110 kV voimajohtojen suojaustarkastelu kehittyvässä toimintaympäristössä

Abstract

Energiajärjestelmän hiilineutraalisuuteen pyritään osana laajamittaista energiamurrosta, jonka keskeisenä tavoitteena on merkittävästi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä tulevien vuosien aikana. Energiamurroksen odotetaan kiihdyttävän yhteiskunnan sähköistymistä ja puhtaiden energian tuotantomuotojen yleistymistä. Sähkön tuotannon ja kulutuksen ennustettu kasvu on luonut Järvi-Suomen Energialle tarpeen suunnitella uusia 110 kV voimajohtoja ja sähköasemia, sekä vahvistaa olemassa olevaa verkostoinfrastruktuuria. Näillä verkkovahvistuksilla pyritään sekä lisäämään voimajohtojen siirtokapasiteettia, että mahdollistamaan uusien tuotanto- ja kulutusliittymien kytkeminen jakelujärjestelmään.

Diplomityössä tarkasteltiin simulointimenetelmien avulla Järvi-Suomen Energian 110 kV voimajohtojen relesuojauksen toimivuutta. Työn tavoitteena oli selvittää, että toimivatko nykyiset suojalaitteet riittävän nopeasti ja selektiivisesti sekä nykyisissä käyttöolosuhteissa, että tulevaisuuden verkkomuutoksia ennakoiden. Tutkimus toteutettiin case-tarkasteluna suurjännitteisestä verkosta rajatulle alueelle, jossa on havaittu kasvava tarve vahvistaa verkkoa uusiutuvan energiantuotannon ja teollisuuden kasvun seurauksena. Simuloinnit suoritettiin DIgSILENT PowerFactory-ohjelmistolla. Tulosten perusteella analysoitiin suojausten toimintaa erilaisissa vika- ja kytkentätilanteissa, tunnistettiin nykyisistä asetteluista mahdolliset puutteet ja arvioitiin tulevaisuuden muutosten, kuten hajautetun tuotannon ja voimajohtojen vahvistusten vaikutuksia suojausten toimintakykyyn.

Simulointien tulokset osoittivat, että johtosuojat toimivat nykyisillä asetteluilla pääosin tarkoituksenmukaisesti, mutta tietyissä poikkeuksellisissa kytkentätilanteissa suojausten toiminta-aika voi muodostua vaatimuksia hitaammaksi, tai suojauksen toiminta voi estyä kokonaan. Lisäksi havaittiin, että mahdolliset muutokset verkon kytkentärajoissa ja kuormitusvirroissa, sekä teollisen kokoluokan aurinkovoimalat voivat johtaa suojausten epäselektiivisyyteen, vähentää releiden ulottumaa ja lisätä virhetoimintojen riskiä. Tulosten pohjalta laadittiin suosituksia suojausasetteluiden optimointiin ja arvioitiin erilaisten suojaustoimintojen hyödyntämismahdollisuuksia ja tarpeellisuutta tulevaisuudessa.

The transition to a carbon-neutral energy system is a key component of a comprehensive energy transformation aimed at significantly reducing greenhouse gas emissions in the coming years. This transition is expected to accelerate the electrification of society and the widespread adoption of clean energy generation. The projected growth in electricity generation and consumption has necessitated Järvi-Suomen Energia to plan new 110 kV power lines and substations, as well as to reinforce the existing network infrastructure. These network reinforcements aim to increase the transmission capacity of power lines and enable the connection of new generation and consumption points to the distribution system.

This master’s thesis evaluated the performance of relay protection for Järvi-Suomen Energia’s 110 kV transmission lines using simulation methods. The objective was to determine whether the existing protection devices operate with sufficient speed and selectivity under current operating conditions and to anticipate future network changes. The research was conducted as a case study of a high-voltage network in an area experiencing a growing need for network reinforcement due to renewable energy generation and industrial growth. Simulations were used to analyze the performance of protections under various fault and switching conditions, identify potential shortcomings in the current settings, and assess the impact of future changes, such as distributed generation and power line reinforcements, on protection performance. The simulations were performed using the DIgSILENT PowerFactory software.

The results indicated that the existing relay protections generally function as intended under current settings. However, in certain exceptional switching conditions, the protection operation times may fall below required standards, or the protection may fail to operate altogether. Furthermore, changes in network switching limits, load currents, and the integration of large-scale solar power plants were found to potentially lead to protection selectivity issues, reduced relay reach, and an increased risk of malfunctions. Based on these findings, recommendations for optimizing protection settings were developed, and the feasibility and necessity of implementing additional protection functionalities were evaluated for future scenarios.