BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka

Transkriptio

1

2 BL20A0500 Sähkönjakelutekniikka Alue- ja keskijänniteverkkojen pitkän aikavälin kehittäminen

3 Kehittämisen tavoite Tavoitteena kustannusten minimointi pitkällä aikavälillä. T 0 T K inv( t) Kk äy( t) Kkesk( t) Kkun ( t) t1 K inv ( t) K käy ( t) K kesk ( t) K kun ( t) dt K inv K käy K kesk K kun Investointikustannukset Käyttökustannukset; häviöt, henkilöstö, varastot, kalusto Keskeytyskustannukset Kunnossapitokustannukset Reunaehtojen puitteissa!! 3

4 Verkon nykytila ja tulevaisuus Verkoston nykyinen tila Tavoitteet Suunnittelu Kehitystekijät Rahoitusmahdollisuudet Toimenpiteet ja ajoitus Kehittyvä verkosto 4

5 Verkon nykytila ja tulevaisuus Verkon kehittämissuunnittelun lähtökohtana on tarkka analyysi verkon nykytilasta arvio/näkemys tulevista ongelmakohdista Verkon nykytila-analyysi normaalitilan ja mitoitusvikojen mukainen sähkötekninen, käyttövarmuus ja mekaanisen kunnon analyysi jakorajojen optimointi häviöt - mahdolliset akuutit johdinvaihdot oikosulkukestoisuus ja suojauksen toimivuus maasulkusuojauksen toimivuus päämuuntajakapasiteetin riittävyys jännitteenalenematarkastelut dokumentoidaan Alue- ja keskijänniteverkon nykytila 5

6 Verkon nykytila ja tulevaisuus Arvio verkon toimintakyvystä tulevaisuudessa tulevaisuuden kuormat tulevaisuuden vikavirrat normaalitila ja mitoitusviat Tuloksena näkemys verkon tulevista ongelmakohdista, jos mitään ei tehdä. Tärkeä lähtökohta kehittämissuunnittelulle; alueet kohteet syyt 6

7 Jakelujärjestelmän kehittämistoimenpiteitä Uuden sähköaseman rakentaminen Sähköaseman poisto Päämuuntajakapasiteetin lisäys Uuden keskijännitelähdön rakentaminen Varayhteyden rakentaminen Johdinvaihto Muuntajan vaihto Olemassa olevan johdon uusiminen Johdon paikan siirto tienvarteen Johtorakenteen muuttaminen; esimerkiksi avojohto kaapeliksi tai 20 kv johto 1000 V johdoksi Sammutuksen käyttö Jännitteenkorotusmuuntajan käyttö Jatkuu 7

8 Jakelujärjestelmän kehittämistoimenpiteitä Kompensointikondensaattoreiden käyttö Varavoimakoneiden käyttö Suojareleiden uusiminen Kauko-ohjattavien erottimien rakentaminen Maastoon sijoitettujen pylväskatkaisija-asemien rakentaminen Käytönvalvonta- ja käytöntukijärjestelmien käyttö ja kehittäminen Verkon kunnossapitotoimenpiteet: tarkastukset, raivaukset, huollot Ylijännitesuojien ja eläinsuojien käyttö Metsänhoidolliset toimenpiteet Suojareleasetteluiden muuttaminen Verkon kytkentätilanteen muutokset 8

9 Jakelujärjestelmän kehittämistoimenpiteitä Eri tekniikoiden vaikutuksia vikojen määriin ja kestoihin ( tilanne paranee merkittävästi, paranee hieman, - vähäinen tai ei vaikutusta. Pysyvien vikojen määrä Pysyvien Työkeskeytykset/askytkentöjen Jälleen- Absoluuttisesti kpl/as vikojen kesto/as. määrä/as. Uudet sähköasemat - - Kaapelointi (keski- ja - - pienjänniteverkot) PAS-johdot - - Tienvarteen rakentaminen V sähkönjakelu - - Pylväskatkaisijat Kauko-ohjattavat erottimet Varayhteydet Valvomoautomaatio ( ) ( ) - Maasulkuvirtojen sammutus Varavoima Yhteistyö - - 9

10 Uuden sähköaseman vaikutukset Uuden sähköaseman aiheuttamat kustannukset 110 kv johto 110 kv kytkinlaitos päämuuntaja päämuuntajan häviöt sammutuskuristin 20 kv kytkinlaitos 20 kv liitäntäjohdot 20 kv verkon vahvistukset oikosulkukestoisuus tontti tie 10

11 Uuden sähköaseman vaikutukset Uuden sähköaseman hyödyt 20 kv verkon häviöiden vähentyminen 20 kv verkon keskeytyskustannusten vähentyminen vikoja vähemmän/asiakas keskeytysaika/vika lyhenee (vähän) 20 kv verkon jännitteenalenemien pienentyminen 0.4 kv verkon saneeraustarpeen vähentyminen 20 kv verkon saneeraustarpeen vähentyminen vähemmän vahvistuksia ja uusia johtoja maasulkuvirran pienentyminen maadoituskustannusten pienentyminen 11

12 Uuden sähköaseman vaikutukset Esimerkki: Tarkastellaan kuvan mukaista teoreettista tilannetta. Kaksi sähköasemaa syöttää niiden välissä olevaa aluetta. Lähtöjen kuormat ovat tasaisesti jakautuneet pitkin johtoja. Johtojen poikkipinnat ovat joka paikassa samansuuruiset. Sähköasemien väliin rakennetaan uusi sähköasema siten, että kunkin olemassa olevan lähdön kuormat puolittuvat. Kuinka paljon tällöin muuttuvat a) häviökustannukset b) keskeytyskustannukset c) suurimmat jännitteenalenemat d) maasulkuvirrat 12

13 Uuden sähköaseman vaikutukset Uuden sähköaseman rakentamisen ajoitus Taloudellisuus rakennetaan, kun vuotuiset säästöt ovat suuremmat kuin kokonaisinvestoinnin vuotuiserä säästöt häviökustannukset keskeytyskustannukset verkon investointisäästöt Käytännössä taloudellisuus harvoin perusteena sähköasemainvestoinnille. Tekniset reunaehdot tulevat yleensä vastaan aiemmin. 13

14 Uuden sähköaseman vaikutukset Uuden sähköaseman rakentamisella vuosittain saatavat säästöt verrattuna sähköasemainvestoinnin vuotuiserään. 1 = säästö häviökustannuksissa tapauksessa a 2 = säästö häviökustannuksissa tapauksessa b 3 = säästö keskeytyskustannuksissa tapauksessa a 4 = säästö keskeytyskustannuksissa tapauksessa b 5 = sähköasemainvestoinnin vuotuiserä 6 = sähköasemainvestoinnin vuotuiserä + syöttöpistemaksu 14

15 Jakelujärjestelmän kehittämistoimenpiteitä 15

16 Kevytrakenteinen sähköasema ja 110 kv johto 16

17 Sähköaseman poisto Vaikutukset päinvastaiset rakentamiseen verrattuna häviöt kasvavat keskeytyskustannukset kasvavat, jos katkaisijat poistuvat ylläpitokustannukset vähenevät verkon siirtovaatimukset kasvavat maasulkuvirrat kasvavat 17

18 Sähköaseman mahdollisen poiston ajoitus Poiston syyt: sähköaseman teknisen iän loppuminen huomattavat uusimisinvestoinnit alueen kuormitusten taantuma ja ympäröivän verkon kehittyminen Poiston ajankohta: taloudellisuus: Poistetaan kun ylläpitokustannusten säästöt/a ovat suuremmat kuin vuotuiset muun verkon käyttö- ja investointikustannusten vuotuinen kasvu (olettaen, että muun verkon siirtokyky on riittävä) tekninen vanheneminen: Poistetaan, jos voidaan hoitaa ilman sähköasemaa tai 20 kv verkon huomattavia investointeja. Tilalle kaukoohjattu erotinasema. 18

19 Päämuuntajakapasiteetin lisäys Kallis komponentti; 16 MVA k Tehomuuntajilla pitkä toimitusaika (kuukausia) on oltava riittävä kapasiteetti vioittumisen varalta tai riittävä kapasiteetti normaalikäytössä olevissa muuntajissa + riittävä keskijänniteverkon siirtokyky varamuuntajaksi luokiteltava muuntaja jollakin sähköasemalla paikka koko kuljetuskysymykset 19

20 Kompensointikondensaattori Pienentää loistehon siirtoa helpottaa jänniteongelmia pienentää häviöitä, jos ei ylikompensointia Vähentää loistehon hankintamaksuja (kantaverkko) 20

21 Kompensointikondensaattori Voidaan helpottaa jänniteongelmia sähköasemalla, 20 kv kiskoon kytkettynä normaalitilanteessa yhtiön loistehotaseen ylläpito häiriötilanteissa osana kj-verkon siirtoa, ylikompensointi 2 MVar 30 k 20 kv verkossa normaalitilanteen jänniteongelmien ratkaisuun häviöiden pienentämiseen Kondensaattori C Johtolähtöjä läheinen sähköasema Vioittunut sähköasema 21

22 Kompensointikondensaattori Resonanssivaara! S k syöttävän verkon oikosulkuteho Q c kompensontiteho f res 50 Sk Q c (Hz) Jänniteheilahdus; suurin sallittu 2-4 % Kytkentä katkaisijalla, jos paljon kytkentöjä U Q S c k % 22

23 Dieselgeneraattori kw, hinta n. 150 k /MW Hyödyt: pienentää verkolta vaadittavaa siirtokykyä häiriötilanteissa siirrettävissä tilanteen mukaan Dieselgeneraattori G Johtolähtöjä Läheinen sähköasema Vioittunut sähköasema Toistaiseksi osoittautuneet käytössä hieman epävarmoiksi? 23

24 Jännitteenkorotusmuuntaja (-asema) Muuntosuhde 20/20 kv, jännitteensäätö 11 x 1.67 % Kallis MVA k Käyttö joko jatkuvassa käytössä - pitkät 20 kv syötöt häiriötilanteissa - sähköaseman läheisyydessä syöttävän 20 kv johdon päässä Hyödyt: helpottaa jänniteongelmia käyttötarpeen loppuessa yhdessä paikassa niin voidaan siirtää paikkaan 24

25 Akkuvoimalaitos UPSia/dieselgenerattoria vastaava Hyödyt: kuormitusten huippujen tasaus varatehoa häiriötilanteissa Heikkoudet: Edelleen kallis lyhytaikainen kapasiteetti, 5 tuntia lyhyt käyttöikä, 10 vuotta korkeat käyttökustannukset Toistaiseksi teoreettinen vaihtoehto, mutta tilanne voi muuttua nopeasti 25

26 Varayhteydet naapurilaitoksiin/voimalaitoksiin Lisää siirtokapasiteettia häiriötilanteissa Mittauskysymykset ratkaistavissa Kannattaa aina tarkistaa mahdollisuudet ei välttämättä pysyvä ratkaisu, mutta useasti edullinen tapa lykätä suurempia investointeja 26

27 Kauko-ohjattavat erottimet ja muu automaatio Vaikutukset: lyhentävät vikojen kestoaikaa eivät yleensä vähennä vikojen määrää eivät suoranaisesti lisää tehonsiirtokapasiteettia, mutta voivat tehdä sitä välillisesti verkon käyttötilan suunnittelulaskelmat (käytöntuki) kauko-ohjattavilla erottimilla voidaan nopeasti tehdä mutkikkaitakin kytkentöjä mahdollistavat verkon kapasiteetin täysmääräisen käytön 27

28 Pylväskatkaisijat Vaikutukset: vähentävät asiakkaiden kokemia vikoja katkaisijan takana tapahtuvat viat eivät näy lähdön alkupään asiakkaille Pysyviä vikoja: PJK: AJK: Kytkentäaika: 6 vikaa/100km,a 32 pjk/100km,a 10 ajk/100km,a 30 min Lähdön alkupään keskiteho [kw] Pylväskatkaisijan hinta: p 5 % t 25 a Vuosiannuitetti: Kotitalous 56 % Maatalous 16 % Teollisuus 7 % Julkinen 11 % Palvelu 10 % Pylväskatkaisijan taakse jäävä verkkopituus [km] 28

29 Metsänhoidolliset toimenpiteet Leveämmät johtokadut (ei yleensä kannattavaa) Johtokatujen ja niiden ympäristöjen raivaus Johtokadun viereen jätettävät puut riittävän kaus johdoista Vaikutus käyttövarmuuteen vähemmän vikoja 29

30 Uusi keskijännitelähtö/ johdinvaihto Uusi keskijännitelähtö vaikutukset: pienentää häviöitä pienentää jännitteenalenemaa pienentää keskeytyskustannuksia kasvattaa oikosulkuvirtaa kasvattaa maasulkuvirtaa Johdinvaihto vaikutukset: pienentää häviöitä pienentää jännitteenalenemaa parantaa kyseisen johdon oikosulkukestoisuutta suurentaa oikosulkuvirtaa voi aiheuttaa oikosulkukestoisuusongelmia muualla verkossa 30

31 Keskijännitejohdon mitoitus Mikä on oikea poikkipinta? terminen kuormitettavuus oikosulkukestoisuus taloudellisuus jännitteenalenema 31

32 Johdon taloudellinen mitoitus Onko poikkipinta a vai b taloudellisempi? Suurempi poikkipinta b johtaa pienempiin häviöihin, mutta suurempiin investointikustannuksiin. Jos K ha - K hb > K Ib K Ia, niin poikkipinta b on kannattava valinta. Rajateho suuremman poikkipinnan käyttöön on S l U k c h kia ( r r ) b Ib a 32

33 Johdon taloudellinen mitoitus Taloudellisia rajatehoja 20 kv keskijänniteverkon avojohdoille, tehonkasvu 1 %/a, T=45 a, p=5 %, häviöiden hinta 70 /kw,a Johdin Sparrow Raven Al132 Investointikustannus /km Resistanssi /km, + 20 o C 0,848 0,536 0,219 Taloudellinen rajateho S 1, MVA 1,08 1,81 Terminen kuormitettavuus, MVA 7,3 9,7 17,1 33

34 Johdon taloudellinen mitoitus Huipputeho ensimmäisenä vuotena [kw] Al132 Pigeon Raven Sparrow laskentakorkokanta p = 5 % tarkasteluaika t = 40 a laskentajännite U = 20,5 kv tehokerroin cos f = 0,95 häviöiden hinta Hhäv = 75 /kw,a Sparrow Raven Pigeon Al Eur/km Eur/km Eur/km Eur/km Kuormituksen kasvu [%/a] Esimerkki keskijänniteavojohtojen kannattavuusalueista kuormituksen kasvun mukaan varioituna. 34

35 Esimerkki uuden johtolähdön suunnittelusta Alkutilanne 110/20 kv sähköasema Tarkasteltava johtolähtö P max = 8 MW kotitalous 57 % teollisuus 26 % julkinen 11 % palvelu 6 % 35

36 Esimerkki uuden johtolähdön suunnittelusta Uusi lähtö 110/20 kv sähköasema PAS: 3.1 km Uusi johtolähtö Vanha johtolähtö 17 muuntopiiriä (20/0.4 kv) 1048 asiakasta P max = 3.8 MW kotitalous 51 % teollisuus 36 % julkinen 11 % palvelu 2 % 19 muuntopiiriä (20/0.4 kv) 1167 asiakasta P max = 4.6 MW kotitalous 63 % teollisuus 17 % julkinen 10 % palvelu 10 % avojohto: 5.7 km, PAS: 3.1 km, maakaapeli: 4 km avojohto: 5.6 km, PAS: 2.8 km, maakaapeli: 2.0 km Kustannus [k /a] Investointikustannus, pitoaika 40 a, annuiteetti -10 Häviökustannussäästö 15 Keskeytyskustannussäästö 9 Vuosikustannussäästö yhteensä 14 36

37 Johdinvaihto ja sen toteutusajankohta K häviöissä vuosittain saavutettavat säästöt investoinnin vuotuiserä 0 t 0 t opt T t 37

38 Johdinvaihdon rajateho S l U kivahv k R h Taloudellisia johdinvaihdon rajatehoja 20 kv keskijänniteverkon avojohdoille, T=45 a, p=5 %, häviöiden hinta 70 /kw,a Johdin Swan Sparrow Raven Al132 Uusi johdin Sparrow Raven Al132 Raven Al132 Al132 Vaihtokustannus /km Resistanssi /km, + 20 o C 1,360 0,848 0,536 0,219 Johdinvaihdon taloudellinen rajateho S 1, MVA 2,00 1,81 2,14 2,91 2,48 3,18 Terminen kuormitettavuus, MVA 5,0 7,3 9,7 17,1 38

39 Kaapelointi vs. avojohto Kaapelointi keskijännitteellä suurempi investointikustannus kuin avojohdolla kaapeloinnin tuottavuuskehitys positiivista päinvastoin kuin avojohdoilla pienjännitteellä yleensä edullisempi ratkaisu, jos auraus mahdollista parempi käyttövarmuus, etenkin suurhäiriöissä kah-arvojen nousu luo kannusteita kaapeloinnille kasvattaa keskijänniteverkon maasulkuvirtaa varasyöttöyhteyksien/varatehon tarve korostuu, koska korjausajat pitkiä 39

40 Kaapelointi vs. avojohto Kaapeliverkon ja avojohtoverkon hintakehitys (investoinnit) kaapeliverkon investointikustannukset, kj, pj kaapeli, asennus, erottimet, muuntamot, sammutus, varateho kaapeli; 10 kv (-10-15%), 20 kv, auraus, kaivu asennus; kaivu (10 /m)/, auraus (1-3 /m), tienvarsien käyttö (1 /m), maaperän laatu muuntamot/erottimet; sarjavalmisteet, modulaarisuus sammutus; keskitetty, hajautettu (muuntamo) varateho; varayhteys, varakaapeli, aggregaatti 40

41 Kaapelointi vs. avojohto Kaapeliverkon ja avojohtoverkon hintakehitys (investoinnit) avojohtoverkon investointikustannukset, kj, pj tarvikkeet, asennus pylväät; uusien pylväiden kestoikä (20-40 a), % asennus; työturvallisuusvaatimukset kasvavat tienvarsirakentamisen lisähinta palvelumarkkinan ohentuminen maankäytön vaikeutuminen 41

42 Kaapeliverkon ja avojohtoverkon hintakehitys KUSTANNUKSET Yksikköhinta [ /yks.] Vuosi 70 mm2 KJmaakaapeli Raven avojohto Satelliittimuuntamo (enint. 315 kva) Kaapeliojan kaivu - haja-asutusalue Jakelumuuntajat (200 kva) ILMAJOHTORAKENTAMINEN MAAKAAPELOINTI? AIKA 42

43 Maakaapeloinnin kustannuskomponentit KAAPELI KAAPELOINTI MUUNTAMOSANEERAUS SAMMUTUS VARAVOIMA Esim. 95 mm 2 25 /m Tavoitetaso: Kaivuu: /m Auraus: 2.5 /m Laskelmissa käytetyt arvot Maakaapeli: - Kaapeli (95 mm 2 ): /km - Kaapeliauraus: /km - Muuntamosaneeraus: /km - Sammutus: /km - Varasyöttö: 100 /km YHT /km Huom! Koppimuuntamon hintana ilmajohtoverkon 2-pylväsmuuntamon hinta. Muuntamotiheys tarkastelualueella: 0,76 muunt./km 5 /m Siirtymävaihe Maakaapeli: - Kaapeli (95 mm 2 ): /km - Kaapeliauraus: /km - Muuntamosaneeraus: /km - Sammutus: /km - Varasyöttö: 100 /km YHT /km Keskitetty: 1000 /A 2 /km (2 A/km) Hajautettu: 1000 /A 2 /km (2 A/km) 2.0 /m -Kaapelointihintavariaatiot: 50 % auraamalla, 50 % kaivamalla Tavoitetasossa 6.25 /m Esim. 500 kva 50 k /kpl Tarkastelualue 580 km 0.1 /m Avojohto: - Johto, EMV-perushinta, Raven: /km - Pitoaikatarkennus (40 a 20 a) + rakennemuutoslisä: /km - Suurhäiriölisä: /km YHT /km -Sammutus: Keskitetty 1000 /A (100 A kela) noin 2 /km (W70 mm 2 2 A/km), hajautettu 1000 /A (15 A kela) noin 2 /km Al132: /km -Suurhäiriölisä avojohdolle, variaatiot: /km, /km ja /km -Kunnossapito- ja viankorjauskustannus: Kaapeli haja-asutusalue: Electricity Energy /km Environment (58+44 /km,a), avojohto tienvarsi: /km ( /km,a) 43 -Kaikissa tarkasteluissa pohjalla EMV:n kansalliset keskimääräiset KAH-parametrit, ei yhtiökohtaisia painotuksia

44 Maakaapelointi Kannattavuuskäyrät TAVOITETASO: Maakaapeli: - Kaapeli (95 mm 2 ): /km - Kaapeliauraus: /km - Muuntamosaneeraus: /km - Sammutus: /km - Varasyöttö: 100 /km YHT /km Johtolähdön huipputeho [kw] v TILANNE SIIRTYMÄVAIHE TAVOITETASO SIIRTYMÄVAIHE: Maakaapeli: - Kaapeli (95 mm 2 ): /km - Kaapeliauraus: /km - Muuntamosaneeraus: /km - Sammutus: /km - Varasyöttö: 100 /km YHT /km esimerkkijohto v TILANNE: Maakaapeli: - Kaapeli (95 mm 2 ): /km - Kaapelikaivu (haja-asutus): /km - Muuntamosaneeraus: /km - Sammutus: /km - Varasyöttö: /km YHT /km Avojohto: - Johto, EMV-perushinta: /km - Pitoaikatarkennus (40 a 20 a) + rakennemuutoslisä: /km - Suurhäiriölisä: /km YHT /km Muutos pysyvien vikojen lukumäärässä [kpl/100km,a] 44

45 Kehittämisvaihtoehdot Kj-kaapelipoikkipinta Huipputeho ensimmäisenä vuotena [kw] mm 2 (41.8 /m) 185 mm 2 (36.8 /m) 120 mm 2 (30.3 /m) 70 mm 2 (22.1 /m) Kuormituksen kasvu [%/a] laskentakorkokanta p = 5 % tarkasteluaika t = 40 a laskentajännite U = 20,5 kv tehokerroin cos f = 0,95 häviöiden hinta Hhäv = 75 /kw,a Suluissa kaapelien hinnat (EMV 2008, materiaali+asennus, ei kaivuuta) Keskijännitemaakaapelin kannattavuusalueet eri poikkipinnoille kuormituksen kasvun mukaan varioituna. 45

46 Johdon siirto tienvarteen Metsässä olevien johtojen siirto tien varteen, kun johdon uusinta ajankohtainen Vikojen määrä vähenee Tarkastaminen ja korjaaminen nopeampaa Enemmän mutkia, yleensä hieman kalliimpi Yleensä hieman pitempi johtoreitti kuin metsässä 46

47 PAS-johtojen käyttö Päällystetty johto hieman avojohtoa kalliimpi Parempi käyttövarmuus jälleenkytkennät lähes kokonaan pois pysyvien vikojen osalta hyöty vähäinen, jos ei tehdä tarkastuksia jokaisen myrskyn/lumikuorman jälkeen Johdot olisi tarkastettava myrskyjen jälkeen, kasvattaa käyttökustannuksia etenkin, jos johdot metsässä Maahan pudonnut PAS-johdin turvallisuusriski vikaresistanssi voi olla suuri ja suojaus ei laukaise johtoa jännitteettömäksi 47

48 Investointien vaikutus käyttövarmuuteen 48

49 Investointien vaikutus käyttövarmuuteen 49

50 Muun tekniikan kehittyminen 50

51 Smart Grid 2035 Visio Smart Grid 2035; Teknologia Vision 2035 langaton tiedonsiirto tarjoaa palveluja käytännössä rajattomalla kapasiteetilla lähes nollakustannuksin kaikilla sähköisillä toimilaitteilla on IP-osoite hajautettu äly ja muistikapasiteetti on kaikkialla tietojärjestelmien hallinta on keskeisessä roolissa akkuteknologia mahdollistaa edullisen energian varastoinnin (< 1 snt/kwh) pienimuotoisen energiatuotannon yksikkökustannukset ovat kilpailukykyiset tehoelektroniikka mahdollistaa sähkön muokkauksen (sähkön laatu, DC) kilpailukykyisesti 51