,04 0,40 0,20 7 0,023 2,38 0,48 0,24 8 0,026 2,73 0,55 0,27 9 0,029 3,09 0,62 0,29 10 0,032 3,22 0,65 0,32 11 0,035 3,53 0,70 0,38 12 0,038 3,84 0,77 0,42 13 0,042 4,15 0,83 0,45 14 0,045 4,45 0,90 0,46 15 0,047 4,76 0,95 0,48 Spolejordet nett 10 % overkompensert Figur 7-1 Spenningen over nullpunktet i et friskt nett. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 22

Kommentar til resultatet: Ved innstillinger nært resonans punktet kan U 0 spenningen bli flere ganger fasespenningen i et friskt nett. Når kompenseringsgraden blir lav, kan U 0 spenningen bli meget høy. Ved en usymmetri på 1 % og en kompenseringsgrad på 5 %, vil en få en U 0 spenning på 3 938V. Slukkespoler bør derfor ikke driftes i resonans, med mindre en resistans ligger fast over spolen. Det er under utvikling regulatorløsninger der en kan drive spolen i resonans. Usymmetri av fasenes kapasitive avledning til jord har liten innvirkning på nett med isolert nullpunkt. 7.1.2 Redusering av nullpunktsspenningen. I et nett med spolejordet systemjording vil en motstand i parallell over spolen minske den usymmetriske nullpunktsspenningen. Dette vil også gjelde for nettets ohmske reststrøm og ohmsk bidrag fra spolen. Denne ohmske reststrømmen kalles gjerne for demping. Størrelsen på den ohmske reststrømmen i nettet varierer i teorien fra 1-15 % av kapasitiv jordfeilstrøm. Den ohmske avledningen mot jord er bestemt av dårlig isolasjon, fuktighet i kabelskjøter, støv- og saltbelegg på isolatorer m.m. En tommelfinger regel er at 1 % av ohmsk strøm kommer fra spolen. Dempingen er ikke kjent før installasjon av spolen, den vil også variere med atmosfæriske forhold. Driftserfaringer har vist at denne dempingen ligger på 5-6 % [11], i Bodø er denne den på 9-10 % [11]. Dette er relativt høyt. Ved følgende beregninger er det antatt et luftnett med utstrekning på 10km og en kapasitiv avledning til jord på 5 nf/km. Formel er utledet fra tyngdepunktsmetoden: Formel 7-2 Uo Relativ økning av U 0 spenningen. Uf 100 = 1.5 K 3 U 2 200 1 K jω C 100 1 K + R 100 tot ( jωc ) tot C tot = Summen av alle fasers kapasitans til jord. K = Spolens kompenseringsgrad i [%] av kapasitiv jordfeilstrøm. U = Usymmetri i prosent av kapasitiv avledning til jord Formelen er basert på at all usymmetri er lagt til en fase. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 23

Tabell 7-2 Innvirkning av ohmskmotstand på U 0 spenningen i et friskt nett. Overkompensert med 1 % av kapasitiv feilstrøm. Usymmetri [%] U 0 uten motstand U 0 R=100Ω U 0 R=1kΩ U 0 R=10kΩ U 0 R=100kΩ U 0 R=1000kΩ 1 0,33U f 0 0 0,02U f 0,14U f 0,32U f 5 1,64U f 0 0,01U f 0,08U f 0,69U f 1,59U f 10 3,22U f 0 0,02U f 0,15U f 1,35U f 3,12U f 15 4,76U f 0 0,02U f 0,22Uf 2,00U f 4,62U f Tabell 7-3 Innvirkning av ohmsk motstand på U 0 spenningen i et friskt nett. Overkompensert med 5 % av kapasitiv feilstrøm. Usymmetri [%] U 0 uten motstand U 0 R=100Ω U 0 R=1kΩ U 0 R=10kΩ U 0 R=100kΩ U 0 R=1000kΩ 1 0,07U f 0 0 0,02U f 0,06U f 0,07U f 5 0,33U f 0 0,01U f 0,08U f 0,31U f 0,34U f 10 0,65U f 0 0,01U f 0,15U f 0,60U f 0,64U f 15 0,95U f 0 0,02U f 0,22U f 0,87U f 0,95U f Tabell 7-4 Innvirkning av ohmsk motstand på U 0 spenning i et friskt nett. Overkompensert med 10 % av kapasitiv feilstrøm. Usymmetri [%] U 0 uten motstand U 0 R=100Ω U 0 R=1kΩ U 0 R=10kΩ U 0 R=100kΩ U 0 R=1000kΩ 1 0,03U f 0 0 0,01U f 0,03U f 0,03U f 5 0,17U f 0 0,01U f 0,07U f 0,17U f 0,17U f 10 0,32U f 0 0,02U f 0,14U f 0,31U f 0,32U f 15 0,48U f 0 0,02U f 0,20U f 0,47U f 0,48U f Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 24

Figur 7-2 Redusering av spenningen over spolens nøytralpunkt ved en usymmetri på 1 %. Figur 7-3 Redusering av spenningen over spolens nøytralpunkt ved en usymmetri på 5 %. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 25

Figur 7-4 Redusering av spenningen over spolens nøytralpunkt ved en usymmetri på 10 %. Figur 7-5 Redusering av spenningen over spolens nøytralpunkt ved en usymmetri på 15 %. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 26

Kommentar til resultat. Ohmsk reststrøm varierer 1-15 % av kapasitiv feilstrøm. Ved en antatt kapasitiv feilstrøm på 50 A, og direkte jordslutning, vil et 11 kv nett gi en resistans på 845-12701Ω. Et 22 kv nett vil gi en resistans på 1694 25 403Ω, ved samme jordfeilstrøm. Figur 7-2 til Figur 7-5 sees det at for verdier under 1000Ω blir spenningen over nøytralpunktet redusert til nesten lik null, for alle spolekompenseringer og kapasitive usymmetrier som er tatt med i beregningene. I området 1-100 kω vil det skje en gradvis økning av U 0 spenningen før den flater ut ved omtrent 100kΩ. Ved drifting opp mot resonanspunktet vil en ha demping helt fram til ca 1000kΩ. Fra beregningene kommer det fram at jo nærmere resonanspunktet en legger spolen, jo mer vil resistansen over spolen virke på U 0 spenningen. Som nevnt tidligere i kapittelet viser driftserfaring at resistiv reststrøm normalt vil ligge på en 5-6 % av kapasitiv feilstrøm. Dette utgjør ca 4619Ω i et 22 kv nett og 2309Ω i 11 kv nett, ved en feilstrøm på 50A. Ved en kapasitiv usymmetri til jord på 15 % vil dette utgjøre en Uo verdi på ca 10 % for et 22kV nett og ca 5 % for et 11kV nett. Er den kapasitive usymmetrien til jord lik 1 % er Uo verdien på under 1 % for både 22kV- og 11kV nettet. I et kabelnett vil kapasitiv usymmetri til jord bli liten, men kapasitansen er større slik at resistansen mister mye av sin reduseringseffekt. Om en antar et kabelnett med 0,3µF/km med en usymmetri på 1 % vil dette innebære en Uo verdi på ca 1,4 %. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 27

7.1.3 Usymmetriens innvirkning på fasespenningene. Den kapasitive usymmetrien til jord vil også påvirke fasespenningen. Figur 7-6 viser forandring i fasespenningen ved en kapasitiv usymmetri på 3 % hentet fra beregningene i Tabell 7-1. Det er her antatt en kapasitiv usymmetri på fase S. Figur 7-6 Forskyving av fasespenningene Geometrisk betraktning av figuren gir nye verdier for fasespenningene: Tabell 7-5 Forandringer i fasespenninger, som en funksjon av kapasitiv usymmetri til jord. I et friskt nett. System jord U R U S U T Isolert 1,01U f 0,98U f 1,01U f Spole 1 % 1,06U f 0,92U f 1,06U f Spole 5 % 1,11U f 0,82U f 1,11U f Spole 10 % 1,74U f 0,03U f 1,74U f Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 28

8 Jordslutningsvern. Jordslutningsvern er aktuelt å bruke i isolerte og spolejordete nett da kortslutningsvernet ikke vil reagere på enkel jordslutning i disse nettene. De kriterier brukt i fordelingsnett for å detektere jordslutning, er måling av nullspenning, nullstrøm og nullstrøm med retning samt transiente forløp under jordslutning. Nullpenningen er bestemt av spenningsdelingen av fasespenningen og motstanden på feilstedet. Feilstrømmen er hovedsakelig bestemt av nettets kapasitans til jord 8.1 Nullspenningsreleer. I feilfri tilstand vil nettets, dvs. hovedtransformatorens, nøytralpunkt ligge på eller ha tilnærmet jordpotensial U N 0 og dermed også U 0 0. Nullspenningsreleer er det vanligste signalvern for jordslutning. Det inngår ofte som del i mer kompliserte jordslutningsvern. Da nullspenningen i samme nett (metallisk sammenkoblet nett) tilnærmet er lik null over hele nettet, vil alle nullspenningsreleer i dette nettet registrere feil ved en jordslutning. Nullspenningsreelets signalgivning sier således ingenting om feilstedets beliggenhet. I vanlige nett, med bare nullspenningsreleer, må en derfor seksjonere nettet og prøveutkoble linjer og kabler for å lokalisere feilstedet. I enkle nett kan prøveutkoblingen skje automatisk. Automatikken virker slik at så lenge nullspenningsreleet ligger tiltrukket så kobler den ut og inn linjene etter tur inntil nullspenningsreleet går tilbake. Den sist utkoblete linjen er da den feilberørte. Denne kobles også inn igjen. Er feilen da borte stopper automatikken, men trekker nullspenningsreleet til på ny, blir linjen utkoblet igjen Hvis man ønsker det kan man gjøre enda et innkoblingsforsøk, men da normalt etter en lengre spenningsløs pause enn første gangen. Hvis automatikken ikke finner feilen på noen av linjene, må feilen ligge på samleskinne. Siste del i utkoblingssyklusen er derfor utkobling av samleskinne. Slike utkoblinger går utover leveringskvaliteten på elektrisk kraft. 8.2 Nullstrømsreeler. Ved jordslutning vil det flyte en større eller mindre nullstrøm i alle nettets linjer og kabler, gitt av kapasitiv og reaktiv avledning til jord, der den kapasitive strømmen vil dominere. Jordslutningsvern kan derfor baseres på måling av nullstrøm, dvs. overstrømsreleer måler nullstrøm og lar disse virke når nullstrømmen overstiger en viss verdi. Nullstrømmene er normalt små, og dette medfører at det kan være vaskelig å gjøre vernet selektivt. I noen tilfeller, som for eksempel i radialnett, og da særlig kabelnett i byer, kan nullstrømsreelene brukes som selektiv nullstrømsvern. Det kan brukes en billig kabel-sumtransformator som summerer fasestrømmene. Dersom nettet er spolejordet, kan en avgang med feil ikke detekteres ved resonans under ideelle forhold, og selektiviteten vil være basert på ohmsk reststrøm, og vernet kobler over en ohmsk motstand for å lette selektiviteten. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 29

8.3 Jordfeilretningsreleer. Retningen til summen av strøm på feilfrie avganger og avgang med feil vil være motsatt rettet. I isolerte nett kan en bruke releer som måler den reaktive andelen av feilstrøm referert til U 0, dvs. U 0 sin φ 0 og det starter sin måling dersom U 0 overskrider et innstilt nivå. Dette vil gi en sikker lokalisering av feilstedet. Det kan vises at vinkelen mellom U 0 og I 0 er konstant selv om det er en overgangsmotstand på feilstedet, slik at releet kan gi tilfredsstillende funksjon avhengig av hvor stor jordfeilmotstand en ønsker at releet skal detektere. For spolejordete nett ved ideell kompensering er det bare tilbake en liten aktiv reststrøm (1-15 % av den kapasitive strøm) se Figur 11-1 Utløsekriteriet for vernets cos φ innstilling. Nå kan det ideelt brukes et relé som måler I 0 cos φ 0 referert U 0. Denne relé typen har det imidlertid vært vanskelig med å gi sikker relé virkning, slik at det gjøres kunstgrep ved å vri vernets koordinatsystem og dermed øke målekriteriet. En motstand kan kobles i parallelt med spolen for å lette målingen. En annen mulighet er å måle 5. harmonisk reaktiv effekt fordi spolene ikke kompenserer denne. 8.4 Jordslutningsimpulsreleer. Jordslutningsimpulsreleet er et retningsrelé som er spesielt beregnet for signalgiving, og det brukes svært sjelden til utkobling. Releet måler nullstrømmen og nullspenningen for den linja den står i og virker tilsynelatende som det wattmetriske releet. Det måler imidlertid ikke den stasjonære tilstanden under jordslutning, men foretar sine målinger under omladnings- og innsvingningsperioden i det jordslutningen inntreffer. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 30

8.5 Utvidete funksjoner for resonansregulatorer (Redundans). Regulatoren har mulighet til å til å foreta parallelle beregninger av måle data fra dykkspolen og nettet basert på tre ulike prinsipper: Wischermetode (transientmåling) Wattmetrisk admittansmetode Wattmetrisk admittansmetode kombinert med regulering av dykkspolen Basert på de samlede resultater vil regulatoren finne om det er jordfeil eller ikke, hvor jordfeil er osv. Fordelen med å kombinere disse metodene er sikrere detektering samt at man dekker alt fra transiente feil til høyohmige feil. Beregninger utføres på nettes naturlige strømmer, dermed er det ikke behov for en parallell motstand. En annen fordel er at man ikke trenger retningsbestemte jordfeilvern. Dette bør sees på økonomisk, der det er nødvendig å skifte ut reléparken ved anskaffelse av jordslutningsspoler. Detektering av topolet jordfeil. En polet jordfeil vil kunne utvikle seg til en topolet kortsluttning. Det finnes vernsystemer i dag som kan detektere hvilke avganger det gjelder, og koble ut. Det er dermed mulig å opprettholde drift i et anlegg med en enpolet jordfeil. Fremtidig regulatorløsning, der man driver nettet i resonans. Virker slik at nettet i frisk tilstand virker som et direktejordet nett. Ved en jordfeil vil alle fordeler med et kompensert nett beholdes. Ingen nullpunkt spenning i feilfri nett.(problemet med usymmetri vil være løst) Nettets kompensasjonstilstand er alltid kjent Meget enkel deteksjon av høyohmige jordfeil. Ingen tileggs strøm i nøytralpunkt, slik andre driftsformer i resonans vil gi. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 31

9 Måling av jordfeilstrøm. 9.1 Kabelstrømtransformator. Kabelstrømtransformator virker ved at den summerer strømmene gjennom lederne. I et friskt nett blir summen av fasestrømmene null. Er denne strømmen ikke lik null, vil det induseres en strøm i sekundærviklingen på transformatoren som igjen vil gi signal til utkobling/varling. På grunn av kapasitanser mellom lederne, mellom lederne og skjerm, samt at lederne induserer strøm, vil det gå en kappestrøm i kabelskjerm/mantel, slik at summen ikke blir lik null og det kan forekomme feildetektering. For å unngå dette føres denne strømmen tilbake gjennom måletransformator slik at summen av denne strømmen blir null. Fordelen med denne metoden er at den bare ser på 0-systemet og således har ikke last og kortslutningsstrøm innvirkning på målingene. Figur 9-1 Kobling av kabelstrømstransformator. 9.2 Holmgrenskobling. Holmgrenskobling virker ved at fasestrømstransformatorer plasseres i alle faser. Sekundærspenningen summeres. Denne metoden er en rimeligere løsning enn kabelstrømstransformatoren men den har sine svakheter: Høyt omsetningsforhold på fasestrømstransformatorene kan gjøre det vanskelig å detektere små strømmer. En liten forskjell i magnetiseringskarakteristikken mellom kjernene kan føre til feil utkoblinger, spesielt ved kortsluttning. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 32

10 Måling av nullpunktsspenning. Nullpunktsspenning kan måles på flere måter. Den vil være den samme uansett hvor det måles i systemet. Figur 10-1 Måling av nullpunktsspenning.. 1. Direkte måling av nullpunktsspenningen. Måler over transformatorens nullpunkt og jord. På grunn av spenningstrafoens høye impedans i sekundærviklingen vil ikke målemetoden påvirke jordingsforholdene. Denne metoden er mest brukt i nett med spolejordet systemjording. 2. Måling av fasespenningene. Ved full jordslutning synker spenningen i feilbefengt fase. Ved direktejordslutning minsker spenningen i feilbefengt fase til null, og de friskefasene får linjespenning mot jord. 3. Måling av nullpunktsspenningen med spenningstransformator. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 33

11 Parallellmotstand. Motstanden i parallell over spolen kan ha flere funksjoner: 1. Øke det ohmske bidraget til jordfeilstrømmen slik at avgang med feil blir dratt inn i utløsesonen til det retningsbestemte jordfeilvernet. 2. Minske nullpunktsspenningen. Det retningsbestemte jordfeilvernet benytter normalt den kapasitive strømkomponenten som målegrunnlag for detektering av jordfeil, men ved overgang til spolejordet nett er ikke dette en mulighet da den kapasitive strømmen blir svært liten pga. kompenseringen. Et alternativ er å bruke den ohmske delen av jordfeilstrømmen. Avhengig av nettet, er den ohmske feilstrømmen i størrelsesorden 1-15 % av den kapasitive feilstrømmen. Dette kan være for lite til at vernet greier å detektere den. Derfor kobles det inn en tilleggs motstand som gir et ekstra bidrag til den ohmske strømkomponenten. Figur 11-1 Utløsekriteriet for vernets cos φ innstilling Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 34

Parallellmotstanden kobles i parallell over spolen. På nyere spoler kobles den til nettet over en 500V tilleggsvikling på spolen. For eldre jordslutningsspoler kan en separat parallell motstand med egen transformator, kobles over spolen. Vanligvis kobles parallell motstanden inn forsinket, 1 3 sek, for å gi jordslutningsspolen tid til å slukke forbigående jordfeil. Ved dimensjonering må forskriftene betraktes. Velges en motstand som bidrar med mer enn 10A kan det bli problemer med å detektere høyohmige jordfeil (se kapitel 17.7). En høyere ohmsk strøm bidrar til å øke skrittspenningen på stedet, men den bidrar også til å redusere transiente overspenninger ved intermitterende jordfeil. Velges en for lav strøm vil det kunne oppstå problemer med jordfeilvernets følsomhet til å registrere I 0. De fleste parallellmotstander kan kobles om innen visse grenser, men korrekt dimensjonering bør beregnes før anskaffelse. Som nevnt i kapitel 7.1.3 kan parallellmotstanden også benyttes til å dempe resonanskurvens U 0 spenning. Dette kan gjøres på flere måter. Motstanden vil da ligge inne kontinuerlig. Ved jordfeil vil motstanden kobles ut kortvarig for å redusere feilstrømmen og forenkle slukkingen av lysbuen. Etter 1-3 sekunder kobles motstanden inn igjen for å forbedre målegrunnlaget for det retningsbestemte jordfeilvernet. Dette kan også gjøres ved å ha en motstand fast til jord i parallell med tidsforsinket parallell motstand. Motstanden styres av regulatoren eller egen styreenhet med tidsforsinkelse. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 35

12 Feilaktig detektering. Vernets U 0 innstilling definerer når det er jordfeil, mens vernets I 0 innstilling definerer hvor (hvilken avgang) feilen er. Ved spolejordet nett bruker en vernets I 0 cos φ innstilling. Dette er ikke helt problemfritt: 12.1 Feilaktig utkobling. Ved overgang til spolejordete nett har mange energiverk erfart at friske avganger løser ut. Dette kan skyldes vinkel feil fra måletransformatorene og relévern. I et isolert nett er vinkelforskjellen mellom feilbefengt avgang og bakenforliggende feil tilnærmet lik 180º. Figur 12-1 Utløse kriteriet for nett med isolert nullpunkt. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 36

12.1.1 Vinkelfeil I et spolejordet nett er det liten vinkelforskjell mellom feilstrømmen i feilrammet avgang og bakenforliggende feil. Dette er fordi en ikke kan benytte vernets forover- eller bakoverretning. Vinkel feil fra blant annet måletransformatorene kan da føre til at bakenforliggende feil blir dratt inn i utløsesektoren for vernet. Figur 12-2 Vinkelfeilens innvirkning på deteksjon av målestrømmer. Ved cos φ innstilling. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 37

12.2 Manglende utkobling. Ved overgang til spolejordet nett brukes den ohmske komponenten av jordfeilstrømmen (I 0 cos φ) til å måle feilstrømmensretning. Denne resistive reststrømmen utgjør normalt 1-15 % av feilstrømmen og kan være for liten til at vernet havner i utløsesonen. Figur 12-3 Manglende utkobling ved cos φ innstilling. 12.3 Andre faktorer. Ved bortfall av spole, vil vern som står i spolejordet nett kunne oppdage jordfeil også når nettet drives isolert avhengig av den ohmske reststrømmen. Ved sammenkobling av to nettdeler som drives separat (spolejordet- og isolert nett) vil nettet bli overkompensert eller underkompensert avhengig av spole ytelsen. Ved under kompensert drift vil vernet kunne detektere jordfeil. Dette avhenger spolens samlede underkompenseringsgrad og resistiv reststrøm. Drives nettene sammenkoblet over lengre tid, bør man ha mulighet for automatisk å stille vernene om fra cos φ måling til sin φ måling ved hjelp av eksterne styre signaler til releene. Ved omlegging bør vernene ha mulighet for to innstilings grupper, slik at man kan endre innstillingene automatisk ved hjelp av signal på en binærinngang. Dette for å sikre selektivitet og optimale utløsningstider. En alternativ løsning er å benytte vern med en utløse sektor som fritt kan stilles fra 0-360, men denne løsningen vil ikke være like god med hensyn på å sikre selektivitet og optimale utløsetider ved alternative driftsformer. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 38

13 Tilkobling av jordslutningsspole til nettet. 13.1 Tilkobling via transformatornullpunkt. Dette er den vanligste måten å koble spolen til nettet på, spolen til transformatorens nullpunkt via en skillebryter. Denne tilkoblingen er den enkleste, men den har også sine begrensninger. Da strømmen fra jordslutningsspolen vil ha samme retning i alle trefasene må det sikres at nullfølgefeltet i transformatoren kan få flyte fritt og at transformatorkoblingen ikke gir for stor tileggsreaktans til spolereaktansen. Det må også taes hensyn til at spolestrømmen kommer i tilegg til transformatorens normale laststrøm: Stjerne/trekant koblede transformatorer kan normalt belastes kontinuerlig med inntil 50 % av sin fase strøm. Stjerne/trekant koblede transformatorer kan normalt ikke belastes med mer enn 15-20 % av sin fasestrøm. Kortvarig kan en transformator belastes med høyere nullpunktsstrømmer, men dersom det skulle oppstå intermitterende jordfeil eller flere påfølgende jordfeil, vil transformatoren lett kunne overopphetes. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 39

13.2 Tilkobling via kunstig nullpunkt. I de tilfeller jordslutningsstrømmen er for stor kan jordslutningsspolene i stedet tilkobles via et kunstig nullpunkt. Det kan gjøres ved hjelp av en Z-koblet transformator som er dimensjonert for spolens merkestrøm. Alternativt kan også benyttes en standard distribusjon transformator koblet Ynd. Figur 13-1 Tilkobling av jordslutningsspolen til nettet ved hjelp av kunstig nullpunkt. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 40

14 Feilberegning. I BE har man opplevd at beregnet verdi i Netbas og måling av jordfeilstrømmen ikke stemmer overens. Regulatoren viser en tredje verdi. For luftlinje vil kapasitansen mot jord kunne variere med årstiden. Om vinteren vil snøen kunne redusere avstanden til bakken, og på sommeren vil busker og lignende påvirke kapasitansene til jord. I Norge er terrenget langs en ledningsgate ofte veldig kupert, om det i tilegg er skog under eller langs gaten vil den heve jordens potensial opp mot ledningene Avstanden blir mindre enn forutsatt og kapasitansene mot jord blir større og således blir målt jordstrøm større. Om sommeren kan man ha kraftig vegetasjon under ledningsgatene som øker kapasitansene mot jord, og om vinteren vil et tykt snølag ha samme innvirkning. Snø og islag på lederne vil også øke kapasitansene mellom lederne innbyrdes og mellom leder og jord. Dette skyldes både økning i ε r (relativ dilektrisitetskonstant) for snølaget på lederne og redusert høyde over marken pga. av større nedheng. Det vil også komme tilegg i kapasitans fra master, transformatorer, og apparatanlegg. Avstand fra bakke og leder vil også kunne gå andre vei slik at kapasitansen mot jord ble mindre for eksempel ved strekk over søkk. For en del materialer avhenger ε r merkbart av temperaturen. For eksempel for en type P.V.C isolert 12kV kabel er ε r ved 0º lik 0,7 ε r20 og ε r ved 80º lik 1,6 ε r20 dvs. at ladestrømmene er dobbelt så stor ved 80 C som ved 0 C. Jordslutningsvern i høgspente (opptil 24 kv) fordelingsnett 41