ELEC-E8419 syksyllä 2016 Sähkönsiirtojärjestelmät 1

Transkriptio

1 ELEC-E8419 syksyllä 016 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Jännitteensäätö Periodit I II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

2 Luennon ydinasiat Jännitteensäädön ja loistehon välinen yhteys Jännitteensäädössä käytetyt laitteet Miksi jännitettä säädetään? Mukava tietää: Suomen rinnakkaisreaktorikapasiteetti, sallitut jännitteen vaihtelualueet, johtoarvoja Sähköverkot 1: luvut 5.5, 5.6, 7.5, 7.7, 8.1, 8.4

3 Miksi jännitettä säädetään? Verkon kannalta: Koska johtojen loisteho riippuu voimakkaasti johdon läpi kulkevasta tehosta, vaihtelisi verkon jännite voimakkaasti siirtoja kytkentätilanteiden mukaan, ellei loistehoa kompensoitaisi Liian suuri jännite: ongelmia eristyskoordinaatiossa Liian pieni jännite: johtojen siirtokapasiteetti pienenee ja käyttövarmuus voi vaarantua, voi tulla jännitestabiiliusongelmia Laitteiden kannalta: Liian alhainen jännite: täydellä kuormalla toimivat moottorit kuumenevat liikaa ja voivat pysähtyä, prosessiteollisuuden laitteille voi tulla ongelmia, siirtoverkossa suuret IR-häviöt, siirtoverkon tehonsiirtokyky pienene, kun ( sind) / X pienenee Liian korkea jännite: eristeet voivat rikkoutua, liian suuret vuot ja kyllästyminen aiheuttavat yliaaltoja (/f-suhde muuttuu), hehkulamppujen toimintaikä lyhenee

4 Jännitteen säätö Jännite on paikallinen suure ja se vaihtelee verkon eri osissa Jännitteen säädön tavoitteet ovat: yli- ja alijännitteiden välttäminen käyttövarmuuden ylläpito sähkön laadun ylläpito häviöiden minimointi, taloudellinen sähkön siirto Jännitettä säädetään Suomessa: sarja- ja rinnakkaiskondensaattoreilla tahtikoneilla rinnakkaisreaktoreilla muuntajien käämikytkimillä

5 Johdon reaktansseissa kulutettu loisteho I 1 Q 1 I 1 X Q I I 10 I 0 B/ B/ Q = -1 X cosd (1 - cosd )» X Q 1 = X 1-1 X cosd» (1 - cosd ) X Huomaa loistehon suuntanuolet, molemmat suunnat johdolle päin (tutkitaan johdon kuluttamaa loistehoa, ei johdon siirtämää loistehoa)

6 Johdon kapasitansseissa tuotettu loisteho Q 1 X Q Q 10 Q 0 B/ B/ Q = 10 B 1 Q = 0 B Jos 1 ~, niin Q» 10 + Q0 B

7 Johdon loistehotase Johdon loistehotase tarkoittaa johdon muusta verkosta ottamaa loistehoa. Johdon reaktansseissa kuluttamasta loistehosta vähennetään johdon kapasitansseissa tuottama loisteho. Luonnollisella teholla johdon loistehotase on nolla. Q 1 X + Q = X 1 + (1 - cosd ) - X - B 1 X Kuvaa ei voi näyttää nyt. cosd - B 1 - B»

8 100 km pitkän -Finch-johdon loistehotase x = 0,33 W/km, b = 3, S/km -Finch -johdon loistehotase 500 Johdon kuluttama loiste Mvar */X(1-cosd) Loistehotase -**B Pätöteho / MW

9 Johtojen varausloistehoja (Q c ), luonnollisia tehoja (P L ) ja termisiä kapasiteetteja (S th ) Jännite Johdin Q c /kvar/km P L /MW S th /MVA 110 kv Hawk kv -Hawk kv Condor kv -Hawk kv -Finch kv 3-Finch

10 Loistehoa kuluttavat ja tuottavat laitteet Loistehoa tuottavat: ylimagnetoidut tahtikoneet, rinnakkais- ja sarjakondensaattorit, SVC (Static Var Compensator), aliluonnollisella teholla käyvät johdot, vaihtosähkökaapelit Loistehoa kuluttavat alimagnetoidut tahtikoneet, rinnakkaisreaktorit, SVC, muuntajat, epätahtikoneet, tyristorisillat verkkokommutoivat tasasähköyhteydet), valokaariuunit, yliluonnollisella teholla käyvät johdot Loistehoa tuottavat laitteet nostavat jännitettä Loistehoa kuluttavat laitteet laskevat jännitettä

11 Loistehon siirtäminen johdoilla kasvattaa sekä pätö- että loistehohäviöitä Huomataan, että sekä loistehon pienentäminen että jännitteen pitäminen korkealla pienentävät pätö- ja loistehohäviöitä Loistehoa ei kannata siirtää X Q P X I Q R Q P R I P Q P Q P Q P S S I I I häviöt häviöt * * * * j 3 j = = + = = + = + - = = = Johdon pätö- ja loistehohäviöt

12 Käyttövarmuus, häviöiden optimointi Mitä enemmän verkossa siirretään tehoa, sitä enemmän loistehoa kuluu ja sitä enemmän tarvitaan loistehoreservejä häiriöiden jälkeen Verkon 3RI -häviöiden pienentäminen onnistuu pitämällä jännite korkealla. Näin voidaan tehdä 110 kv:n verkossa aina ja 400 kv:n verkossa silloin, kun koronaa ei esiinny Koronahäviöt riippuvat voimakkaasti jännitteestä ja kasvavat jännitteen kasvaessa Häviöiden optimoinnissa otetaan huomioon sekä virtalämpöhäviöt että koronahäviöt

13 Korona Korona: johtimien pinnassa tapahtuvia osittaispurkauksia. Koronaa esiintyy vain suurimmilla jännitteillä, Suomessa 400 kv:n ja 0 kv:n verkoissa. Koronaa esiintyy eniten kun johtimet huurtuvat. Sitä esiintyy myös sateella. Koronahäviöt voivat Suomessa enimmillään olla yhtä suuret kuin virtalämpöhäviöt (~100 MW) Koronaa on vaikea (mahdoton?) ennustaa Suomessa jännitettä voidaan alentaa. kun verkossa mitataan koronaa. Käyttövarmuuden ylläpito antaa alarajan jännitteelle

14 Koronan huomioon ottaminen Kun johdoilla on koronaa, voidaan pii-sijaiskytkentään Lisätä johtokonduktanssin rinnalle toinen konduktanssi X R G korona G B B G G korona

15 Loistehon kompensoinnin periaatteet Suomen kantaverkossa 400 kv:n verkko: tyhjäkäyvien johtojen tuottama loisteho pitää voida kuluttaa. Reaktoreita on verkossa suunnilleen yksi / 100 km johtoa. Mahdollisen suurhäiriön jälkeen verkkoa koottaessa tarvitaan kaikki reaktorit, etteivät johtojen jännitteet nousisi liikaa Nopeita loistehoreservejä pitää olla verkon häiriöi-den jälkitilanteisiin, jotta verkko selviää niistä romahtamatta 400 kv:n verkkoon kytketyt generaattorit eivät normaalitilanteessa ota eivätkä anna loistehoa verkkoon. Tahtigeneraattoreiden loistehoa pidetään häiriöreservinä

16 Loistehon kompensoinnin periaatteet Suomen kantaverkossa 0 kv:n ja 110 kv:n verkot Loistehon kompensointilaitteita on sen verran, että asiakkaiden liittymispisteiden jännitteet voidaan pitää sallituilla alueilla. Näihin verkkoihin kytketyt tahtigeneraattorit voivat tuottaa tai kuluttaa enintään puolet loistehon tuotantokyvystään. Loput ovat häiriöreserviä.

17 Rinnakkaisreaktorit ja tahtikoneet Suomessa on rinnakkaisreaktoreiden loisteho yhteensä noin 3000 Mvar Tahtigeneraattoreiden PQ-diagrammi antaa rajat loistehon tuotannolle ja kulutukselle Normaalisti generaattorit säätävät jännitettä Joissakin tapauksissa generaattorit ovat normaalisti vakioloistehosäädöllä, mutta alkavat säätää jännitettä, kun jännite ylittää tai alittaa asetellut rajat

18 Reaktorit Suomessa reaktorit ovat 400/110/1 kv:n muuntajien tertiäärissä. 3-käämimuuntajan reaktanssi 400 ja 0 kv:n välillä on pieni, jotta loisteho kulkee 400 kilovoltista tertiääriiin. Pieni reaktanssi saadaan aikaan käämijärjestyksellä: pylvään lähellä 110 kv, sitten 400 kv ja uloimpana 1 kv. Elovaara, Haarla, Sähköverkot, sivu 148)

19 Loisteho ja käyttövarmuus Jos iso generaattori irtoaa verkosta, korvaava teho tuotetaan muualla (pyörivä reservi) ja verkon kautta kulkeva pätötehon määrä voi kasvaa. Tämä kasvattaa loistehon kulutusta ja alentaa jännitettä Jos johto laukeaa irti verkosta, jäljelle jäävät johdot siirtävät lauenneenkin johdon tehon ja loistehon kulutus kasvaa Verkon käyttövarmuus vikojen suhteen edellyttää että loistehoreservejä on riittävästi vikoja varten

20 Sarjakondensaattorit Pitkillä siirtojohdoilla on suuret reaktanssit ja sen takia niillä kulma- ja jännitestabiilius määräävät niiden siirtokapasiteetin alle termisen kapasiteetin Sarjakompensoimalla pitkiä johtoja voidaan lisätä siirtokapasiteettia Kompensointiaste on tavallisesti % johdon reaktanssista Koska sarjakondensaattori on johdon potentiaalissa, sijoitetaan sarjakondensaattorit tukieristimien päällä sijaitseville lavoille

21 Sarjakondensaattorin rakenne 7 1. Ohituskatkaisija. Paristoerotin 3. Kondensaattori 4. Ylijännitesuoja, MOV (Metallic Oxide Varistor 5. Vaimennuspiiri 6. Kipinäväli 7. Katkaisija

22 Tahtigeneraattorin PQ-diagrammi generaattorin stabiiliusraja d turpiinin tehoraja j P alimagnetointiraja staattorivirran maksimi roottorin lämpenemisen asettama raja (vakiomagnetointiraja) Q

23 Tahtigeneraattori jännitteensäätäjänä Generaattori voi pitää jännitteen vakiona niin kauan kuin sen antama tai ottama loisteho riittää Kun generaattorin loistehorajat tulevat vastaan, ei generaattori voi enää säätää jännitettä Jännitestabiiliustarkasteluissa on tärkeä ottaa huomioon, paljonko generaattoreista saadaan loistehoa. Kun generaattorin loistehoraja tulee vastaan, yhtälöt eivät ole lineaarisia ja stabiilius on vaarassa Suomessa suurin osa 400 kv:n verkkoon liitettyjen generaattoreiden loistehosta varataan häiriöiden varalle

24 Sallitut jännitteen vaihtelualueet Normaalitilan jännitteet: 400 kv: minimi: 380 kv, maksimi 40 kv 0 kv: minimi: 15 kv, maksimi 45 kv 110 kv: minimi: 105 kv, maksimi 13 kv Poikkeustilanteiden jännitteet: 400 kv: minimi: 370 kv, maksimi 380 kv 0 kv: minimi: 05 kv, maksimi 15 kv 110 kv: minimi: 100 kv, maksimi 105 kv