110 kV -sähköverkon suojauksen suunnittelu

Abstract

Sähköverkon suojauksen merkitys kehittyvässä energiaintensiivisessä teollisuudessa on merkittävässä roolissa käyttövarmuuden ja luotettavuuden kannalta. Fossiilisten energialähteiden korvaaminen puhtaalla sähköllä aiheuttaa sähkökuormien merkittävää kasvua, jolla on vaikutus myös sähköverkon suojauksiin. Kehittyvä toimintaympäristö ja sähkönkulutuksen ennustettu kasvu on asettanut tarpeen tarkastella Yara Suomen Siilinjärven toimipaikan 110 kV verkon suojauksia kokonaisvaltaisena tarkasteluna. Lisäksi johto-osuuksien saneeraustarpeissa on tunnistettu verkon ja suojauksen kehittämistarpeet.

Diplomityössä tarkasteltiin Yara Suomi Oy Siilinjärven toimipaikan 110 kV sähköverkon relesuojauksen toimintaa nykytilanteessa simulointimenetelmin. Työn keskeisimpänä tavoitteena oli selvittää 110 kV verkon suojauksen toiminta ja antaa kehitysehdotus suojauksen parantamiselle kehittyvässä toimintaympäristössä. Työ toteutettiin kvalitatiivisin tutkimusmenetelmin ja case-tarkasteluna 110 kV verkkoympäristöön, jossa on haarajohto toisen verkkoyhtiön verkkoon. Verkosta tehtiin verkkomalli kolmella eri mallinnusohjelmistolla, joista tarkempaan suojaussimulointiin käytettiin DIgSILENT PowerFactory-ohjelmistoa.

Työn tulokset osoittivat, että nykyverkon suojaukset toimivat vain osittain aukottomasti ja selektiivisesti eri kytkentätilanteissa. Tuloksien perusteella annettiin ehdotus nykyverkon suojausmuutoksille, joilla saavutettiin tehokkaampi suojaus nykyverkolle. Työssä tarkasteltuun johto-osuuksien saneeraukseen ja sähkökuormien kasvuun annettiin suojausehdotelma verkkotopologiamuutokselle. Tulosten perusteella saavutettiin nopea ja selektiivinen suojausehdotus uuteen verkkotopologiaan. Tulosten pohjalta laadittiin uudet suojausasettelut nykyverkkoon sekä uuteen verkkotopologiaan.

Electrical grid protection is crucial for ensuring operational security and reliability, especially in the energy-intensive industries. The transition from fossil fuels to clean electricity significantly increases electrical loads, placing new demands on grid protection systems. Due to the evolving operating environment and projected growth in electricity consumption, a comprehensive review of the 110 kV network protection at Yara Finland´s Siilinjärvi site is necessary. Additionally, the renovation of transmission line sections has revealed further needs for electrical network and protection system development.

This master´s thesis analyzed the performance of the Yara Suomi Siilinjärvi site´s 110 kV electrical network protection systems in the existing network using simulation methods. The main objective was to evaluate the existing protection system of the 110 kV network and propose improvements to enhance its effectiveness in a changing operational environment. The study employed qualitative research methods and was conducted as a case study within a 110 kV electrical network environment that includes branch line to another DSO network. A network model was created using three different modeling software, of which DIgSILENT PowerFactory software was used for more accurate protection simulations.

The results of the study indicated that the current network protections system function well, with some issues in selectivity and reliability. Based on the findings, modifications were proposed to enhance the effectiveness of the existing protection system. A protection strategy was also proposed to accommodate changes in network topology due to transmission line renovation and increased electrical loads. The proposed changes resulted in faster and more selective protection for the new network topology, with updated setting applied to both the existing and modified network configurations.