Nye forbruksapparater og elbiler - Hvilke utfordringer skaper de for lavspenningsnettene?

Transkript

1 Nye forbruksapparater og elbiler - Hvilke utfordringer skaper de for lavspenningsnettene? Henrik Kirkeby Henrik.kirkeby@sintef.no SINTEF Energi Voltage [V] Meters Max Teknologi for et bedre samfunn 1

2 Agenda Innledende informasjon om: 1. Status for det norske distribusjonsnettet 2. Begrepet leveringskvalitet og regulering av spenningskvalitet Utfordrende elektriske apparater 1. Hva er utfordrende elektriske apparater (UEA)? 2. Eksempler på UEA 3. Håndtering av UEA Teknologi for et bedre samfunn 2

3 DISTRIBUSJONSNETTET "RIKETS TILSTAND" Norge er verken verdensmester eller europamester i lavspennings-nett, vi er på den nedre halvdelen av "resultatlisten" i Europa! 2. Lavspenningsnettet er kanskje Norges mest "forsømte" nett (nettstyrke/kortslutningsytelse!). 3. Stor andel IT-nett bidrar til å forsterke utfordringene i våre svake lavspenningsnett Teknologi for et bedre samfunn 3

4 Hva er leveringskvalitet mht elektrisk kraft? Leveringspålitelighet av elektrisk kraft (tilgjengelighet) Spenningskvalitet av elektrisk kraft (anvendelighet) Miljømessige og sikkerhetsmessige forhold omkring framføring og bruk av elektrisk kraft Informasjon vedr. bruk av elektrisk kraft Administrative/servicemessige forhold Teknologi for et bedre samfunn 4

5 Hvorfor krav til spenningskvalitet? Kompatibilitet mellom elektrisitet og elektriske apparater EMC vs EMI: Emisjon og immunitet (apparater skal ikke forstyrre seg selv eller andre apparater/utstyr) Utstyr og apparater skal fungere slik de er tenkt. De skal ikke: gi problemer/feil under drift Ikke slå seg av (trip) Ikke havarere! Vern og utstyr i nettet må ikke få problemer pga spenningsforstyrrelser Teknologi for et bedre samfunn 5

6 Netteier Kunder Kryssende Installatører interesser Kraftprodusenter Produsenter apparater/anlegg Standardisering et viktig virkemiddel for å få dette til å gå opp Teknologi for et bedre samfunn 6

7 Forskrift om Leveringskvalitet (FoL) Teknologi for et bedre samfunn 7

8 Standardiseringen i dag? Bukken og havresekken på BEGGE sider? Apparatproduserende industri Elforsyningen Teknologi for et bedre samfunn 8

9 STANDARDISERING PÅ APPARATER OG UTSTYR Emisjon Immunitet Er det "full kompatibilitet" mellom standardisering på elektrisitet og på elektrisk utstyr/apparater? NEI!!!! GAP stabile spenninger VS gjennomsnitt 95 % og 99 % av tiden +6 % "endurance test" Krav til elektrisitet i kundens inntak VS krav til apparater/utstyr i stikkontakten Emisjonsstandarder tillater enkeltapparatene å "bruke opp" hele kompatibilitetsgrensen (eks. Plt = 1) "Umulig" uten veldig fordelaktig sammenlagring. Det mangler krav mht enkelte forstyrrelser (både til apparater og til el-forsyning) Teknologi for et bedre samfunn 9

10 234 Eksempel 233 på spenninger målt hos kunder på samme lavspenningskrets Channel 1 (V) Teknologi for et bedre samfunn 10

11 Teknologi for et bedre samfunn L1 (V) , ,25 200, , ,75 181, , ,625, ,25 203, ,75 201,25 201,75 203,125, , , ,75, , , , ,25 203,5 204, , ,25 203,5 204,25 203,75 204, , , , , ,5 203, ,75 199,75 202, ,75 203, ,25 203, , , ,25, , ,25 204, ,75 204, , , , , , , , ,75 203,5 203,75 199, ,75 202, , ,25, ,75 204,25 199,5 203,5 203, ,125, ,75, ,875, , ,5 204,25 203, ,75 202,75 201,375, ,25 199, ,25 130, , , ,5 204, ,25 204, ,5 202, , , ,5 202,75 201, , ,25 202, ,25 203,5 201, ,5 200, , ,75, , , , , , ,25 201, , , ,75 197, , ,5 203,25,125, ,25 203,625, , ,5 203,25 198, ,75 166, ,875, ,25, ,75 203, ,5 201, ,375,125, , , , ,125, ,25,125,125,125,125,125, ,75 197,25 204, ,25 187, , , ,25 204, ,75 203, , ,5 202,25 201, , ,25 203, , , ,125, ,5, , , ,75 196,75, , ,875, ,5 202,75 203, ,375, ,25 203, , ,25 203,875, , ,125, , , ,125, , , , , ,5 199,75 196, ,5 197, ,75 198, , ,5 203,625,125, ,25 202, ,5 199, ,25 200,625

12 Teknologi for et bedre samfunn 12

13 0,23kV 22kV V 253 V Målepkt.1 SOMMER VINTER V Målepkt.2 God spenningskvalitet. Marginer igjen i nettet. 230 V 207 V 253 V G Nettet fullt utnyttet. Ingen marginer igjen! 230 V 207 V Uakseptable forhold. Tiltak må iverksettes. 253 V 230 V 207 V Teknologi for et bedre samfunn 13

14 Det blir viktigere/mer nødvendig å følge med på variasjonene i spenningen! Teknologi for et bedre samfunn 14

15 Hvorfor medfører en hel del apparater så mye forstyrrelser på spenningen i Norge? Deler av det norske lavspenningsnettet har en impedans høyere og til dels mye høyere enn den standardiserte referanseimpedansen (Svake nett). Men HVA er den standardiserte referanseimpedansen? IEC TR 60725:2005 Considerations on reference impedances and public supply network impedances for use in determining the disturbance characteristics of electrical equipment having a rated current < 75A per phase. Brukes til å teste apparater tilkoblet et svakt standardnett Apparatene skal ikke genere utillatelige forstyrrelser når de er tilkoblet et slikt svakt nett Referanseimpedansen finnes kun for 230/400 V TN-nett, men de samme apparater brukes i stor grad i 230V IT-nett (unntak mht 3-fase apparater 230 vs 400 V) Teknologi for et bedre samfunn 15

16 Følgende verdier er gitt i IEC TR 60725: Apparater < 16 A 230V/400V (50Hz) Faseleder 0,24+j0,15 Ω (Sk= 565 kva, Ik=0.8 ka) tallverdi: 0,28 Ω Nøytralleder 0,16+j0,10 Ω Fase-nøytral 0,40+j0,25 Ω Apparater < 75 A 230V/400V (50Hz) med inntak > 100A Faseleder 0,15+j0,15 Ω (Sk= 755 kva, Ik=1.1 ka) Nøytralleder 0,10+j0,10 Ω Fase-nøytral 0,25+j0,25 Ω tallverdi: 0,21 Ω Det finnes ikke referanseimpedanser for 230 V IT. Men dersom man i et 230V IT nett skal ha samme nettstyrke som referanseimpedansen gir blir transformasjonen som følger: ZZ 230 = 2302 ZZ Dette betyr at referanseimpedansene referert 230V blir: Apparater < 16 A 230V (50Hz) Faseleder 0,08+j0,05 Ω tallverdi: 0,093 Ω Apparater < 75 A 230V (50Hz) med inntak > 100A Faseleder 0,05+j0,05 Ω tallverdi: 0,070 Ω Teknologi for et bedre samfunn 16

17 Hva tilsvarer dette i kortslutningsytelse/kortslutningsstrøm? II kk2 > cc 230 VV Ω = Teknologi for et bedre samfunn 17

18 Tabell 1 Estimat på nettstyrke i norske lavspenningsnett. Prosentvis fordeling av nettstyrke (I kmin ) < 350 A A A A >= 1 ka 6,2 % 7,5 % 13,5 % 13,2 % 59,7 % Estimatene er basert på en kartlegging av dagens nettstyrke hos 6 nettselskap v.hj.a. kortslutningsberegninger: Skagerak Nett Eidsiva Nett Istad Nett Helgeland Kraft Agder Energi Nett Fortum! Til sammenligning var "målsetningen" med referanseimpedansen (IEC TR 60725) at 95 til 99 % av kundene skulle ha en nettstyrke tilsvarende referanseimpedansen eller sterkere!! I Norge ser tallet ut til å være bare 50 til 60 % og ganske mange har vesentlig svakere nett > hos enkelte så svakt at sikker utløsing av vern ikke lenger er en selvfølge! Teknologi for et bedre samfunn 18

19 SISTE NYTT: NVE startet for en tid tilbake egne undersøkelser mht kortslutningsytelsen i det norske lavspenningsnettet På Brukermøte Spenningskvalitet 2014 ( /09) uttalte NVE at resultatene så langt (og grovt sett) er i størrelsesorden ganske likt det man fant i undersøkelsen foretatt av Energi Norge og 6 nettselskap. Teknologi for et bedre samfunn 19

20 SISTE NYTT 2: Ved de tidligere beregningene ble Ik2min brukt som mål på nettstyrke Ik2min beregnes ved høy temperatur (typisk grader) Høyere temperatur -> høyere resistans -> lavere Ik2 Ik2 er beregnet ved romtemperatur, og er derfor høyere enn Ik2min for samme nett Teknologi for et bedre samfunn 20

21 SISTE NYTT 2: Prosentvis fordeling av nettstyrke (I k2 ) < 430 A A A A >= 1,25 ka 6,2 % 7,5 % 13,5 % 13,2 % 59,7 % % av kundene har lavere kortslutningsytelse enn et nett med referanseimpedansen Teknologi for et bedre samfunn 21

22 "Utfordrende" elektriske apparater Nettsjef Teknologi for et bedre samfunn 22

23 Trender mht elektrisk last Klimaendringer og hensynet til miljø og energiknapphet på ren og fornybar energi fører til stort internasjonalt fokus på energieffektivisering og stadig mer energieffektive elektriske apparater. Glødelampen er faset ut av markedet og det diskuteres allerede "hva man skal gjøre" med for eksempel tradisjonelle varmtvannstanker som er ansett og ikke være energieffektive nok Denne trenden har vist seg å medføre en del nye utfordrende elektriske apparater og utstyr Lavere energiforbruk MEN høyere maks effekt (mindre "påtid", mer "avtid") Gjennomstrømmingsvannvarmere Induksjonskomfyrer Helt ny elektrisk last/utstyr samt velkjente, men betydelig endrede apparater Teknologi for et bedre samfunn 23

24 Informasjon og resultater fra 2 prosjekter 2012 Håndtering av utfordrende elektriske apparater: Energi Norge SPESNETT (Spenningskvalitet i Smarte Nett): Energi Norge, Norges Forskningsråd, NVE, REN og 11 nettselskap inkl. Statnett Teknologi for et bedre samfunn 24

25 Utfordrende elektriske apparater Om elektriske apparater skaper utfordringer for spenningskvaliteten i nettet avhenger hovedsakelig av tre forhold ved apparatene samt hvor sterkt nettet som forsyner apparatene er. Hvor sterkt nettet er, kan beskrives ved nettets kortslutningsytelse og nettets impedans. Høy kortslutningsytelse tilsvarer lav impedans og tilsier et sterkt nett. De tre avgjørende faktorene ved de elektriske apparatene er: 1. Maksimal lastendring/effekt når apparatene starter og stopper (startforløp) 2. Hvor hyppig/ofte apparater slås av og på (hyppighet/frekvens) 3. Hvor stor forvrengning/avvik fra ren sinus det er på strømmen apparatene trekker. Teknologi for et bedre samfunn 25

26 Direktestartede asynkronmotorer i for eksempel varmepumper, vedkløyvere, høytrykkspylere Typisk ytelse fra 1 til 6 kw (elektrisk), men kan også være større. (Berg/jordvarmepumper eksempelvis opp til 32 A 400 V) Det norske 230 V delta-nettet gir oss utfordringer Lavere spenning = større strøm (3-fase) Enfase kontra trefase Rørleggerfirma har svært ofte ikke kompetanse til å vurdere ytelse på motor/kompressor opp mot nettet der kunden er tilknyttet og det har det dessverre i en del tilfeller vist seg at heller ikke elektriker har Vi må forvente (ytterligere) ØKT BRUK av varmepumper i årene framover! Teknologi for et bedre samfunn 26

27 260 V L1 (V) V V Teknologi for et bedre samfunn 27

28 En "liten" vedkløyver på "bare" 1500 W Normal bruk, 1,5 kw Vedkløyver Teknologi for et bedre samfunn 28

29 ELBILEN SOM LAST? Langtidslading (normallading) 10 A, 13 A og 16 A enfase (2300 W til 3600 W) De aller fleste andre elektriske apparater i dag med vanlig enfase støpsel for 10/16 A stikkontakt er på maks 2000 W som regel mindre. Eks. på 2000 W apparater, vaskemaskin, oppvaskmaskin, vifteovn, varmtvannstank En elbil på 16 A langtidslading (3600 W) utgjør en betydelig last i de fleste husstander 31 % av maks last i et rekkehus med 50 A enfase sikringer 23 % av maks last i en halvpart av tomannsbolig med 40 A trefase sikringer 14 % av maks last i en stor enebolig med 63 A trefase sikringer Hurtiglading - eksempel 63 A 230 V trefase - > 25 kw 63 A 400 V trefase - > 43 kw 125 A 400 V trefase - > 86 kw En enkelt elbil på hurtiglading kan tilsvare flere husstander i full last (en kald vinterdag) Teknologi for et bedre samfunn 29

30 Bolighus Elbil 43 kw 25 kw hovedsikring 25 kw 3,6 kw Mild dag Kald dag Hurtiglading Normal/treg lading Teknologi for et bedre samfunn 30

31 Teknologi for et bedre samfunn 31

32 Teknologi for et bedre samfunn 32

33 E-CARS load profiles (Normal charging of 15 electic vehicles of the municipality of Trondheim) Teknologi for et bedre samfunn

34 Teknologi for et bedre samfunn

35 7 kw enfase lading av Tesla S i installasjon med relativt sterkt inntak Teknologi for et bedre samfunn 35

36 Hva vil det koste å oppgradere det norske lavspenningsnettet til å takle alle utfordrende elektriske apparater? En gruppe norske nettselskap har i samarbeid med Energi Norge anslått kostnadene oppgradering (nettforsterkning) av det norske lavspennings-nettet slik at det skal tåle at en hvilken som helst kunde kan ta i bruk slike utfordrende elektriske apparat. Kostnadene ble anslått til mellom 15 og 113 milliarder kroner! SINTEF Energi har i arbeidet for Energi Norge foretatt litt mer konservative beregninger (utgangspunktet var å få kostnadene så riktige som mulig, men heller med for lave anslag fremfor for høye). Kostnadene SINTEF Energi kom fram til var mellom 9 og 33 milliarder kroner, men da "bare" forsterkning opp til 500 A (nett som i dag er under) Teknologi for et bedre samfunn 36

37 Hvorfor MÅ vi akseptere utfordrende elektriske apparater? Kan vi nekte at apparatene (eks. enfase 16 A som trenger sikring med C-karateristikk) får kobles til i vårt nett eller kan vi nekte at de i det hele tatt får selges i Norge? NEI! På lang sikt kan vi kanskje få gjennom endringer internasjonalt mht emisjonsgrenser, tilpasninger av apparater etc. Det vil om vi lykkes erfaringsmessig ta lang tid! "Ikke bra" at hele kompatibilitetsnivået "lovlig" kan "spises" av bare en enkelt apparat! SINTEF har dokumentert at enkeltapparater BRYTER kravene/emisjonsgrensene Kan vi gjøre situasjonen lettere for norske nettselskap og kunder? JA! Vi kan jobbe for å få aksept for forebyggende måter å håndtere utfordrende elektriske apparater på i Norge Teknologi for et bedre samfunn 37

38 Vi må akseptere utfordrende elektriske apparater, men prøve å få bedre kontroll med når og hvor de installeres Behov for rutiner som må forstås og aksepteres av flere parter! Myndigheter Nettselskap Kunder Installatørbransjen Vurdere krav til mykstart / frekvensomformer Enfase VS trefase apparater Informere 3. part: Forhandler / installatør / utbygger Kunde Kontakt Melde Informere Melde Informere Nettselskap Teknologi for et bedre samfunn 38

39 Forebyggende arbeid: Ett forbilde for andre? Et nettselskap har løst dette meget godt Deltar på fagdager for bransjen Deler ut oversikter over hva slags lading som tillates i ulike nett Viser til tiltak som kan gjøres for å øke ladestrømmen God business for installatørene God service for kundene! Nettstyrke Tillatt enfase/trefaselading 300 A Eks. 10/16 A 500 A Eks. 16 A A Teknologi for et bedre samfunn 39

40 Oppsummering UEA kan forårsake mange problemer forover Elbiler kan skape utfordringer i form av: Langsomme spenningsvariasjoner under 207 V i svake nett Spenningssprang, avhengig av ladeprofilen til elbilen Ubalanse, avhengig av ladestrøm, nettstyrke og mengde elbiler Teknologi for et bedre samfunn 40

41 TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN Teknologi for et bedre samfunn 41