SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA

Transkriptio

1 SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA Luento 14 Sähköverkot ja häiriötilanteet Matti Lehtonen

2 SÄHKÖJÄRJESTELMÄN HÄIRIÖTILANTEITA TEHONVAJAUS: TUOTANTO EI RIITÄ KATTAMAAN KULUTUSTA: TAAJUUS LASKEE ó IRROITETAAN KUORMIA ó ERI TASOISIA SÄHKÖKATKOJA (BLACK OUT) SIIRTOVERKON HÄIRIÖT: OSA SIIRROSTA KESKEYTYY SIIRTOVERKON VIKOJEN TAKIA ó N-1 KRITEERI ó JOS USEITA VIKOJA SAMAAN AIKAAN OVAT SÄHKÖKATKOT MAHDOLLISIA JAKELUVERKKOJEN LAAJAT HÄIRIÖT: MYRSKYT JA VAIKEAT LUMITILANTEET AIHEUTTAVAT LAAJOJA JA PITKÄKESTOISIA SÄHKÖKATKOJA

3 SÄHKÖENERGIATEKNIIKKA VOIMAJÄRJESTELMÄN TEHOTASAPAI NO & TEHONVAJAUSTILANNE

4 Generaattorin pätö- ja loistehon automaattinen säätö

5 Suuri tehonvajaus Taajuus pienenee huomattavasti Automaattinen tehonsäätö yrittää korvata vajauksen Kuormituksen irtikytkentä - kaksi 10 % porrasta Sähköverkon jakaminen osiin - suuret kaupungit tuottavat oman kulutuksensa Turbogeneraattorit irroitettava verkosta, kun f = Hz (akseliresonanssivaara)

6 Yhteiskäyttöverkon taajuudensäätö Taajuus on koko verkolle sama Pätötehonkulutuksen lisääntyessä koko verkon taajuus pienenee tasapuolisesti Kaikkien verkon generaattorien taajuudensäätäjät reagoivat kuormitusmuutoksiin Voimalaitokset suurentavat pätötehontuotantoaan osuuksilla, jotka riippuvat - voimalaitoksen nimellistehosta - voimalaitoksen generaattorien säätövoimista K gi - säätävän voimalaitoksen generaatorien säätövoimat ovat muita suurempia - voimalaitoksen reservitehoista - keskussäätäjän ao. voimalaitosta koskevista asetteluista

7 Tehonsäädön vaikutus t P-säätö f ilman säätöä Generaattorin P-säädön karakteristiikka P P 0 + Tehon asettelu - f n f

8 SIIRTOVERKKOJEN HÄIRIÖT 400 kv Siirtoverkot ja 110 kv alueverkot rakennetaan N-1 kriteerin Mukaan jolloin yksittäinen vika ei aiheuta katkoksia Käytännössä tämä tarkoittaa silmukoitua verkkomuotoa, jossa Jokaisella kuormapisteellä (jakeluverkon sähköasemalla) on (vähintään) kaksi syöttöjohtoa Myös sähköasemien kiskostot on tavallisesti jaettu kahdelle eri Muuntajalle, jotka toimivat toistensa varasyöttöinä.

9 SÄHKÖVERKON RAKENNE HELSINGISSÄ

10 SIIRTOVERKKOJEN HÄIRIÖIDEN SYYT Suurhäiriöt johtuvat tavallisesti useiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Esimerkkinä USA:n koillisosan suuri black-out vuonna 2003: MW voimala irtosi verkosta suuren kuorman aikana 2. Seurauksena yksi siirtojohto ylikuormittui ja irtosi verkosta 3. Minkä seurauksena useiden muiden johtojen kuorma kasvoi liian suureksi, johtimien riippumat kasvoivat johtaen maasulkuvikoihin 4. Vikojen seurauksena verkon tehonsiirtokyky ei lopulta riittänyt ja verkon generaattorit alkoivat heilahdella keskenään johtaen suuriin tehon heilahteluihin ja lopulta massiivisiin voimalaitosten ja siirtojohtojen verkosta irrotuksiin Olisiko tämä ollut vältettävissä?

11 Auckland, NZ, businesskeskusta 20 Feb - 27 March, 1998

12 Aucklandin ydinkeskustan sähkönsyöttö (CBD Central Business District) Source: Mercury Energy Ltd, 1998

13 Kaapeliviat 1. (20 Jan) ohjauskaapelit vaurioituivat johtaen kokonaiskuorman siirtymiseen kaasueristeisille kaapeleilla 1 & 2 (Penrose-Quay) 2. Ensimmäinen kaapelivaurio (22 Jan, 12.29), Penrose-Quay No.2: termomekaaninen vaurio (kaasuvuoto?) 3. Toinen kaapelivaurio (9 Feb, 18.01), Penrose-Quay No. 1: termomekaaninen vaurio 4. Kolmas kaapelivaurio (19 Feb, 15.21), Roskill-Liverpool No.1 öljykaapeli: jatkoksessa, termomekaaninen vaurio 5. Kokonaiskuorma siirtyi Roskill-Liverpool yhteyden kaapelille 2. Kuormaa vähennettiin, mutta ei tarpeeksi 6. Neljäs kaapelivaurio (20 Feb, 17.33), Roskill-Liverpool No. 2 oil öljykaapeli: ylikuorman aiheuttama terminen vaurio (thermal runaway) Vaurioiden syynä oli kuorman kehittyminen kesähuippuiseksi ja maaperän kuivumisesta johtuva lämpöresistiivisyyden nousu. Sähköyhtiö ei tiedostanut kaapelien asennusolosuhteiden muutosta.

14 taustaa... Maaperän lämpöresistiivisyys versus kosteus Aucklandin olosuhteissa Source: Meritec, NZ

15 Auclandin businesskeskustan (CBD) sähkökuorma sekä 110 kv kaapelien oletettu ja todellinen siirtokapasiteetti

16 KANADAN JÄÄMYRSKY 5-10 TAMMIKUUTA 1998 Yli 4 miljoonaa ihmistä alueilla Ontario, Quebec ja New Brunswick ilman sähköä. Noin joutui jättämään kotinsa 130 siirtojohdon pylvästä tuhoutui ja yli jakeluverkon pylvästä kaatui Miljoonia puita kaatui ja useita puita kaatui edelleen johtojen päälle koko lopputalven ajan Arvoioidut kokonaiskustannutset olivat $5,410,184,000. Vakuutusyhtiöille noin korvaushakemusta, yhteensä yli Mrd USD dollaria. 16

17 Myrskyn jäljiltä Saksassa ollut Thorsten myrsky. 80 mastoa vaurioitui 17

18 Tykkylumi Myrskyn jälkeen jäätyneen lumen aiheuttamia johtimien venymiä. Kuva Saksasta 18

19 JAKELUVERKKOJEN VIAT Jakeluverkkojen viat johtuvat suurelta osin sääilmiöistä, kuten myrskyt, salamat ja raskaat lumikuormat. Yksittäisiä vikoja ja jakelukeskeytyksiä aiheuttavat useat pienemmät syyt kuten eläimet, ulkopuolisten varomattomuus, hoito- ja rakennevirheet Suurhäiriöt ovat pääosin myrskyjen aiheuttamia, toisen syynä tykkylumi Tämän vuoksi Suomessa on alettu suunnitella säävarman verkon kehittämistä, keskeisenä keinona kaapelit

20 Gudrun - myrsky tammikuussa 2005 Etelä-Ruotsissa taloutta ilman sähköä ( yli kaksi viikkoa) Kolmen vuoden hakkuut yhdessä yössä From forest owner to landowner in one night

21 20/1/0.4kV verkko 21

22 Johtoalueita 22

23 Johtoalueita Sähköjohdon johtoalueella tarkoitetaan aluetta, jonka käytölle on turvallisuus- ja käyttönäkökohtien vuoksi asetettu rajoituksia 23

24 Johtoalueita 24

25 Johtoalue 25

26 Tykkylumi Kainuun energian jakelualueella syksyllä 10/2008 Johdin 26

27 Tykkylumi 27

28 SALAMANISKUT Salama iskee tavallisesti korkealla oleviin kohteisiin: ISOT PUUT MASTOT VOIMAJOHTOJEN PYLVÄÄT JAKELUVERKON JOHDOT KORKEAT RAKENNUKSET 110 kv ja 400 kv johdoissa ukkossuojaus ukkosjohtomilla Siirto- ja jakeluverkoissa ylijännitesuojat muuntajilla Suurten myrskyjen aikana jakeluverkkoon saattaa iskeä satoja, jopa muutama tuhat salamaa Photograph of a natural lightning flash to a tree in Porvoo, Finland. The rainfall was about 15 mm in the 3 hours before the flash. The flash caused a temporary break in TV service to the area. The flash was uniquely tied to a -6 ka single stroke based on location and timing.

29 SÄHKÖNJAKELUVERKON KESKEYTYKSEN AIHEUTTAMA HAITTA (KAH)

30 KOTITALOUS: suorat kustannukset yllättävä keskeytys suunniteltu keskeytys lkm 1 s 2 min 1 h 12 h 36 h 1 h 12 h kaikki 744 0,1 0,7 6,5 54,9 163,7 3,1 40,0 sähkölämmittäjät 293 0,0 0,5 3,2 23,9 74,0 1,7 19,7 ei-sähkölämmittäjät 451 0,4 1,0 10,3 98,4 299,0 5,2 78,9 1994* ,5 38,1**... 1,1 23,4** Taulukko: Kotitalouksien sähkölämmittäjien ja ei-sähkölämmittäjien haitat kilowattia kohden (eur/kw)

31 LOMA-ASUNTO: suorat kustannukset yllättävä keskeytys suunniteltu keskeytys lkm 1 s 2 min 1 h 12 h 36 h 1 h 12 h kaikki 102 0,1 0,2 24,3 75,3 172,3 8,6 79,8 sähkölämmittäjät 42 0,2 0,3 33,9 91,5 297,1 36,1 105,9 ei-sähkölämmittäjät 60 10,0 8,6 25,3 49,4 74,6 10,6 34,6 Taulukko: Loma-asuntojen sähkölämmittäjien ja ei-sähkölämmittäjien haitat kilowattia kohden (eur/kw)

32 MAATALOUS: suorat kustannukset eur/kw lkm 1 s 2 min 1 h 4 h 12 h 36 h kaikki 163 0,2 0,9 13,2 27,6 148,4 357,3 on varavoimaa 35 2,4 3,0 22,2 52,6 165,5 519,3 ei varavoimaa 117 0,0 0,7 10,3 29,3 155,6 332,0 pelto- tai nurmiviljely 110 0,2 1,0 14,0 33,5 121,5 298,6 kasvihuoneet 7 ei vastausta ei vastausta 140,2 140,2 ei vastausta 7384,5 eläintilat lypsykarja 41 0,0 0,1 2,1 11,5 45,3 182,4 lihanaudat 22 3,0 3,0 153,7 143,7 182,0 131,3 siat 7 0,0 0,0 135,3 129,9 300,8 2570,3 Taulukko: Erilaisten maatalouksien haitta-arvot syksyllä

33 JULKINEN: suorat kustannukset yllättävä keskeytys 1 s 2 min 15 min 1 h 4 h 8 h 12 h 24 h talvi työaika keskiarvo 1,4 3,1 9,2 34,3 123,9 347,9 450,0 1050,2 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 1,5 5,5 21,9 51,8 72,3 150,6 talvi ei-työaika keskiarvo 0,5 1,4 6,5 22,0 60,3 109,3 140,8 380,8 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 0,3 2,6 8,3 24,3 24,4 56,5 kesä työaika keskiarvo 1,4 4,5 12,8 25,2 77,1 275,1 482,2 685,2 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 1,4 4,9 16,7 51,2 68,8 88,0 kesä ei-työaika keskiarvo 0,5 2,9 11,9 17,0 38,3 80,5 95,9 274,9 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 0,3 2,1 7,7 16,8 24,3 44,1 Taulukko: Julkisten alojen haitta-arvot kesällä ja talvella, työajalla ja työajan ulkopuolella yllättävän katkon osalta

34 PALVELU: suorat kustannukset yllättävä keskeytys 1 s 2 min 15 min 1 h 4 h 8 h 12 h 24 h talvi työaika keskiarvo 1,3 5,2 13,0 48,1 138,7 212,4 281,5 336,7 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 4,8 19,6 69,7 108,3 164,9 189,2 talvi ei-työaika keskiarvo 0,7 0,9 1,6 5,3 14,8 31,7 49,1 102,3 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 0,0 0,2 2,9 13,5 27,7 67,8 kesä työaika keskiarvo 1,8 6,0 16,2 42,7 130,3 216,7 268,6 358,0 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 4,1 18,8 67,4 105,4 142,9 196,6 kesä ei-työaika keskiarvo 0,9 1,1 3,1 5,7 16,7 32,4 49,7 104,8 (eur/kw) mediaani 0,0 0,0 0,0 0,0 4,4 19,0 24,4 54,9 Taulukko: Palvelualojen haitta-arvot kesällä ja talvella, työajalla ja työajan ulkopuolella yllättävän katkon osalta

35 PK-TEOLLISUUS: suorat kustannukset keskeytyksen pituus 1 s 2 min 15 min 1 h 4 h 8 h 12 h yllättävä eur/kw 1,4 2,4 6,4 21,6 76,2 140,8 189,6 työajalla suunniteltu eur/kw 0,1 0,3 2,0 10,3 36,4 90,0 121,0 työajalla yllättävä eur/kw ,4-33,3 - työajan ulkopuolella Taulukko: Pk-teollisuuden haitta-arvot yllättävän ja ennalta ilmoitetun sähkökatkon osalta sekä työajalla ja työajan ulkopuolella

36 YHTEENVETO Asiakasryhmä Kotitaloudet Loma-asunnot Maataloudet Kustannukset / kw 1 h 12 h Kustannukset / kwh 1 h 12 h Palvelu Julkinen Teollisuus Taulukko: Tyypillisiä arvoja keskeytyksen aiheuttamalle haitalle eri asiakasryhmissä, yhden ja 12 tunnin mittaiset keskeytykset. Kokonaiskustannus per kw ja muuttuva kustannus per kwh.

37 VAKIOKORVAUKSET Katkon kestäessä yli kynnysajan joutuu jakeluverkkoyhtiö korvaamaan asiakkaalle: h ó 10% vuoden verkkomaksusta h ó 25% vuoden verkkomaksusta h ó 50% vuoden verkkomaksusta h ó 100% vuoden verkkomaksusta h ó 150% vuoden verkkomaksusta Yli 288 h ó 200% vuoden verkkomaksusta Enimmäismäärä rajoitettu 2000 euroon (siirtymäaika!)