Maadoitusjärjestelmät hankkeen tuloksia

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Maadoitusjärjestelmät hankkeen tuloksia"

Tuomo Sariola
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Maadoitusjärjestelmät hankkeen tuloksia Sähkötutkimuspoolin tutkimusseminaari Hilton Helsinki Airport, Vantaa Antti Mäkinen, Tampereen teknillinen yliopisto Projektipäällikkö Tommi Lähdeaho, Elenia Oy Ohjausryhmän puheenjohtaja Esa Niemelä, Energiateollisuus ry Ohjausryhmän sihteeri

2016 Hilton Helsinki Airport, Vantaa Antti Mäkinen, Tampereen

2 Hankkeen tausta Sähköverkkoinvestoinnit voimakkaassa kasvussa Maadoitusverkon rakenne muuttuu, kun maakaapeleita asennetaan myös taajamien ulkopuolella Maadoitusten laajamittainen yhdistyminen keskijännitekaapeleiden kautta haja-asutusaluemaisessa verkossa on uusi asia ja yleistyy tulevaisuudessa SFS 6001 uusimisen yhteydessä havaitut epäselvyydet maadoitusjärjestelmissä Aalto-yliopistolla teetetty tutkimushanke siirtyvistä jännitteistä vuonna 2014 ET:n verkko-omaisuustoimikunta esitti syksyllä 2014 tutkimushankkeen käynnistämistä Rahoitus järjestyi Sähkötutkimuspoolilta, STEK:iltä ja ET:ltä Ohjausryhmä järjestäytyi ja hanke käynnistyi vuoden 2015 aikana 2

havaitut epäselvyydet maadoitusjärjestelmissä Aalto-yliopistolla teetetty tutkimushanke siirtyvistä jännitteistä vuonna 2014 ET:n verkko-omaisuustoimikunta esitti

3 Uusi sähkömarkkinalaki 2013 ja toimitusvarmuusinvestoinnit 100 Sähkömarkkinalaki 51 : Jakeluverkko on suunniteltava ja rakennettava, ja sitä on ylläpidettävä siten, että [...] jakeluverkon vioittuminen myrskyn tai lumikuorman seurauksena ei aiheuta asemakaava-alueella verkon käyttäjälle yli 6 tuntia kestävää sähkönjakelun keskeytystä; jakeluverkon vioittuminen myrskyn tai lumikuorman seurauksena ei aiheuta muulla [...] alueella verkon käyttäjälle yli 36 tuntia kestävää sähkönjakelun keskeytystä Keskijänniteverkon maakaapelointiaste % Pienjänniteverkon maakaapelointiaste % Toimitusvarmuusinvestoinnit Verkot kunnossa vuoden 2028 loppuun mennessä Investoinnit yhteensä noin 8 mrd Kaapeleita km vuosittain Painopiste ensin taajamissa, 2020-luvulla hajaasutusalueella 3

tai lumikuorman seurauksena ei aiheuta muulla [...] alueella verkon käyttäjälle yli 36 tuntia kestävää sähkönjakelun keskeytystä.

4 Tutkimustarpeet 1. Erilaisten maadoitusjärjestelmien määrittely a. laaja maadoitusjärjestelmä b. Haja-asutusalueen yhdistyvä maadoitusjärjestelmä (huomioitava myös haarautuvat ketjut) c. pistemäinen maadoitusjärjestelmä 2. Maadoitusjärjestelmän rakenne: Millä edellytyksin maadoitusjärjestelmää voidaan pitää yhtenä kokonaisuutena? Onko olemassa jokin tietty sähköinen etäisyys, minkä ylityttyä maadoitusjärjestelmää ei voi enää tarkastella yhtenä kokonaisuutena? Mistä komponenteista maadoitusjärjestelmät rakenteellisesti muodostuvat? 3. Eri maadoitusjärjestelmien sähkötekninen mallintaminen ja järjestelmiin liittyvien turvallisuusriskien analysointi 4. Maapotentiaalin jakautumisen mallintaminen erityyppisissä maadoitusolosuhteissa 5. Erilaisten mittausmenetelmien soveltuminen ja soveltuvuus erityyppisissä maadoitusjärjestelmissä. Mikä olisi tarkoituksenmukaisin tapa varmentaa erityyppisten maadoitusjärjestelmien eheys ja miten käyttöönotto- ja määräaikaismittaukset olisi tarkoituksenmukaista tehdä. 6. Onko käytönvalvontajärjestelmällä mahdollista joka tilanteessa todentaa maadoitusketjun katkeaminen? (ts. onko aina ketjun katketessa kyseessä kaapeli-, jatko- tai päätevika) 7. Onko aiheeseen liittyvää kansainvälistä tutkimusaineistoa olemassa? 8. Millainen on eri maadoitusjärjestelmien turvallisuustaso SFS 6001 standardin mukaisesti toimittaessa? 4

Onko olemassa jokin tietty sähköinen etäisyys, minkä ylityttyä maadoitusjärjestelmää ei voi enää tarkastella yhtenä kokonaisuutena?

5 Tutkimustyön rajaus Prioriteeteiksi määriteltiin tutkimuksen alkuvaiheessa: Erilaisten keskijänniteverkon maadoitusratkaisuiden sähkötekninen mallintaminen teoreettisesti ja simulointiympäristöissä Vikavirtojen ja maadoitusjännitteiden jakautuminen erityyppisissä maadoitusolosuhteissa Keskijänniteverkon vikatilanteiden lisäksi myös sähköasemalla ja suurjänniteverkosta johtuvien vikavirtojen huomioiminen Esimerkkitarkastelut erilaisilla verkoilla ja maadoitusratkaisuilla Vuonna 2016 painopiste on kenttämittauksissa, joilla teoreettisen tarkastelun tulokset pyritään todentamaan 5

Keskijänniteverkon vikatilanteiden lisäksi myös sähköasemalla ja suurjänniteverkosta johtuvien vikavirtojen huomioiminen Esimerkkitarkastelut

6 Maadoitustarkastelun lähtötiedot Muuntamoiden mitatut ja/tai tavoitteelliset maadoitusresistanssit Muuntamoiden välisten (kaapeli)yhteyksien pituudet Kaapelityypit Kaapelityyppien ja maapiirien impedanssiarvot Maadoitusten väliset maantieteelliset etäisyydet Maaperän resistiivisyys Lähtötiedot pyrittiin valitsemaan siten, että maadoitusten kannalta mahdollisimman vaikeat, mutta kuitenkin realistiset, tilanteet tulee käsiteltyä 6

impedanssiarvot Maadoitusten väliset maantieteelliset etäisyydet Maaperän resistiivisyys Lähtötiedot

7 Maadoituselektrodien potentiaalien määrittämisestä Tarkastellaan maan pinnassa olevia pallomaisia elektrodeja Oletetaan, että elektrodien väli a21 >> säteet r1 ja r2 Elektrodin 1 potentiaali maan pinnalla = virran I1 aiheuttama potentiaali V11 + virran I2 aiheuttama lisäpotentiaali V12 VV 1 = VV 11 + VV 12 = ρρρρ 1 2ππrr 1 + ρρρρ 2 2ππaa 21 Samalla periaatteella voidaan menetellä useampienkin elektrodien välillä Lisäämällä malliin verkon impedanssien kytkeytyminen ja ratkaisemalla muodostettavat piiriyhtälöt saadaan maadoitusimpedanssi jakamalla summattu potentiaalijännite kokonaisvirralla 7

+ VV 12 = ρρρρ 1 2ππrr 1 + ρρρρ 2 2ππaa 21 Samalla periaatteella voidaan menetellä useampienkin elektrodien välillä Lisäämällä malliin verkon

8 Tyyppitapaukset Laskelmia varten määriteltiin erilaisia tyyppitapauksia: Haja-asutusalue 10 muuntamomaadoitusta yhdistetty Kylä-taajama 5 muuntamomaadoitusta yhdistetty Taajama 4 16 muuntamomaadoitusta yhdistetty, mukana voi olla rengasyhteyksiä Em. verkoissa varioitiin seuraavia laskentaparametreja: Maadoitusresistanssit Kaapelityypit Maantieteelliset etäisyydet Maan resistiivisyys 8

muuntamomaadoitusta yhdistetty, mukana voi olla rengasyhteyksiä Em.

9 Tyyppitapaukset Haja-asutusalue Kylä-taajama Taajama 9

10 Potentiaalien simulointi PSCAD-ympäristössä 10

11 Laskentatuloksia Maadoitusketjun huonoin resultoiva maadoitusarvo on ketjun päässä yhdistettyjen maadoitusten ketjussa Resultoiva maadoitus / ohm 10 muuntamon ketjussa eri etäisyyksillä alkupäästä, Kaapelityyppi AXAL-TT 3x50 Haja-asutus, 50 ohm/maadoitus, 1 km välit Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjussa eri etäisyyksillä alkupäästä, Kaapelityyppi AXAL-TT 3x50 Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit 10 ohm 5 ohm km 1 km 2 km 3 km 4 km 5 km 6 km 7 km 8 km 9 km 0 0 km 1 km 2 km 3 km 4 km 2300 ohm 4600 ohmm ohm 2300 ohmm 4600 ohmm ohmm 11

Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjussa eri etäisyyksillä alkupäästä, Kaapelityyppi AXAL-TT 3x50 Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit 10

12 Yhdistettyjen maadoitusten määrän vaikutus maadoitusketjun alkupäähän 25 Resultoiva impedanssi ketjun alussa - 20 ohm/muuntamo, 1 km välit - kaapeli AXAL-TT 3x50 20 ohm Maadoitusten määrä ketjussa 12

ketjun alussa - 20 ohm/muuntamo, 1 km välit - kaapeli

13 Maadoitusketjun impedansseja Resultoiva maadoitus / ohm 10 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 20 ohm/maadoitus, 1 km välit Resultoiva maadoitus / ohm 10 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 20 ohm/maadoitus, 2 km välit ohm 6 4 ohm ohmm 4600 ohmm ohmm 0 ohmm ohmm 4600 ohmm ohmm 0 ohmm AXAL50 WP95 W240 AXAL50 WP95 W240 13

alkupäässä eri kaapeleilla, Haja-asutusalue, 20 ohm/maadoitus, 2 km välit 10 10 8 8 ohm 6 4 ohm 6 4 2 2 0

14 Maadoitusketjujen impedansseja Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit ohm ohmm 4600 ohmm ohmm 0 ohmm AXAL50 WP150 W240 14

kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit ohm

15 Taajamaverkkojen resultoivia maadoitusarvoja Maan resistiivisyys 2300 ohmia Kaapelityyppi AXAL-TT 3x km solmuvälit 4x4, 3x3 ja 2x2 ruudukkomaisilla verkoilla 15

16 Yhteenveto Työn tulokset tähän mennessä: On selvitetty yhdistyvien maadoitusjärjestelmien sähköteknistä mallintamista teoreettisesti On selvitetty mallinnusmahdollisuuksia PSCAD simulointiympäristössä ja Excel sekä Matlab -laskennassa Esimerkkiverkoilla tehdyt simuloinnit ja laskelmat lähtötietoja varioiden Excel työkalu maadoitussuunnittelun tueksi Teoreettisen tarkastelun tulosten perusteella voidaan todeta, että KJ-kaapeleiden suojajohtimien kautta yhdistyvässä maadoitusverkossa muuntopiirien maadoituksilla on olennainen vaikutus koko maadoitusverkon resultoivaan maadoitukseen Tulos on merkittävä maadoitusverkon suunnittelun kannalta Kaapeliverkon maadoitussuunnittelussa ei pitäisi tarkastella yksittäisten muuntopiirien maadoituksia erikseen, vaan suojajohtimien kautta yhdistyvää maadoitusjärjestelmää tulee tarkastella kokonaisuutena 16

tulosten perusteella voidaan todeta, että KJ-kaapeleiden suojajohtimien kautta yhdistyvässä maadoitusverkossa muuntopiirien maadoituksilla on olennainen vaikutus koko maadoitusverkon resultoivaan

17 Jatkotoimenpiteet Loppuraportti teoreettisen tarkastelun tuloksista valmistuu kevään aikana Kevään/kesän 2016 aikana tehdään kenttämittaukset, joilla varmennetaan teoreettisen tarkastelun tulokset Samalla tutkitaan, mikä olisi tarkoituksenmukaisin tapa varmentaa maadoitusketjun eheys käyttöönoton ja kunnossapitomittausten yhteydessä Kun hankkeen lopputulokset on selvillä, laaditaan esitys maadoitusverkon suunnittelukriteerien tarkentamisesta SFS 6001 standardin maadoitusosio Energiateollisuuden verkostosuositus maadoitusverkon suunnittelusta 17

maadoitusketjun eheys käyttöönoton ja kunnossapitomittausten yhteydessä Kun hankkeen lopputulokset on selvillä, laaditaan esitys

18 Kiitoksia! Lisätietoja: Tommi Lähdeaho, Elenia Oy Esa Niemelä, Energiateollisuus ry

Samankaltaiset tiedostot

Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä

Sähkötekniikan laitos A. Mäkinen Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä Tampere 216 Selvitys keskijänniteverkon maadoitusjärjestelmistä Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 216 Raportti