ELEC-E8419 syksyllä 2017 Sähkönsiirtojärjestelmät 1

Transkriptio

1 ELEC-E8419 syksyllä 2017 Sähkönsiirtojärjestelmät 1 Johdatus, sisältö, kertausta Periodit I II, 5 opintopistettä Liisa Haarla

2 Tietoja kurssista Luennot: dosentti Liisa Haarla Laskuharjoitukset: Jussi Ekström, Mikko Laakkonen ja Janne Lappi Suorittaminen: Välikokeet tai tentti ja harjoitustyöt Kirjallisuus: Elovaara & Haarla: Sähköverkot 1 & Sähköverkot 2 [1] Esitiedot: ELEC-E841 Power Systems tai vastaavat tiedot

3 Tietoja kurssista Ilmoittautukaa WeOodissa Pakolliset harjoitustyöt: Tietokoneharjoitus ja laskentaohjelmistodemo Harjoitus tehdään 2 hengen ryhmätöinä, arvostellaan hyväksytty tai hylätty - periaatteella. Demosta kirjoitetaan luentopäiväkirja Välikokeet ja tentit: 1. välikoe tiistaina välikoe ja tentti tiistaina Rästitentti maanantaina klo Katsokaa salit WeOodista tai MyCourses sivuilta Ekskursio? Onko kiinnostusta? Vuonna 2016 vain 5 osallistui.

4 Ajankäyttösuunnitelma tunteina Luennot Ekskursio 4? Laskuharjoitukset Kontaktiopetus yhteensä Laskujen laskeminen Tietokoneharjoitus ja demo Kokeisiin valmistautuminen 20 Itsenäinen työskentely yht (tai 42 jos ekskursio) Välikokeet + 6 Yhteensä 12 tuntia / 5 op 4

5 Sisältö Kurssi antaa perustiedot sähkönsiirtoverkoista ja niiden tärkeimmistä komponenteista Kurssilla käsitellään: jännitteen valintaa ja jännitteensäätöä, siirtojohdon yhtälöitä, tehonjakolaskentaa, verkon vikoja ja häiriöitä, vikavirtoja ja symmetrisiä komponentteja, siirtoverkon suojausjärjestelmiä, staiiliutta, suurjännitteistä tasasähkövoimansiirtoa ja siirtorajojen määrittämistä 5

6 laskea Osaamistavoitteet eli kurssin käytyään opiskelija osaa: johdon pätö- ja loistehon, johdon päiden jännitteiden itseisarvot ja kulmat, silmukoidun verkon tehonjaon, johdon siirtokapasiteetin, rinnakkaisvikoja symmetrisillä komponenteilla 2 solmun verkoissa, kulmastaiiliutta pinta-alakriteerilla, releasetteluja yhdelle johdolle johtaa kulma- ja jännitestaiiliuden yhtälöt kertoa, mihin relesuojausta tarvitaan, miten verkon siirtokapasiteetti määritetään luetella tärkeimmät releet, suurjännitteisen tasasähköyhteyden ominaisuuksia verkon kannalta 6

7 Missä tarvitaan siirtotekniikkaosaamista? Siirtoverkkoyhtiöissä, alue- ja jakeluverkkoyhtiöissä (Fingrid Oyj, Helen Sähköverkot, Vantaan Energia, E-On, Elenia, Fortum ) Valmistavassa teollisuudessa (ABB, Siemens, GE Grid Solutions ) Sähköntuotantoyhtiöissä (Fortum, Kemijoki Oy, TVO ) Viranomaistoiminnassa (Energiavirasto, Työ- ja elinkeinoministeriö...) Järjestöissä (ENTSO-E, Energiateollisuus ry... ) Suunnittelu-, urakointi- ja konsulttiyhtiöissä (Voimatel, Empower, ÅF-Consult ) Yliopistoissa, ammattikorkeakouluissa, tutkimuslaitoksissa 7

8 Taustatietoja 8

9 Voimajärjestelmälinkkejä Markkinatietoa: Fingrid Online -appi kännyköihin 9

10 Sähkönsiirtoja Suomesta ja Suomeen C%A4-400-kV.aspx Mitattu siirto: Mitattu sähköenergian siirto Fingridin 400 kv:n ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kautta Venäjältä Suomeen. Kaupallinen siirto: Suunniteltu kaupallinen tuontiohjelma Venäjältä Suomeen. Sisältää Fingridin 400 kv:n ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kautta siirrettävän sähkön. Siirtokapasiteetti: Suunniteltu siirtokapasiteetti sisältää Fingridin 400 kv:n yhteydet ja muiden hallitsemien 110 kv:n yhteyksien kapasiteettia 160 MW. Elspot kapasiteetti: Fingridin vahvistama kapasiteetti Elspot-markkinalle 10

11 Sähkömarkkinatietoa ja tilastoja Nord Pool Tilastoja ki/tilastot/sahkotilastot osed.do?tamap&init1&plugin0&languageen &pcodeten00087&tooloxtypes 11

12 ENTSO-E ENTSO-E on kantaverkkoyhtiöiden eurooppalainen yhteistyöjärjestö, joka perustettiin vuonna European Network of Transmission System Operators - Electricity 12

13 Split of the unit transmission tariffs etween components related to TSO activities and other regulatory charges. Chart 6.1 in [2] Costs related to TSO activities: infrastructure (Deprecation, return on capital and OPEX), losses, system services, congestion. Other regulatory charges not directly related to TSO activities: stranded costs, pulic interest contriution, renewale energy and other. Detailed in Appendix 6 of the report [1]. [2] 1

14 Sähkömarkkinalaki 588/201 2 luku 4 : Sähköverkkotoimintaa saa harjoittaa Suomessa sijaitsevassa sähköverkossa vain Energiamarkkinaviraston myöntämällä luvalla (sähköverkkolupa) 2 luku 8 : Energiamarkkinavirasto määrää sähköverkkoluvassa yhden kantaverkonhaltijan järjestelmävastaavaksi kantaverkonhaltijaksi. 5 luku 1 : Kantaverkkoa ovat: 1) nimellisjännitteeltään vähintään 110 kilovoltin sähköjohdoista, sähköasemista ja muista laitteistoista koostuva valtakunnallinen yhtenäinen sähkön «siirtoverkko»; 2) kantaverkonhaltijan hallinnassa oleva, nimellisjännitteeltään vähintään 110 kilovoltin rajayhdysjohto. 14

15 Siirtoverkon määritelmiä Siirtoverkossa on suuri jännite ja siinä siirretään suuria tehoja Yleensä silmukoitu verkko, joissakin maissa pitkät etäisyydet. Nyrkkisääntö: silmukoitu verkko on siirtoverkkoa. Siirtoverkko on voimalaitosten ja alueverkkojen välissä. Kuormat liittyvät yleensä alueelliseen verkkoon, mutta suuret kuormat voivat liittyä suoraan siirtoverkkoon Siirtokykyä rajoittavat staiilius (pitkät johdot, suuri reaktanssi) tai komponenttien lämpeneminen (lyhyet johdot, sarjakompensoidut johdot, pieni reaktanssi) ja käyttövarmuusvaatimukset 15

16 Miksi verkossa on suuri jännite? Suuri teho vaatii suuren jännitteen tai/ja suuren virran. Jos 850 MVA:n generaattorin pääjännite on 20 kv, on virta nimellisteholla noin 25 ka. Virran siirtämiseen tarvitaan paksut kiskot, jotta virtalämpöhäviöt eivät sulata kiskoja. Ei ole mielekästä rakentaa pitkiä siirtojohtoja paksuilla kiskoilla, vaan käyttää johdoissa isoa jännitettä ja pienempää virtaa 400 kv:n siirtojohdoilla sama teho siirretään siten, että virta on noin 1220 A Siirtoverkon jännitteitä Suomessa: 110kV, 220 kv, 400 kv Siirtoverkon jännitteitä muualla: 12 kv, 45 kv, 500 kv, 765 kv... 16

17 Kertausta 17

18 Vaihe- ja osoitinsuureet u( t) 2 cos( wt) uˆ cos( wt) 0 e j0 i( t) 2I cos( wt -f) iˆcos( wt -f) I I -f Ie - jf Sinimuotoisia suureita voidaan käsitellä osoittimilla. Osoitinlaskenta on laskentaa kompleksiluvuilla: imaginaariakseli 0 -f I I -f positiiviset kulmat, kiertosuunta reaaliakseli x + jy z e jf x - jy z e -jf [] Mohan s

19 Impedanssi I I -f Impedanssikolmio E E 0 E + - R jwl jx L 1 - j - jx Ł w C ł C jx C Z f R jx L Z R Z f + jx L - jx C Z R + wl - Ł wc ł f Ø 1 Œ wl - - tan 1 wc Œ Œ R º ø œ œ œ ß Tehokerroin on cos f 19

20 Laske piirin impedanssi ja piirrä impedanssikolmio, f 50 Hz Z X j0,1 Ohm Z C j5,0 Ohm R 2,0 Ohm 20

21 Ratkaisu Z X j0,1 Ohm Z C j5,0 Ohm R 2,0 Ohm Z j0,1 + 2 (-5j) 2-5j 0,1j + -10j 5,8-68,2 o 0,1j ,8 o 0,1j -1,7-0,69j -1,7-0,59j 1,82-18,9 o 21

22 1-vaihejärjestelmän teho 1-vaihejärjestelmä, kun virtapiirissä on vain resistanssia ja virta ja jännite ovat samassa vaiheessa (kulma f on nolla): p( t) 2I cos u( t) i( t) 2 ( wt) I 2 cos( wt) 2I cos( wt) [ cos0 + cos2wt] I[ 1+ cos2wt] u(t) p(t) i(t) Jännitteen ja virran välinen kulma f on nolla. Teho värähtelee kaksinkertaisella taajuudella virtaan ja jännitteeseen nähden. Teho on aina positiivinen ja se on pelkkää pätötehoa. 22

23 1-vaihejärjestelmän teho 1-vaihejärjestelmä, kun virtapiirissä on vain induktanssia ja virta on 90 astetta jännitettä jäljessä p( t) u( t) i( t) 2 cos( wt) 2I cos( wt - 90 ) 2I 1 2 [ sin(2wt) + sin0 ] I (2wt) Teho värähtelee kaksinkertaisella taajuudella virtaan ja jännitteeseen nähden nollan molemmin puolin. Piirissä on vain loistehoa. virta jännite teho 2 2

24 1-vaihejärjestelmän teho 1-vaihejärjestelmä, kun virta ja jännite eivät ole samassa vaiheessa. Virtapiirissä on resistanssi ja induktanssi, koska virta on jännitteestä jäljessä. p( t) u( t) 2I 1 2 i( t) 2 cos( wt) 2I cos( wt -f) [ cos( wt -wt + f) + cos( wt + wt -f)] I cosf + I cos(2wt -f) p(t) t Teho värähtelee kaksinkertaisella taajuudella virtaan ja jännitteeseen nähden nollan molemmin puolin. Piirissä on pätö- ja loistehoa.. u(t) i(t) 24

25 Pätö- ja loisteho Pätöteho tekee hyödyllistä työtä Yleensä loistehon halutaan olevan mahdollisimman pieni 25

26 Symmetrinen -vaihejärjestelmä Vaihejännitteet A, B ja C A B C C A B aikataso Osoittimet Kiertosuunta vastapäivään 26

27 Pää- ja vaihejännite Pääjännitteet AB, BC ja CA A A C AB A B CA BC AB B B C A CA B A B BC B C C C Vaihejännitteet A, B ja C 27

28 Symmetrinen -vaihejärjestelmä Symmetrisessä tilassa olevassa - vaihejärjestelmässä virtojen ja jännitteiden hetkellisarvojen summa on nolla ja vektoreiden summa on nolla Symmetrisiä verkkoja voidaan laskea 1-vaihesijaiskytkennän avulla (esim. tehonjako (power flow, load flow) Nollavirtaa esiintyy, kun vaihevirtojen summa ei ole nolla. Näin on esimerkiksi maasulkujen aikana, epäsymmetrisillä kuormilla, vuorottelemattomilla johdoilla c c a i o u I o a I c 0 i 0 a u I n a a + i a + u + I + i + c + u + I I a I 0 0 c c c 0 A C B I Z kuorma N 28

29 -vaihejärjestelmän 1- vaihesijaiskytkentä a I a A a I a A c c a I c I 0 Z kuorma C B c a Z kuorma n N n N c I c I I C B Symmetrinen -v. järjestelmä: N- ja n-piste ovat samassa potentiaalissa. Siispä tähtipisteet voidaan yhdistää, eivätkä piirin virrat, jännitteet tai tehot muutu. Tästä seuraa, että symmetrisiä ilmiöitä voidaan laskea 1-vaihesijaiskytkennällä. Symmetrisiä asioita: tehonjako, -vaiheinen oikosulku. 29

30 a I a A a I a A a n I 0 Z kuorma N a n Z kuorma N c c I c C I B c c I c C I B Tehdään 1-vaihesijaiskytkentä cn I an a + n - I a A N I c f an I a n Osoitindiagrammit 0

31 Symmetrinen -vaihejärjestelmä 1 * v * v * * v v v v v * * * v * sin sin cos cos S S Z Z I Q I I Q P I I P S I I I S f f f f Kulma φ on jännitteen ja virran välinen vaihesiirtokulma, siis φ u φ i Tavallisesti induktanssin kuluttama loisteho on positiivinen ja kondensaattorin ottama loisteho negatiivinen. Siirtotekniikassa jännitteellä tarkoitetaan normaalisti pääjännitettä, ellei toisin ilmoiteta. Koko järjestelmän teho on kolme kertaa vaiheteho. Kun lasket pääjännitteillä, muista yhtälöissä oleva! Tehojen ja virran itseisarvot: Muista: cosf pätöteholle Muista sinf loisteholle

32 Symmetrinen -vaihejärjestelmä Tehon ja virran osoitinsuureet: S I * I P + jq I cosj + j I sinj Z Z v S S v v Kulma φ on jännitteen ja virran välinen vaihesiirtokulma, siis φ u φ i Näennäistehon yhtälö induktiiviselle johdolle on esitetty Elovaaran ja Haarlan Sähköverkot 1 -kirjan sivulta 219 2

33 Suhteellisarvot Valitse perusteho S (100 MVA, 1000 MVA, laitteen nimellisteho ) Valitse perusjännitteeksi pääjännite jokaisesta jännitetasosta, jota tarvitset (esim. 400 kv, 110 kv, 220 kv, 20 kv ) Laske perusvirta ja perusimpedanssi erikseen jokaiselle jännitetasolle Suhteellisarvot saadaan kun fysikaalinen arvo jaetaan perusarvolla On muitakin tapoja määritellä suhteellisarvot. Jos perusjännitteeksi valitaan vaihejännite, yhtälöt muodostuvat erilaisiksi S I Z, valittu S I S S Z S 2

34 -vaihejärjestelmä suhteellisarvoilla Muistisääntö: suhteellisarvoilla (per unit, pu, p.u.) laskettaessa ei tarvita kolmosen neliöjuurta, kun perusjännitteeksi on valittu pääjännite! * u s s ui i z u p ui cosf q ui sinf u p ui cosf i I I 4

35 -vaiheteho suhteellisarvoilla Harjoitus: osoita, että laskettaessa teho suhteellisarvoilla, ei tehon yhtälössä tarvitse kertoa :lla suhteellis arvoilla : p I S cosf I I cosf I Sijoitetaan S S I S cosf P S p 5

36 Lähteitä [1] Elovaara, Haarla: Sähköverkot 1 ja 2. Otatieto [2] ENTSO-E Overview of Transmission Tariffs in Europe: Synthesis ENTSO-E Saatavilla: reports/documents/entso- E%20Overview%20of%20Transmission%20tariffs%202015_FINAL.pdf [] Ned Mohan: First course on power systems, MNPere 2006, ISBN