BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka

Transkriptio

1

2 BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka Pienjänniteverkot Jarmo Partanen

3 Pienjänniteverkot Pienjänniteverkot 3-vaiheinen, 400 V Jakelumuuntamo pylväsmuuntamo, muuntaja kva koppimuuntamo, kva kiinteistömuuntamo, kva Pienjännitejohdot AMKA-ilmakaapelit maakaapelit; auraus, kaivu 3

4 Pienjänniteverkot Taajamissa kaapelointi, jakokaapit ja varayhteyksiä muuntamoiden välillä Haja-asutusalueilla AMKA-johtimet tai kaapelointi, varokekytkimet, säteittäinen verkko 20 kv 20 kv 0,4 kv 0,4 kv Sulakesuojaus asiakkaan liitäntäpiste a kosketus- ja kosketusjännitesuojaus tärkeässä asemassa b a b 20/0,4 kv asiakas 4

5 Pienjännitejohdon mitoitus Terminen kestoisuus Syötön nopea poiskytkentä vikatilanteissa Jännitteenalenema Taloudellisuus Oikosulkukestoisuus Jakeluverkon kosketusjännitesuojaukseen käytettävän sulakkeen valinta pienimmän oikosulkuvirran perusteella Ylivirtasuoja gg-sulake I N < 63 A gg-sulake I N > 63 A Pienin yksivaiheinen oikosulkuvirta jakeluverkossa 2,5 x I N 3,0 x I N gg tyyppi tarkoittaa johdon sekä ylikuormitus- että oikosulkusuojaksi tarkoitettua sulaketta. 5

6 Pienjännitejohdon mitoitus Terminen kuormitettavuus Jännitteenalenema 180 Sulakkeen nopea toiminta Teho [kw] AMKA 120 AMKA 70 AMKA 35 AMKA Pituus [m] AMKA-johtimien teknistaloudelliset käyttöalueet sallitun jännitteenaleneman ollessa 7 %. Nopean poiskytkennän maksimietäisyydet on laskettu 100 kva muuntajaa käytettäessä. 6

7 Pienjännitejohdon taloudellinen mitoitus. 70 Alkuhetken teho [kva] AMKA 120 AMKA 70 AMKA 35 AMKA ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Kuormituksenkasvu [%/a] a) 7

8 Pienjännitejohdon taloudellinen mitoitus - esimerkki P 2 =6 kw 3x25A kva 20/0,4 kv Runkojohto Liittymää syöttävä johto 200 m 6 P 6 =8 kw 3x25A P 1 =8 kw 3x25A 1 40 m 45 m P 3 =5 kw 3x25A 3 P 4 =7 kw 3x25A 4 5 P 5 =10 kw 3x25A 200 m johdon kuorma on 46 kva, tehonkasvu 1 %/a AMKA70 Tarkastelujakson lopussa kuorma 66 kva, jännitteenalenema 4,2 % Sulakkeen nopea toiminta kunnossa, koska AMKA70 suojana oleva 160 A sulake toimii vaaditussa 5 sekunnissa 490 m pitkän johdon tapauksessa, kun muuntaja on 100 kva 8

9 Pienjänniteverkon suojaus Pienjänniteverkon suojaus; palovaara, hengenvaara ylivirtasuojaus; sulakkeet oikosulkusuojaus; sulakkeet kosketusjännitesuojaus; sulakkeet + maadoitukset 20/0,4 kv > 200 m = PEN-johtimen maadoitus 500 m = PEN-johtimen maadoitus, huonot maadoitusolosuhteet 500 m PJ-muuntopiirin maadoittaminen normaaleissa ja huonoissa maadoitusolosuhteissa. 9

10 Pienjänniteverkon ylikuormitussuojaus Pienjänniteverkon ylikuormitussuojaus Ylikuormitussuojauksella estetään johtimien liiallinen kuumentuminen kuormitusvirran vaikutuksesta, eli terminen tuhoutuminen ja palovaaran aiheutuminen. Ylikuormitussuojausta ei vaadita jakeluverkoissa maakaapeleilta, eikä paljailta tai itsestään sammuvilta johtimilta. AMKA-johdot sen sijaan tulee suojata ylikuormitukselta (SFS 144). Taulukko 8.3 AMKA-johtojen ylikuormitussuojana toimivan gg-sulakkeen enimmäiskoko eri lämpötiloissa. (SJ 1:94) AMKA Nimellisvirta I N [A] Ympäristön lämpötila [C] x x x x x x AMKA-johtojen ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa myös johdon loppupäässä sijaitsevilla sulakkeilla. Tällöin ylikuormitussuojana voidaan käyttää liittymien pääsulakkeita, joiden yhteenlaskettu nimellisvirta ei ylitä johtimen kuormitettavuutta 10

11 Pienjänniteverkon ylikuormitussuojaus Maakaapeliverkot ovat yleensä asennettu palonkestävästi, jolloin ylikuormitussuojausta ei vaadita. Ainoastaan liittymiskaapelit saattavat vaatia paremman suojauksen. Pienjännitekaapeleiden suojaaminen voidaan tällöin toteuttaa taulukon 8.2 mukaisia sulakkeita käyttäen, jolloin kaapeleiden kuormitettavuus käytetään hyödyksi ilman vaurioitumisriskiä. (SA 2:92) Taulukko 8.2 Pienjännitekaapeleiden suurimmat ylivirtasuojan nimellisvirrat gg-sulakkeita käytettäessä.(sa 2:92) Kaapeli Kuluttajan pääsulake [A] Liittymisjohdot Liittymisjohdon oikosulkusulake [A] Runkojohdot Sulake [A] AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AXMK 4x AMCMK 3x25/ AMCMK 3x35/

12 Pienjänniteverkon oikosulkusuojaus Pienjänniteverkoissa syötön nopean poiskytkennän on tapahduttava pienimmän yksivaiheisen oikosulkuvirran vaikutuksesta määrätyssä ajassa. Vikavirran tulee olla riittävä sulake nopeaan palamiseen. Yksivaiheinen oikosulkuvirta voidaan laskea yhtälöllä (8.3) 3U v I k1v 2 2R R 3l( r r ) 2X X l(2x x 3x ) 2 m m0 j 0 m m0 j j0 0 Verkkoyhtiön jakeluverkoissa poiskytkennän on tapahduttava enintään 15 sekunnissa. Tavoitetasona on toiminta enintään 5 sekunnissa. 12

13 Pienjänniteverkon oikosulkusuojaus Taulukko 8.4 Jakeluverkon automaattisen poiskytkennän minimioikosulkuvirrat gg-sulakkeille. (SFS 144) Ylivirtasuoja gg-sulake I N < 63 A gg-sulake I N > 63 A Pienin yksivaiheinen oikosulkuvirta jakeluverkossa 2,5 x I N 3,0 x I N Kuva 8.6 OFAA-mallisten gg-kahvasulakkeiden toiminta-ajat virran funktiona. (ABB 06c) 13

14 Liittymän pienjänniteverkon oikosulkusuojaus Uuden sähköliittymän liittyessä aiemmin rakennettuun verkkoyhtiön jakeluverkkoon, saa sen pääsulakkeet mitoittaa taulukon 8.5 mukaisesti pienimmän yksivaiheisen oikosulkuvirran perusteella, mutta perusvaatimus on kuitenkin 5 sekunnin palamisaika. Aikaisemmin rakennetulla jakeluverkolla tarkoitetaan muita kuin kokonaan uuden PJverkon ja muuntamon käsittäviä muuntopiirejä. (SFS 144) Taulukko 8.5 Liittymän pääsulakkeen nimellisvirran suhde verkon pienimpään yksivaiheiseen oikosulkuvirtaan. (SFS 144) Liittymän pääsulake gg-sulake I N < 63 A gg-sulake I N > 63 A Pienin yksivaiheinen oikosulkuvirta jakeluverkossa 3,5 x I N 4,5 x I N 14

15 Liittymisjohdon oikosulkusuojaus Taulukko 8.6 Kaapeloidun liittymisjohdon oikosulkusuojauksen suurimmat sallitut nimellisvirrat toiminta-ajan ollessa enintään 15 s taulukon 5.3 mukaisilla oikosulkuvirroilla. (SFS 144; SJ 1:94) Kaapelin poikkipinta [mm 2] Kupari Alumiini gg-tyypin sulakkeen suurin sallittu nimellisvirta [A] 6* 10* 80 10* 16* *Poikkipinnat käytössä vain vanhoissa verkoissa Taulukko 8.7 AMKA-johdolla toteutetun liittymisjohdon tai runkojohdon haaran oikosulkusuojauksen suurimmat sallitut nimellisvirrat. (SFS 144) AMKA-johdin gg-tyypin sulakkeen suurin sallittu nimellisvirta [A] [mm 2 ] Sulake ei täytä 15 s ehtoa Sulake täyttää 15 s ehdon x * x x x x x x *Poikkipinnat käytössä vain vanhoissa verkoissa 15

16 Pienjänniteverkon suojaus, esimerkki Liittymien 1-5 sulakkeiden summavirta suurempi kuin AMKA 35-johtimen maksimikuormitettavuus, tarvitaan välisulake max 100 A Pienin oikosulkuvirta 592 A, 125 A sulake toimii 3 sekunnissa P 2 =6 kw 3x25A AMKA 3x kva 20/0,4 kv AMKA 3x35+50 AMKA 3x25+35 AMCMK 3x25/ m 6 P 6 =8 kw 3x25A P 1 =8 kw 3x25A 1 40 m 45 m P 3 =5 kw 3x25A 3 P 4 =7 kw 3x25A A AMKA 3x A 5 P 5 =10 kw 3x25A Kuva 5.7 AMKA-verkon sulakesuojauksen esimerkki. Kuormitushuipun aikaiseksi lämpötilaksi on oletettu 20 C. Kuormitusvirta tarkastelujakson lopussa 94 A, 125 A sulake sopiva 16

17 Pienjänniteverkot, 1 kv jakelujännite 20/1/0.4 kv jakelujärjestelmä max 1000 V vaihtojännite on pienjännite pienjännitekomponentit pääsääntöisesti kestävät 1000 VAC käyttöjännitteen Mahdollistaa suurempien tehojen siirron pienjännitteellä terminen kuormitettavuus 2,5 kertainen jännitteenaleneman suhteen siirtokyky 6,25 kertainen 17

18 Pienjänniteverkot, 1 kv jakelujännite 20/1/0.4 kv jakelujärjestelmä Z Z 0,4 kv 0,4 kv 20 kv 20 kv 1 kv 0,4 kv 1 kv Z 0,4 kv Z 0,4 kv a) b) 18

19 Pienjänniteverkot, 1 kv jakelujännite 20/1/0.4 kv jakelujärjestelmä 19

20 Vian vaikutusalueet; 20/0.4 kv ja 20/1/0.4 kv 20

21 1000 V järjestelmän taloudellinen käyttöalue (AMKA 70) Johdon pituus [km] Maksimi pituus Maksimipituus: Jännitteenalenema Minimipituus: Kustannusero keskijännitejohtoon Siirtoteho [kw] Alaraja Yläraja Sovelluskohteita Lyhin taloudellinen pituus Sovelluskohteita verkossa 21

22 1000 V Hyödyntämismahdollisuudet Yleiskartoitus, 1 sähköasema tarkastelualueena Johtolähtö Pmax Johtopit 1 kv 1 kv 1 kv Osuus koko Osuus koko [MW] uus kohteide [km] n lkm kohteiden kohteiden johtopituus teho [kw] lähdön lähdön tehosta pituudesta J % 0 % J % 24 % J % 11 % J % 7 % 22

23 1 kv verkon käyttö ja suojaus Customer 20/1 kv 20/1 kv: Ylivirta ja oikosulkusuojaus Ylivirtareleistys+katkaisimet Maasulkusuojaus Nollajännitteen mittaus 1/0,4 kv: 400 V pienjännite verkko suojattu sulakkein L1 Maasulkusuojauksen periaatekaavio L2 L3 U 1 M K 1 K 2 U 2 Komponentit M = jännitemuuntaja (S n = 140 VA, U1 / U2 = 575/230 V) K 1 = aikalukkorele K 2 = laukaisurele 23

24 Verkostokomponentit 1000 V suojaus Jännitemuuntaja Ylivirtasuoja Katkaisin 1 kv tähtipiste 20/1 kv muuntajalta 24

25 Verkostokomponentit 3-käämimuuntaja 20 kv liittimet 1 kv liittimet 0,4 kv liittimet 1/0.4 kv muuntaja 25

26 Keskijännitejohtolähdön saneeraus 26

27 20 kv linjan siirto tienvarteen Uusi 20 kv Vanha 20 kv 1 km 27

28 20 kv linjan siirto tienvarteen Vanha 20 kv Uusi 20 kv 20/0.4 kv 1 km 28

29 20 kv linjan siirto tienvarteen + 20 kv perinteinen ratkaisu 20/0.4 kv 20 kv 20 kv 1 km 29

30 20 kv linjan siirto tienvarteen + 1 kv ratkaisu 20/1/0.4 kv 20 kv 20/1 kv 1 kv 1/0.4 kv 1/0.4 kv 1 km 30

31 20 kv linjan siirto tienvarteen + 20 kv perinteinen ratkaisu Kustannusarvio: 2700m 20 kv (PAS 70): 64 k 4 kpl 20/0.4 kv (50 kva): 24 k Keskeytyskustannukset: 10 k Johtohäviöt: 3 k Yht. 101 k 500 m Keskeytyskustannukset arvioitu koko pitoajalta (40 a), maaseutujohtolähtö (P = 600 kw), EMV:n KAH-hinnat, asiakasjakauma johtolähdöllä: Osuus Kuluttajaryhmät kulutuksesta Kotitalous 49 % Maatalous 19 % Teollisuus 7 % Julkinen 10 % Palvelu 15 % 31

32 20 kv linjan siirto tienvarteen + 1 kv ratkaisu 20/1/0.4 kv Kustannusarvio: 2700m 1 kv (AXMK 95): 32 k 1 kpl 20/1/0.4 kv (100 kva):10 k 3 kpl 1/0.4 kv (50 kva): 18 k Keskeytyskustannukset: 0,01 k Häviöt: 7 k 1 kv Yht. 67 k ( = -35 %) 1/0.4 kv 500 m 32

33 1000 V käyttömahdollisuudet - Saaristokohteet VAIHTOEHDOT: 1) 20 kv kaapelin vetäminen ja kolmen 20/0.4 kv muuntamon rakentaminen 20 kv 2) 1000 V syötöt 20/1/0.4 kv muuntamolta 20/1/0.4 kv 20/0.4 kv 1) 20 kv 1 kv 2) 1/0.4 kv 20/0.4 kv 1 kv 1/0.4 kv 20/0.4 kv 500 m 33

34 Saaristosähkönjakelu, 20/0.4 kv vaihtoehto 20 kv 20/0.4 kv 20 kv 20/0.4 kv 20/0.4 kv 20/0.4 kv 500 m 2.4 km 20 kv kaapeli (AHXAMK-WM): 77 k 1 kpl 20/0.4 kv + muuntamo: 30 k 2 kpl 20/0.4 kv + muuntamot: 14 k Yht. 121 k 34

35 Saaristosähkönjakelu, 1 kv vaihtoehto 20 kv 20/1/0.4 kv 20/0.4 kv 20 kv 1 kv 1200 m 1/0.4 kv 1 kv 1500 m 1/0.4 kv 2.7 km pj-kaapeli (AXMK-70): 45 k 1 kpl 20/1/0.4 kv + muuntamo: 32 k 500 m 2 kpl 1/0.4 kv + muuntamot: 14 k (= -25 %) Yht. 91 k 35

36 1000 V tekniikan hyödyntämismahdollisuudet Ympäristö- ja maisema-arvot huomaamattomat johtorakenteet ei tarvetta leveälle johtokadulle Keskijänniteverkkoa pienemmät investointikustannukset ja 400 V pienjänniteverkkoa suurempi tehonsiirtokyky lyhentää keskijänniteverkkoa Parantaa sähkönjakelun luotettavuutta etenkin sähkönkäyttäjien näkökulmasta pienentää keskeytyskustannuksia Käytössä oleva 400 V pienjänniteverkko (AMKA, AXMK) voidaan muuttaa 1000 V käyttöön pienellä vaivalla 36