Exam text content

Tampereen teknillinen yliopisto 1(4)
Sähköenergiatekniikka
Kari Kannus

SVT-4400 Suurjännitetekniikka 2
Tentti 7.5.2012

EI KIRJALLISUUTTA. Oman laskimen käyttö sallittu. Kirjoittakaa vastaukset
selvällä — käsialalla. | Merkitkää — jokaiseen — vastauspaperiin nimenne = ja
opiskelijanumeronne. Tentin maksimipistemäärä on 67 p. ja läpäisyraja on 26 p.
Kiitettävän (5) saa 57-67 pisteellä.

Vastausintoa ja hyvää kevättä kaikille!

1. Selvitä lyhyesti seuraavien suurjännitetekniikkaan liittyvien käsitteiden merkitys

a) Ferranti -ilmiö (7 p.)

b) ukkosjohtimien reduktiokerroin (7 p.)
€) salaman kerrannaisuus (7 p.)

d) 3/0- testi (1 p.)

€) up-and-down —testausmenetelmä (7 p.)
£) aktiivinen eristin (1 p.)

2. a) Selvitä lyhyesti syyt, minkä vuoksi suurjänniteavojohdoilla ja sähköasemilla
käytetään ukkosjohtimia. (3 p.)

3. Mitä tapahtuu avojohdossa kulkevalle syöksyjänniteaallon (kulkuaallon)
amplitudille, kun se kohtaa
a) avoimen johdon pään
b) kaapelin ? (3p.)

4. Miksi pitkillä eristinketjuilla ja sauvaeristimillä käytetään ns. suojasarvia (joko
eristimen kummassakin päässä tai vain toisessa päässä) ? (3 p.)

5. Mistä eri syistä sähköverkkoihin voi muodostua käyttötaajuisia ylijännitteitä?
(4p.)
6. Mitkä seikat ovat huonoja ominaisuuksia kipinävälien käytössä (verrattuna

venttiilisuojiin) jakelumuuntajien ylijännitesuojina? (4 p.)

7. Minkä tyyppisiä ylijännitesuojakomponentteja voidaan käyttää rakennusten
sisäisessä ukkossuojauksessa? (2 p.)

8. Mitä eri eristysmateriaaleja käytetään suurjännite-eristimien valmistuksessa?
(2p.)

9. Luettele kuristimien viisi eri käyttötarkoitusta suurjänniteverkoissa. (3 p.)
2

10. — Salaman isku aiheuttaa sähköverkkoon — erisuuruisia ja erimuotoisia
syöksyjänniterasituksia riippuen iskukohteesta. Samoin verkon kytkentätoimenpiteet
voivat aiheuttaa verkkoon ylijännitepulsseja. Yhdistä seuraavista syöksyjännitepulssin
aaltomuotoparametripareista (rinnan nousuaika / selän puoliarvonaika) parhaiten kutakin
erityyppistä syöksyjänniterasitusta kuvaavaan vaihtoehtoon. (2 p.)

1. Suora positiivisen salaman isku vaihejohtimeen

2. Takaisku (eli salaman isku jännitteettömään osaan, josta ylilyönti vaihejohtimeen)

3. Indusoitunut negatiivinen ylijännite (eli negatiivisen salaman isku maahan lähelle
johdinta)

4. Kytkentäsyöksyjännite

22/230 us
250/2500 us
5/75us
0,5/10 js

vnm>

11. — Erään suurjännitelaboratorion syöksyjännitemittausjärjestelmän jakosuhde on
1985 ja vastausaika on -10 ns (siis negatiivinen vastausaika). 24 kV verkon
jakelumuuntajan jyrkän, lineaarisesti nousevan (nousunopeus 2000 kV/yus),
rinnalta katkaistun aallon kestotestauksessa mittausjärjestelmä näytti jännitteen
huippuarvoksi 150 V. Mikä oli ”todellinen” (jakelumuuntajaakin rasittanut)
suurjännitteen huippuarvo? (4p.)

12. — Teelyhyesti selkoa, kuinka tyypillisessä suurjännitekondensaattorissa
huolehditaan siitä, että

a) kondensaattoriin ei jää vaarallista varausta irtikytkennän jälkeen
b) kondensaattorin eristysrakenteisiin ei jää vettä heikentämään jännitelujuutta
c) eristyskalvojen impregnointi tapahtuu hyvin.

(3p.)

d) Suurjännitekondensaattorielementin valmistukseen on käytettävissä 50 metriä
alumiinifoliota (paksuus 5 jm, leveys 31 cm) ja 150 metriä polypropyleenikalvoa
(paksuus 11 jm, leveys 31 cm). Päällekkäisistä folioista ja eristyskalvoista käämitään
rulla, joka sitten litistetään käämielementiksi. Riittävän jännitelujuuden varmistamiseksi
eristyksessä käytetään kolmea päällekkäistä polypropyleenikalvoa. Polypropyleenin ja
käytettävän kyllästysnesteen suhteellinen permittiviteetti on 2,25. Mikä tulee olemaan
kondensaattorielementin kapasitanssi ?

(Tyhjön permittiviteetti on 8.85 x 10? As/Vm). (3 p.)

e) Yllämainituista käämielementeistä kootaan suurjännitekondensaattoriyksikkö siten,
että 12 elementtiä kytketään rinnakkain ja tällaisia käämipaketteja kytketään 3 sarjaan.
Kondensaattoriyksikön nimellisjännitteeksi on valittu 6350 Vrms jä nimellistaajuudeksi 50
Hz. Mikä on kondensaattoriyksikön nimellisloisteho? Kuinka suuret ovat
kondensaattoriyksikön dielektriset tehohäviöt, kun mittauksilla yksikön häviökertoimeksi
on määritetty 0,00018? (3 p.)

 
3
13. Tee selkoa tyypillisen nykyaikaisen suurjännitekaapelin rakenteesta ja
materiaaleista. (6 p.)

14. — Minkättyyppisellä jännitteenjakajalla voidaan mitata parhaiten suuria
a) tasajännitteitä (keskiarvoja)
b) vaihtojännitteitä
c) kytkentäsyöksyjännitteitä ? (2 p.)

15. 123 kV — verkon — komposiittieristimen = valmistaja = teki — eristimen
ylilyöntilujuusmitoituksen salamasyöksyjännitteellä aluksi siten, että up-and-
down —-jännitelujuusmäärityksen perusteella laskettu eristimen tilastollinen
kestojännite oli — juuri sama kuin IEC-standardin mukainen
nimelliskestojännitevaatimus 550 kV. Myöhemmin valmistaja huomasi, että
heidän riskinsä ostajan edellyttämässä 15/2 -koestuksessa on liian suuri (ts. riski
sille, että heidän kestojännitevaatimuksen täyttävä eristin hylätään koestuksessa),
minkä vuoksi valmistaja päätti mitoittaa eristimen ylilyöntilujuuden uudelleen
sellaiseksi, että heidän riskinsä 15/2 -koestuksessa on korkeintaan 2%. Mikä pitää
uudesta up-and-down —jännitelujuusmäärityksestä saatavan Usog -arvon vähintään
olla, jotta edellä esitetty uusi riskitasovaatimus täyttyy?
arvoa 3% . Eristimen ylilyöntilujuuden oletetaan noudattavan normaalijakaumaa.
Kuvassa 1 on esitetty 15/2 -koestuksen ja 3/0 -koestuksen tunnusfunktiot.

(7 p.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[vj

> 05 u 10

 

-10 0 0
u

Kuva 1. 15/2 -koestuksen ja 3/0 -koestuksen tunnusfunktiot.
P) on läpäisytodennäköisyys koestuksessa ja u = (Usw — Uw)/0 , missä
Usy ON laitteen (mittauksilla määritetty) tilastollinen kestojännite U10%, Uwon
laitteelle standardissa määritelty nimelliskestojännite ja o on
jännitelujuusmäärityksen keskihajonta.
 

4

16. = Olet saanut tehtäväksi hankkia yhtiönne sammutettuun keskijänniteverkkoon
uusia metallioksidiylijännitesuojia (vaihe-maa-suojia). Olet selvittänyt, että pisin
mahdollinen yhteen häiriötapahtumaan liittyvä maasulun kokonaiskestoaika
verkossanne on 50 s ja suurin verkossa käytettävä pääjännite on 22,5 kV.
a) Määritä oheisen TOV-käyrän avulla valittavalle suojatyypille sopiva suurimman
sallitun jatkuvan käyttötaajuisen jännitteen arvo (U,) yhden kilovoltin tarkkuudella.
(5 p.)

b) Mikä olisi sopiva nimellispurkausvirran (1,) arvo suojalle? (1 p.)

c) Mikäolisi riittävän hyvä suojan suojaustaso (eli max jäännösjännite suojan yli
nimellispurkausvirralla)? (7 p.)

Huom! Kuvassa oleva pystyakselin suure on Urov/ U. , eikä U, / U, kuten
alkuperäisestä suojaesitteen kuvasta ensisilmäyksellä voisi lukea.
(Opetus: Manuaalien käyrästöjä täytyy tutkia kriittisesti ennen niiden käyttämistä!)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U lUc
Power freguency voltage versus 1.50 =
time characteristic E
1.45
The curve opposite shows the time for MI Ul
which an arrester can withstand power — 1:40 avi" J
freguency temporary overvaltages (TOW) = 435| | fi
without suffering any damage. ; 5 miin |
1.30 "fi
125 — 1 s
J "r
20 I ]
1.15 1 is; E
110 | HU si
— 2t 60C, vithout prior energy
vee 2160FC, plus 100 KA ad/10ys O Sir
prior energy 1.00 | | |
0.1 1 10 100 1000 — 10000 — 100000 sec

Urov/ U.