Kaapeleiden kosketussuojien asennustavat tuulipuiston keskijänniteverkon suunnittelussa

Tuulivoimalla tuotettu energia on viime vuosikymmeninä kasvanut nopeaa tahtia, johtuen valtioiden käyttämistä energiantuotantostrategioista ilmastonmuutoksen torjumiseksi. Yksittäisten tuulipuistojen tuottamat energiatasot ovat kasvaneet niissä olevien voimaloiden lukumäärän kasvaessa, sekä voimaloiden teknisen kehityksen myötä. Tuotantotehon kasvaessa tuulipuiston keskijänniteverkossa kulkee suurempia virtoja, jotka vaikuttavat kosketussuojissa esiintyviin jännitteisiin ja virtoihin. Kosketussuojissa esiintyvien virtojen ja jännitteiden on todettu aiheuttavan kaapeleiden vikaantumisia varsinkin kaapelijatkoksilla. Tämän diplomityön tarkoituksena on havainnollistaa kosketussuojiin kohdistuvia sähköisiä ilmiöitä, määritellä kosketussuojan jännitteiden ja virtojen laskentaperiaatteita ja käydä läpi eri kosketussuojien asennustapoja, joilla kyseisiin ilmiöihin voidaan vaikuttaa. Työssä käydään läpi tuulipuiston kaapeliverkon suunnittelussa tarkasteltavia asioita, jotka vaikuttavat kaapelin kosketussuojaan indusoituviin virtoihin ja jännitteisiin. Myös asennustapojen vaikutusta tarkastellaan kaapeliverkon kuormitettavuuteen ja niissä tapahtuviin tehohäviöihin. Diplomityössä tehdään lopuksi DIgSILENT Powerfactory simulointiohjelmalla kuvitteellinen tuulipuisto, jossa kosketussuojiin indusoituneita virtoja ja jännitteitä mallinnetaan. Simulointituloksia verrataan työn teoriaosuudessa esitettyjen laskentametodien tuloksiin, joiden pätevyydestä ja tarkkuudesta tehtiin johtopäätökset. Työn tuloksena eri kosketussuojien asennustapojen etuja ja haittoja saatiin ha-vainnollistettua käytettyjen laskentamenetelmien ja simulaatioiden kautta. Kosketussuojassa esiintyville virroille ja jännitteille on määritetty suositeltavat rajoitukset, joita noudattamalla kaapeleissa ja jatkoksissa tapahtuvia vikoja voidaan ehkäistä. Kosketussuojien seisovien jännitteiden rajoituksiksi on useat maat suositellut noin 60 – 90 V. Kosketussuojissa kiertävillä virroilla on todettu olevan negatiivisia vaikutuksia kaapelijatkoksien komponenteissa, kun virran arvo lähestyy 50 A. Minimoimalla kosketussuojassa kulke-vaa virtaa, voidaan kaapelin vikaantumisen todennäköisyyttä pienentää sekä kaapelissa tapahtuvia tehohäviöitä alentaa.The energy produced by wind power has increased rapidly in the recent decades as a result to the strategies used by different countries to fight the climate change. The power output of individual wind farms has increased due to the higher number of wind turbines and the technical advancements of the turbines. With the increased power production, the currents flowing in the wind farm medium voltage cables are higher which affect the voltages and currents that are present in the cable sheath. Highly loaded cables induce unwanted voltages and currents to the cable sheath that have been identified to be the cause of faults in the medium voltage cables, especially in the cable joints. The purpose of this thesis is to review the electromagnetic phenomenon affecting the cable sheath, determine calculation methods for the sheath voltages and currents and go through the different cable sheath bonding methods that can be used to affect the induced sheath voltages and currents. The effect of the bonding methods for the cable ampacity and losses is also examined. At the end of the thesis a simulation model is generated using DIgSILENT Powerfactory simulation software which is used to calculate the sheath voltages and currents in a visionary wind farm. The simulation results are then compared with the results of the calculation methods presented in the theory chapters. A conclusion is then made of the validity and accuracy of the calculation methods. This thesis presents the advantages and disadvantages of each bonding method that are illustrated in the calculation and simulation results. Limitations for the cable sheath voltages and currents are set which if followed can reduce the probability of the cable and joint faults. The recommendation of the maximum allowed standing sheath voltage in the cable sheath varies between countries and in many countries the value of the voltage is about 60 – 90 V. The cable sheath current has deemed to have negative effects on the cable joint components when the sheath current approaches 50 A. By minimizing the sheath current, the probability of a fault and the total power losses in the cable can be decreased