Maadoitusjärjestelmät hankkeen tuloksia Sähkötutkimuspoolin tutkimusseminaari 4.2.2016 Hilton Helsinki Airport, Vantaa Antti Mäkinen, Tampereen teknillinen yliopisto Projektipäällikkö Tommi Lähdeaho, Elenia Oy Ohjausryhmän puheenjohtaja Esa Niemelä, Energiateollisuus ry Ohjausryhmän sihteeri
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
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. 80 60 40 20 0 Keskijänniteverkon maakaapelointiaste % Pienjänniteverkon maakaapelointiaste % Toimitusvarmuusinvestoinnit Verkot kunnossa vuoden 2028 loppuun mennessä Investoinnit 2014-2028 yhteensä noin 8 mrd Kaapeleita 8 000-10 000 km vuosittain Painopiste ensin taajamissa, 2020-luvulla hajaasutusalueella 3
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
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
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
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
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
Tyyppitapaukset Haja-asutusalue Kylä-taajama Taajama 9
Potentiaalien simulointi PSCAD-ympäristössä 10
Laskentatuloksia Maadoitusketjun huonoin resultoiva maadoitusarvo on ketjun päässä yhdistettyjen maadoitusten ketjussa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 10 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 5 0 0 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 15000 ohm 2300 ohmm 4600 ohmm 15000 ohmm 11
Yhdistettyjen maadoitusten määrän vaikutus maadoitusketjun alkupäähän 25 Resultoiva impedanssi ketjun alussa - 20 ohm/muuntamo, 1 km välit - kaapeli AXAL-TT 3x50 20 ohm 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Maadoitusten määrä ketjussa 12
Maadoitusketjun impedansseja 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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 10 10 8 8 ohm 6 4 ohm 6 4 2 2 0 2300 ohmm 4600 ohmm 15000 ohmm 0 ohmm 0 2300 ohmm 4600 ohmm 15000 ohmm 0 ohmm AXAL50 WP95 W240 AXAL50 WP95 W240 13
Maadoitusketjujen impedansseja 1 2 3 4 5 Resultoiva maadoitus / ohm 5 muuntamon ketjun alkupäässä eri kaapeleilla, Kylä-taajama, 15 ohm/maadoitus, 1 km välit ohm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2300 ohmm 4600 ohmm 15000 ohmm 0 ohmm AXAL50 WP150 W240 14
Taajamaverkkojen resultoivia maadoitusarvoja Maan resistiivisyys 2300 ohmia Kaapelityyppi AXAL-TT 3x50 1.0 km solmuvälit 4x4, 3x3 ja 2x2 ruudukkomaisilla verkoilla 15
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
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
Kiitoksia! Lisätietoja: Tommi Lähdeaho, Elenia Oy tommi.lahdeaho@elenia.fi Esa Niemelä, Energiateollisuus ry esa.niemela@energia.fi