Keskijännitekaapeleiden kunnon arviointi - · PDF fileKaapeli ID U 0 [kV] Kaapelityyppi...

Keskijännitekaapeleiden

kunnon arviointi

Pertti Pakonen

Tampereen teknillinen yliopisto

[email protected]

Energiateollisuuden tutkimusseminaari

30.1.2018 Marina Congress Center, Helsinki

mailto:[email protected]

Tutkimuksen tavoitteet• Kerätä mittaustietoa Suomessa käytössä olevien 20 kV ja 10 kV

keskijännitemaakaapelijärjestelmien häviökertoimista ja osittaispurkauksista

• Muodostaa kerätyn häviökerroinmittaustiedon pohjalta kaapelijärjestelmille

kuntoluokitus verkkoyhtiöissä tehtävien kunnonvalvontamittausten tueksi

• Vertailla eri mittausmenetelmiä ja arvioida niiden soveltuvuutta

kaapelijärjestelmien kunnon arviointiin kunnonvalvonta- ja

käyttöönottomittauksissa

• Kaapelijärjestelmä:

– Sisältää kaapelin ja kaapelivarusteet (jatkokset ja päätteet)

– Käytännössä mittauksissa on yleensä mukana lisäksi kaapelin molempien päiden

kojeistoista vähintään erottimen tai katkaisijan kaapeliin kytketty puoli

eristysrakenteineen

30.1.2018Pertti Pakonen 2

Aikataulu ja rahoitus• Aikataulu: 1.9.2016…31.12.2017

• Rahoitus:

– Sähkötutkimuspooli

– Verkkoyhtiöt (12 kpl):

• Mittaukset tehtiin hanketta rahoittaneiden verkkoyhtiöiden verkoissa

(rahoituksen lisäksi tukivat hanketta myös työpanoksellaan)


• Caruna Oy

• Elenia Oy

• Helen Sähköverkko Oy

• Kymenlaakson Sähköverkko Oy

• LE-Sähköverkko Oy

• Napapiirin Energia ja Vesi Oy

• PKS Sähkönsiirto Oy

• Savon Voima Verkko Oy

• Tampereen Sähköverkko Oy

• Turku Energia Sähköverkot Oy

• Vakka-Suomen Voima Oy

• Vantaan Energia Sähköverkot Oy

Toteutus• Kirjallisuustutkimus (TTY)

• Häviökerroinmittauksia ja off-line-osittaispurkausmittauksia yhteensä

noin 100:lle kolmivaihekaapelijärjestelmälle (Dekra Industrial Oy)

• Käytönaikaisia on-line-osittaispurkausmittauksia kahdella eri

mittausmenetelmällä yli 50 kolmivaihekaapelijärjestelmälle– HFCT-mittauksia suurtaajuusvirtamuuntajilla ja oskilloskoopilla (TTY)

– Pry-Cam-mittauksia (Prysmian Finland Oy)

• Tulosten tilastollinen tarkastelu (TTY) ja raportointi (TTY, Dekra,

Prysmian), mm.– Vertailu standardin IEEE Std400.2-2013 ”Guide for Field Testing of Shielded Power Cable

Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)” raja-arvoihin

– Raja-arvojen estimointi kaapelijärjestelmien kuntoluokille mittaustietojen perusteella30.1.2018Pertti Pakonen 4

Mitatut kaapelijärjestelmätJännite-

taso [kV] Kaapelityyppi

Kaapeleiden

asennusvuodet

Mitatattuja 3-v.

kaapeleita [kpl] Mitatattujen kaapeleiden asennusvuodet

10 APYAKMM 1966-1993 15 1967, 1972, 1974-1975, 1977, 1980-1981, 1986, 1988-1989

10 APAKM 1959-1993 9 1966-1967, 1970, 1972, 1977, 1982, 1990

10 PLKVJ 1950-1980 7 1950, 1955, 1962, 1963, 1964, 1969, 1972

10 AHXAMK-W 2005 1 2012

20 APYAKMM 1960-1996 34 1964…1992

20 AHXAMK-W 1986- 34 1985...2003 (+ joitain 2007, 2011, 2015)

Yhteensä 100


APAKM, PLKVJ

AHXAMK-W

PYLKVJ, APYAKMM (muovivaippa)

Häviökerroinmittaus• Off-line-mittaus (vaatii käyttökatkon)

• Voidaan tehdä

– VLF (very low frequency)

-jännitteellä,

– 50 Hz jännitteellä tai

– DAC (damped AC) -jännitteellä

• Soveltuu sähköisten eristysten

kunnonvalvontaan, kaapeleissa esim.

vesipuiden havaitsemiseen

muovieristyksissä ja kosteuden

havaitsemiseen öljypaperieristyksissä

• Kuvaa koko erityksen kuntoa, heikentynyttä

kohtaa ei pystytä mittauksella paikantamaan


C

R

I

I

CR

1

tan

Standardi IEEE Std400.2-2013

VLF-häviökerroinmittauksiin liittyen• Häviökerroinmittaukset suositellaan

tehtäväksi jännitteillä 0,5 x U0, 1,0 x U0 ja

1,5 U0, missä U0 on kaapelin normaali

käyttöjännite (vaihejännite)

• 6-10 mittausta / jännitetaso

• Mitattavat ja tarkasteltavat tunnusluvut:

– Häviökerrointen keskiarvo jännitteellä U0 ,

VLF-TD(U0)

– Häviökertoimen muutos jännitteen funktiona,

VLF-DTD = TD (1,5 x U0) – TD(0,5 x U0)

– Häviökerrointen keskihajonta (VLF-TDTS)


IEEE Std400.2-2013 raja-arvot Pe, XLPE

ja TRXLPE-kaapeleille

Mittausolosuhteiden ja kojeiston

vaikutus häviökerroinmittaustuloksiin (1)


• Erityisesti normaalia suurempien häviökerroinmittaustulosten tapauksessa on

syytä varmistaa, että kojeisto tai esimerkiksi likaiset ja/tai kosteat päätteet

eivät ole vaikuttaneet mittaustulokseen

• Häviökerroinmittauksia tehtäessä tulisi varmistua siitä, että ilman suhteellinen

kosteus ei ole liian suuri (> 80 %) ja että kondensoitumista ei tapahdu

L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3

79 11.6 AHXAMK-W 185 250 2012 311.9 293.7 269.0 -78.6 -58.7 -37.6 8.6 6.6 5.4

Uusintamittaus kaapelin päät irrotettuna kojeistosta:

79 11.6 AHXAMK-W 185 250 2012 39.0 1.4 1.1

65 5.8 PLKVJ 120 207 1972 176.8 203.5 210.5 -81.4 -144.7 -181.9 9.7 17.9 26.1

Uusintamittaus kaapelipääte puhdistettuna:

65 5.8 PLKVJ 120 207 1972 189.6 -173.1 32.9

Poikki-

pinta

Pituus

[m]

Asennus-

vuosi

Kaapeli

IDU0 [kV] Kaapelityyppi Häviökerroin 1.0 x U0 Delta TD Stdev

x 10-3 x 10-3 x 10-3

Häviökertoimet asennusvuoden

funktiona - 20 kV APYAKMM


• Kaapelijärjestelmän asennusvuoden

ja häviökertoimen välillä ei näytä

olevan selvää korrelaatiota

➢ Kaapelijärjestelmän kunnon

arvioinnin tulisi perustua mittauksiin

eikä kaapelin ikään

1960 1995 19951960

Esimerkkitapaus: mittausten

jälkeen vikaantunut kaapeli (1)


Muutamia viikkoja mittausten

jälkeen vikaantunut kaapeli

• Yksi mitatuista APAKM 3x120 10 kV -

kaapelijärjestelmistä (pituus 620 m, as. v. 1972)

vikaantui muutamia viikkoja mittausten jälkeen

• Läpilyönti tapahtui vaiheessa L1 noin 32 m

mittauspäästä

• Häviökertoimen keskihajonta ylitti IEEE Std400.2-

2013 alemman raja-arvon (”edellyttää tarkempaa

tutkimusta”) ja muutos jännitteen funktiona oli suuri

Esimerkkitapaus: mittausten

jälkeen vikaantunut kaapeli (2)


Korrelaatio häviökertoimen ja

osittaispurkausten välillä heikko

• Kaapelijärjestelmän häviökertoimen ja

osittaispurkausten välillä ei havaittu selvää korrelaatiota

• Vaikka kaapelijärjestelmässä oli voimakkaitakin

osittaispurkauksia, häviökerrointunnusluvut eivät

välttämättä olleet suuria


Esimerkki 10 kV AHXAMK-W-

Kaapelista, pituus 2080 m

Kaapelijärjestelmien kuntoluokkien

raja-arvoestimaattien määrittely

• Otokset kaapelityyppiä kohden olivat vielä melko pieniä, mutta

varsinkin 20 kV kaapeleiden osalta tilastolliseen tarkasteluun riittäviä

• Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit määritettiin

häviökerrointunnuslukujen kertymäfunktioiden prosenttipisteiden

pohjalta

– Ei edellytä toimenpiteitä: p < 80 % (perustuen ns. pareto-

periaatteeseen: populaation huonoin 20 % aiheuttaa 80 % ongelmista)

– Edellyttää tarkempaa tutkimusta: 80 % < p < 95 %

– Vaatii toimenpiteitä: p > 95 %


Häviökerrointunnuslukujen

kertymäfunktiot - 20 kV APYAKMM


Standardin IEEE Std400.2-2013 alemmat raja-arvot merkitty kuviin sinisellä pystyviivalla

Häviökerrointunnuslukujen

kertymäfunktiot - 20 kV AHXAMK-W


Standardin IEEE Std400.2-2013 alemmat raja-arvot merkitty kuviin sinisellä pystyviivalla

Kuntoluokkien raja-arvoestimaatit

20 kV AHXAMK-W-kaapelille


Kuntoarvio

20 kV AHXAMK-W IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.062 ja < 5 < 1.2 ja < 4 < 1.9 ja -0.15…0.05

Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1…0.5 0.062…0.23 tai 5…80 1.2…4.2 tai 4…50 1.9…13.5 tai 0.05…0.5

Vaatii toimenpiteitä > 0.5 > 0.23 tai >80 > 4.2 tai > 50 > 13.5 tai > 0.55

VLF häviökertoimen

keskihajonta

(VLF-TDTS) jännitteellä

U0 [10-3]


muutos (VLF-DTD)

jännitteiden 0.5 U0 ja

1.5 U0 välillä [10-3]

VLF häviökertoimien

keskiarvo (VLF-TD)

jännitteellä U0 [10-3]

TUTU [10-3]

Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot suuntaa antavia


20 kV APYAKMM-kaapelille


Kuntoarvio

20 kV APYAKMM IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.4 ja -35…10 -2.7...4.5 ja < 85 < 22 ja - -0.2...1.4

Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1…0.4 0.4…1.8 tai

-50…-35 tai

10…100

-10...-2.7

tai 4.5…10 tai 85…200 22…54 tai - 1.4…4.7

Vaatii toimenpiteitä > 0.4 > 1.8 tai

< -50 tai

> 100

< -10 tai

> 10 tai > 200 >54 tai - > 4.7


keskihajonta


U0 [10-3]


muutos (VLF-DTD)


1.5 U0 välillä [10-3]


keskiarvo (VLF-TD)


TUTU [10-3]

Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot suuntaa antavia


10 kV APYAKMM-kaapelille


Kuntoarvio

10 kV APYAKMM IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

IEEE

Std400.2-

2013

Kaapeli-

hanke

Ei edellytä toimenpiteitä < 0.1 < 0.08 ja -35…10 -5.6…-0.5 ja < 85 < 15 ja - < 1.7

Edellyttää tarkempaa tutkimusta 0.1…0.4 0.08…0.12 tai

-50…-35 tai

10…100

-9.4...-5.6

tai -0.5…2.1 tai 85…200 15…18 tai - 1.7…2.9

Vaatii toimenpiteitä > 0.4 > 0.12 tai

< -50 tai

> 100

< -9.4 tai

> 2.1 tai > 200 > 18 tai - > 2.9


keskihajonta


U0 [10-3]


muutos (VLF-DTD)


1.5 U0 välillä [10-3]


keskiarvo (VLF-TD)


TUTU [10-3]

Otoksen pienuudesta johtuen raja-arvot epäluotettavia

Osittaispurkausmittaukset

• Menetelmillä on omat

ominaispiirteensä liittyen mm.– Osittaispurkausten havainnoinnin

herkkyyteen

– Osittaispurkausten paikannettavuuteen

– PRPD-kuvan yksityiskohtaisuuteen

– Mittauksen toteutettavuuteen

erityyppisissä kohteissa

– Työmäärään ja mittauksen nopeuteen


HFCT-mittaus (on-line)DAC-mittaus (off-line)

Pry-Cam-mittaus

(on-line)

Eri menetelmien soveltuvuus käyttöön-

otto- ja kunnonvalvontamittauksiin

• Käyttöönottomittausten tulisi pystyä paljastamaan kaapelin ja

kaapelivarusteiden asennusvirheet

– Häviökerroinmittaus soveltuu huonosti, osittaispurkauksia ei välttämättä havaita

– Suositeltava menetelmä: off-line- tai on-line-osittaispurkausmittaus

• Kunnonvalvontamittausten tulisi indikoida kaapelin ikääntymistä

– Sekä häviökerroinmittaus että osittaispurkausmittaus ovat käyttökelpoisia

menetelmiä, täydentävät toisiaan

– Häviökerroinmittauksessa tulisi varmistua siitä, että kojeisto tai esimerkiksi suuri

ilman suhteellinen kosteus ja/tai päätteiden likaisuus eivät vaikuta tulokseen

– Huonojen kohtien paikannus onnistuu osittaispurkausmittauksella mutta ei

häviökerroinmittauksella


Yhteenveto• Tutkitut kaapelijärjestelmät olivat standardin IEEE Std400.2-2013 mukaisessa luokittelussa

pääsääntöisesti hyväkuntoisia (eivät edellytä toimenpiteitä)

– Standardin raja-arvot ehkä tarpeettoman korkeita Suomen olosuhteisiin ja Suomessa käytetyille

kaapelityypeille

• Häviökerroinmittaustulosten ja kaapelijärjestelmän iän välillä ei selvää korrelaatiota

– Kaapeleiden kuntoa tulisi arvioida mittausten perusteella

• Häviökerroinmittaus soveltuu hyvin kaapelijärjestelmien kunnonvalvontamittauksiin, mutta

huonosti niiden käyttöönottomittauksiin

– Kojeiston ja mittausolosuhteiden mahdollinen vaikutus tuloksiin huomioitava

• Tutkitut osittaispurkausmittausmenetelmät antoivat keskenään melko samankaltaisia

tuloksia, off-line-mittauksissa purkauksia kuitenkin havaittiin yleisemmin kuin on-line-

mittauksissa

– Soveltuvat hyvin sekä käyttöönottomittauksiin että kunnonvalvontamittauksiin

– Menetelmillä omat ominaispiirteensä ja rajoituksensa


Keskijännitekaapeleiden kunnon arviointi - · PDF fileKaapeli ID U 0 [kV] Kaapelityyppi...

Documents

Transcript of Keskijännitekaapeleiden kunnon arviointi - · PDF fileKaapeli ID U 0 [kV] Kaapelityyppi...