Håndtering av farespenninger ved jordfeil i direktejordede 132 kV regionalnett uten gjennomgående jording

Abstract

Oppgaven har undersøkt hvordan en overgang fra et spolejordet til et direktejordet 132 kV nett kan gjennomføres for tremastledninger som ikke har gjennomgående jord. Overgangen skal ikke medføre økt risiko knyttet til forhøyede farespenninger. Studien har ved hjelp av manuelle beregninger og programvaren TPE funnet at systemjordingen har stor betydning for feilstrømmens nivå. For det studerte eksempelet ble resultatet en feilstrøm på noen titalls ampere for det spolejordede nettet, og 587 A for det direktejordede nettet. Resultatet henspiller på én enkelt feilsituasjon, og andre feilstrømmer vil derfor forekomme. Videre har nivået av feilstrøm, utforming av jordingsarrangement og lokale jordforhold stor innvirkning på størrelsen av de skritt- og berøringsspenningene som mennesker kan bli utsatt for ved en eventuell feilsituasjon. Standarden NEK445 presenterer grenseverdier for hvilke berøringsspenninger som er tillatt. For disse terskelverdiene spiller særlig utkoblingstiden en viktig rolle, og med lengre utkoblingstid blir de tillatte verdiene lavere.

Programvaren TPE er blitt brukt til å gjøre beregninger for en radiell, direktejordet 132 kV ledning. Det studeres feilsituasjoner hvor feilen forekommer i, eller i direkte nærhet til, et mastepunkt. Feilstrømmen flyter dermed mot jord gjennom mastens jordelektrode. TPE presenterer nivå av feilstrømmen som oppstår, samt både beregnede og tillatte verdier for skritt- og berøringsspenninger. TPE-beregningene hensyntar i denne oppgaven en tilleggsresistans i form av skotøy, noe som bidrar til høyere tillatte verdier. En basismodell ble bygd opp ved å ta utgangspunkt i en eksisterende ledning i Trøndelagsnettet. For basismodellen ble det beregnet at en person med sko kan bli utsatt for en berøringsspenning på omtrent 6400 V, en verdi som er høyere enn tillatt berøringsspenning selv for korte utkoblingstider. Resultatet medførte at det ble undersøkt hvordan en lokal gjennomgående jordline kan bidra til å redusere farespenningene. Tre fremgangsmåter for innføring av jordlinen er blitt presentert og studert. Fremgangsmåtene studerer hvordan lengde på jordlinen, utforming av jordelektroden og jordsmonn påvirker farespenningsnivået. Hovedfokus i oppgaven har vært å redusere berøringsspenningene mest mulig siden disse ofte regnes som mest kritiske, men det ble samtidig studert hvordan skrittspenningene kan reduseres ved å endre jordelektroden.

Fra beregningene fremkom det at innføring av en underhengende jordline gir god effekt på berøringsspenningene, men effekten avtar med økende lengde av jordlinen. Ved hjelp av bedre tilpasset design av jordelektrode og gunstige jordingsforhold kan man også med kortere jordliner oppnå tilstrekkelig lave berøringsspenninger. De tre studerte fremgangsmåtene i denne oppgaven bidro til å redusere berøringsspenningen med over 80 %, fra 6400 V i basismodellen til omtrent 1250 V etter at tiltak med blant annet jordline ble innført. Reduksjonen medfører en berøringsspenning innenfor tillatte verdier for korte utkoblingstider, når man antar at personen som utsettes for spenningen bærer sko. Studien viser dermed at en overgang fra spolejording til direktejording er mulig for 132 kV ledninger uten å måtte innføre gjennomgående jord for hele ledningen. Beregningene er kun en tilnærming til realiteten, og de studerte metodene må derfor tilpasses hver enkelt situasjon.

The study has investigated how a transition from a compensated, resonant grounded network to a directly grounded 132 kV network can be implemented for lines consisting of wooden poles without existing ground wires. This transition shall not increase the risk associated to elevated step and touch voltages. From manual calculations and the TPE software, the study found that the level of fault current is impacted by the system grounding. For the studied case, the result was a fault current of a few tens of amperes for the compensated network, and 587 A for the directly grounded network. This result represents one single fault scenario, and several other fault currents may therefore occur. Further, the level of fault current is related to the level of step and touch voltages that arise during a fault and that may be experienced by people during a fault situation. For these voltages, the time until disconnection plays a crucial role in relation to what values are accepted according to the standard NEK445. With an increasing time until disconnection, the accepted values are reduced. For the experienced values, the grounding arrangement and local soil conditions are important parameters.

The TPE software was used to perform calculations for a radial, direct grounded 132 kV line. The studied fault situation is faults occurring at or close to a tower, and hence the fault current propagates trough the towers earth electrode. TPE presents the level of fault currents, along with both calculated and allowed values for step and touch voltages. In the calculations in this task, an additional resistance in the form of footwear is considered, which contributes to higher permitted values. A base model was built up based on an existing line in Trøndelag. For the base model, it was calculated that a person wearing shoes can be exposed to a touch voltage of approximately 6400 V, a value higher than the permissible touch voltage even for short disconnection times. This result led to an investigation of how a continuous ground wire could lead to a reduction of the level of hazardous voltages. Three methods for implementing the ground wire are studied and presented. The methods study how the length of the earth cable, the design of the earth electrode and the soil affect the dangerous voltages. The study focused on minimizing the touch voltages since these are often considered the most critical, but it also shows how the step voltage can be reduced by changing the ground electrode.

The results showed that the introduction of a ground wire significantly reduces the touch voltages, but the effect of the wire decreases with an increasing length of the wire. By improving the design of the grounding electrodes and with favorable soil conditions, one can get sufficiently low touch voltages with shorter ground wires. The study resulted in touch voltages reduced by approximately 80 %, from 6400 V for the base model to about 1250 V after measures were introduced. This reduction results in touch voltages within the permitted values for short times until disconnection, if one assumes that the person exposed to the voltage wears shoes. Thus, this demonstrates that a transition from a compensated to a direct grounding is possible for 132 kV lines without the need for continuous grounding wires. The executed calculations approximate the reality, and the presented methods must therefore be adopted to each specific situation.