Nettstasjoner i kjøpesentre og parkeringshus. Stig Kyrkjeeide

Transkript

1 Nettstasjoner i kjøpesentre og parkeringshus Stig Kyrkjeeide

2 Innledning Prosjektere, bygge og utstyre nettstasjoner på eller ved sterkt beferdede områder slik at de gir sikkerhet for personer i og utenfor anlegget Høyspenningsutstyr: Fare for overslag og lysbuer Oljefylt utstyr: Dekomponering av isolervæsken og temperaturøkning med tilhørende trykkstigning og fare for at spaltingsgasser og oljetåke spruter ut. Dersom oljetåken antennes, vil kraftige eksplosjoner samt brann kunne oppstå. Brann mye omtalt i litteraturen, mens trykk/eksplosjoner lite omhandlet og få generelle retningslinjer Valgt fokus: Problemstillinger rundt fordelingstransformatorer 2

3 Innhold Feilstatistikk fordelingstransformatorer Interne feil i oljefylte fordelingstransformatorer Overstrømsbeskyttelse av fordelingstransformatorer Forskriftens og normers krav Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Anbefalinger fra brannteknisk konsulent Skadebegrensende tiltak og utforming av nettstasjonen Oppsummering Referanser 3

4 Feilstatistikk fordelingstransformatorer [1] 1. Norge (luftnett) mastetransformatorer: Midlere feilrate 1,85% pr. år ( feil pr. 100 transf.år) 2. Tyskland 1985: Blandet nett: 0.147% 3. Tyskland 1985: Kabelnett: 0,085% 4. Nederland: Kabelnett : 0,075% 5. England: Kabelnett : 0,109% Norge : 0,78% [9] Estimat for feilrate i kabelnett Norge [1]: <0.07% 4

5 Feil i fordelingstransformatorer Feilårsaker: Termisk Mekanisk Elektrisk Aldring Annet Interne feil dominerer Sjeldnere feil: Feil vedr. høyspenningstilkoblingene Sammenkoblinger på høyspenningssiden inne i transformatoren Trinnkoblerne 5

6 Havari av nettstasjon [1] 6

7 Havarert fordelingstransformator [1] 7

8 Havarert fordelingstransformator [1] 8

9 Video fra EFITR A4200 Interne feil i mineraloljefylte fordelingstransformatorer

10 Feilforløp interne feil i mineraloljefylte fordelingstransformatorer De fleste interne feil starter med en vindingskortslutning stor strøm i vindingen gir temp.økning Feilen videreutvikles flere og flere vindinger involveres gradvis i kortslutningen Primærstrømmene øker Lokal oppvarming, delutladninger og interne lysbuer i viklingen danner gasser Lokal oppvarming: Metan CH 4, Etylen C 2 H 4, Propylen C 3 H 6 Interne lysbuer i mineralolje: Hydrogen H 2, acetylen C 2 H 2, karbonmonoksid CO og karbondioksid CO 2 Overopphetet olje gir oljedamp Eksplosjonsgrensene for gassene blandet med luft er vide og selvantennelsestemperaturene relativt lave. Det samme gjelder for oljedamp og oljestøv hvor selvantennelsestemperaturen går ned mot o C. Alternativt kan gassene og oljedamp/oljestøv bli antent av lysbuer i anlegget eller av glødende partikler fra transformatoren. Primærstrømmene ved intern feil øker typisk til 3-10x merkestrøm (Yy-koblet) 10

11 Transformatorens overstrømsbeskyttelse Normalt strømbegrensende høyspenningssikring og lastskillebryter i kombinasjon, alternativt effektbryterløsning Noen av vernets oppgaver: Beskytte fordelingsnettet mot utkobling ved trafofeil Beskytte transformatoren mot overlast Redusere konsekvensene ved interne feil i transformatoren og dermed øke sikkerheten til driftspersonell og andre Den primære overstrømsbeskyttelsen skal ikke løse ut pga. transformatorens innkoblingsstrømmer. Etablert praksis: Velger tid-strøm-karakteristikk som ligger til høyre for et punkt på 8-12 x I N (merkestrøm) med varighet 0,1 sek. Ved intern feil i trafo vil primærstrømmene bli begrenset typisk til 3-10 x merkestrøm, dvs. høyspenningssikring, eventuelt overstrømsvern, vil få vansker med å detektere slike feil innen rimelig tid. 11

12 Transformatorens overstrømsbeskyttelse Buchholz-relé (gassvakt) fungerer meget tilfredsstillende og raskt både for transformatorer med konservatorer og for hermetisk lukkede transformatorer. Buchholz-relé sammen med overstrømsvern og effektbryter eller sikring- /lastbryterkombinasjon vil gi et meget godt vern som i de aller fleste tilfeller vil gi rask nok utkobling til å hindre eksplosjon av transformatoren forårsaket av indre feil [1]. NB! Overstrømsbeskyttelsen hindrer ikke at feil oppstår, men reduserer omfanget av skadene etter at feilen har oppstått. 12

13 Forskriftens og normers krav FEF 2006, 4-7 Bygninger - plassering: Rom for høyspenningsanlegg i bygg for annet formål eller sammenhengende med slik bygning skal være utført som branntrygt rom (EI 60/A2-s1 eller REI 60/A2-s1). Slike rom skal fortrinnsvis ha dør til det fri. Minstekrav til installasjon av innendørs transformatorer er hovedsakelig som ovenfor. Oljeisolerte transformatorer med væskevolum >1000 l har krav til sikkerhetstiltak EI 90 eller REI 90, alternativt REI 60 med automatisk slukkeanlegg. 13

14 Forskriftens og normers krav FEF 2006, 4-7 Bygninger Trykkpåkjenning i bygninger: Skal tas hensyn til forventet mekanisk påkjenning og trykk forårsaket av lysbue og eventuelt oljedampeksplosjon. Rom for transformator eller høyspenningsanlegg skal utføres slik at rommet ikke slipper gjennom flammeball, oljebrann, eksplosjonstrykk eller røyk til andre deler av bygget Trykket skal så vidt mulig avlastes gjennom egnede avlastingsåpninger mot friluft I boligbygg, forretningsbygg, kontorbygg, bygg med forsamlingslokaler, skoler og lignende, skal oljefylte transformatorer plasseres i rom med yttervegg. Oljefylte transformatorer bør fortrinnsvis plasseres utendørs. 14

15 Forskriftens og normers krav FEF Sikkerhetstiltak : Der det er plassert utstyr med isolerende væske skal det være oppsamlingsanlegg, terskel eller andre tiltak slik at væsken ikke renner ut i rommet eller ut i naturen ved en lekkasje. Oljefylte transformatorer med oljevolum mer enn 1000 l skal ha oljegruve med oppsamlingstank. Oljegruven skal ha innretning for slukking av eventuell brann i oljen - steinfilter eller tilsvarende. Volumet skal til sammen kunne motta hele oljemengden pluss regnvann og slukkevæske. REN-kommentar: Dersom samlet oljevolum >1000 l og hvor alle transformatorene hver for seg er < 1000 l, tar en utgangspunkt i samlet oljevolum. Det er krav til brannavstand mellom transformatorene dersom én av transformatorene er >1000 l. Brannkrav for bygning fastsettes fra ytelse til største transformator. Brannskillevegg kan brukes for å unngå avstand mellom transformatorer. 15

16 Forskriftens og normers krav DSB Elsikkerhet nr. 68: Ut fra risikovurderingen og anleggets art, skal det velges en relevant, akseptert internasjonal norm fra IEC, CENELEC eller IEEE som grunnlag for utførelsen av anlegget. NEK 440:2006 Stasjonsanlegg over 1 kv. Gir retningslinjer/krav for beskyttelse mot brann for transformatorer, samt ulike løsninger for oljeoppsamling. REN-blad 6038 Nettstasjon i bygg branntekniske krav, bygger på bl.a. FEF Trykk/trykkavlastinger er ikke behandlet. 16

17 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Utvidelse av eksisterende kjøpesenter med underliggende parkeringskjeller (2004). Bussterminal og nærtliggende svømmehall og kino. MYE FOLK som benytter parkeringskjeller! Nedkjøring garasjeanlegg 17

18 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Nettstasjon 18

19 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Brannteknisk rådgiver engasjert som også rådførte DSB Generelle kommentarer: Svært få konkrete retningslinjer i Norge for å beregne nødvendige trykkavlastningsflater (ref. 2004). Tidligere praksis har ikke tatt hensyn til konsekvensen av oljestøveksplosjon/gasseksplosjon Riktig dimensjonert avlastningsflate krever kompliserte beregninger vedr. gassog oljestøveksplosjon samt risikovurdering. ATEX-direktivene: Eier har et ansvar for å gjøre en risikovurdering når det tas i bruk utstyr som utgjør en fare for eksplosjon i bygget. Trykklaster avhenger av: Energi som frigjøres i lysbuen Andel oljetåke som tar del i eksplosjonen Fysiske barrierer Utstyrstetthet i rommet hvor eksplosjonen skjer 19

20 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter HOVEDKONKLUSJONER: Krav avlastningsflater for transformatorrom: Avlastningsflater mot det fri uavhengig av om koblingsanlegget legges i egen bygning Avlastningsflater inn mot parkeringskjeller tillates ikke. Sjakt ved yttervegg som leder trykket mot det fri må derfor graves ut. Sjakten skal ikke legges direkte i tilknytning til ovenforliggende rømningsvei/inngang. Alle konstruksjoner mot parkeringskjeller skal tilfredsstille brannmotstand EI90 og ha tilstrekkelig mekanisk styrke. Avlastningsflatenes størrelse avhengig av tørrisolert eller oljeisolert transformator: Tørrisolert: Dimensjoneres ut fra forekommende lysbueenergi. Ifølge Tafjord utgjør dette 0.5 m 2 forutsatt fri utlufting og at døren tåler min. 5 kn/m2. Ved bruk av sjakt mot det fri må avlastingsflatene oppdimensjoneres noe. Oljeisolert (mineral- eller silikonolje): Dimensjoneres ut fra påfølgende oljestøveksplosjon. Erfaringsmessig betyr dette at arealet må være 5-10 ganger større enn ved kun lysbueenergi. 20

21 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Krav til dør for nettstasjon mot parkeringskjeller: 1. Brannmotstand EI60 2. Utadslående 3. Panikkbeslag eller lignende 4. Døren skal ikke brukes som trykkavlasting og bør derfor motstå så stort trykk som mulig, minimum 10 kn/m 2. Dess svakere dør, dess større trykkavlastingsflater mot det fri er påkrevd. Risikoreduserende tiltak innført i bygget som beskrevet av TAFJORD: 1. Brannsikkert rom i betong 2. Koblingsanlegget flyttes på utsiden av bygget (annen nettstasjon) 3. Silikonoljeisolert transformator vurdert, men tørrisolert ble valgt. Kommentar fra konsulent: Silikonolje vil kunne redusere sannsynligheten for eksplosjon noe sammenlignet med mineraloljeisolert, men konsekvensene ved eksplosjon blir de samme. 4. Trykkavlastning dimensjonert ut fra lysbueeffekt, P NxUxI hvor N er antall lysbuer, U er lysbuespenning og I er feilstrøm. Minimum avlastingsflate beregnet til 0.5 m 2 ved fri utstrømning. Ved bruk av sjakt må arealet økes noe. 5. Dør m/panikkbeslag: Brannmotstand EI90, eksplosjonstrykk kpa, 1 sek. pulsvarighet 21

22 Case: Nettstasjon i parkeringskjeller under kjøpesenter Trykkavlastingssjakt mot det fri Trafoytelse 630 kva Gulvareal: 25 m 2 Romvolum: 75 m 3 22

23 Valg av transformatortype - andre teknisk-økonomiske vurderinger Tørrisolert trafo har betydelig høyere innkjøpspris Tørrisolert trafo gir betydelig høyere tap Kapitalisert blir tørrisolert trafo ca % dyrere enn oljeisolert trafo, ref. Møre Trafo Tørrisolert trafo kan gi større bygningsmessige krav/kostnader til ventilasjon Tørrisolert trafo: Redusert eksplosjonstrykk ved feil kan gi reduserte bygningsmessige kostnader til trykkavlastning Oljefylt trafo kan gi økt bygningsmessig kostnad vedr. oljegruve/-oppsamling Tørrisolert gir mer støy 23

24 Oppsummering 1. Risikovurdering bør gjennomføres ved prosjektering 2. Tørrisolert transformator gir minst konsekvenser ved havari 3. Tørrisolert trafo representerer typisk 30-50% større kostnader enn oljeisolert (kapitalisert). Kan medføre merkostnader pga. mulig merbehov for ventilasjon. Oljeisolert trafo kan derimot medføre merkostnader pga. bygningsmessige tiltak inkl. eventuelle oljegruver samt behov for trykkavlastninger 4. Tilfredsstillende overstrømsvern av oljefylte transformatorer kan oppnås ved Buchholz-relé enten i kombinasjon med sikrings-/lastskillebryter eller overstrømsvern/effektbryter 5. Det finnes gode, generelle og spesifikke krav til brannbeskyttelse, men få retningslinjer/krav vedr. eksplosjonstrykk/trykkavlastninger. Trykkberegninger/- simuleringer vil være nødvendig dersom oljeisolert transformator vurderes. 24

25 Referanser 1. Rønningen, Rein, Solvang: Interne feil i mineraloljefylte fordelingstransformatorer. EFITR A4200, oktober FEF NEK 440:2006 Stasjonsanlegg over 1 kv, Norsk Elektroteknisk norm, 1. utgave 4. REN blad 6038 Nettstasjoner I bygg Branntekniske krav, versjon 2, 10/ Longva, Kårstein. Fordelingstransformatorer. Notat, Møre Trafo 6. Longva, Kårstein. Miljøvennlige fordelingstransformatorer - forbedret sikkerhet og pålitelighet, artikkel Møre Trafo 7. Rapport Transformatorstasjon Ålesund Sentrum brannteknisk prosjekteringsunderlag, NBC, Div. korrespondanse med NBC vedr nettstasjon, Planleggingsbok for kraftnett, bind III, kap. 6, SINTEF, utgitt 1993, oppdatert