Det norske distribusjonsnett "State of the art"?

Transkript

1 Det norske distribusjonsnett "State of the art"? Helge Seljeseth SINTEF Energi Teknologi for et bedre samfunn 1

2 DISTRIBUSJONSNETTET "RIKETS TILSTAND" 2013 Hvordan er tilstanden i det norske distribusjonsnettet? Er det en svak «pasient» eller en vital «atlet»? Hvordan takles introduksjon av effektkrevende laster? Er kortslutnings-strømmene kraftig nok til å koble ut vern? Teknologi for et bedre samfunn 2

3 Påstander 1. Norge er verken verdensmester eller europamester i lavspenningsnett, vi er på den nedre halvdelen av "resultatlisten" i Europa! 2. Lavspenningsnettet er kanskje Norges mest "forsømte" nett (nettstyrke!). 3. Stor andel IT-nett bidrar til å forsterke utfordringene i våre svake lavspenningsnett 4. Nye energieffektive apparater gir utfordringer -> mer i Norge enn i mange andre land! Teknologi for et bedre samfunn 3

4 Hvorfor medfører en hel del apparater så mye forstyrrelser på spenningen i Norge? Anslagsvis mellom 40 og 50 % 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 4

5 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: Z 230 = 2302 Z 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 5

6 Hva tilsvarer dette i kortslutningsytelse/kortslutningsstrøm? I k2 > 1000A 0,109Ω 0.093Ω = Teknologi for et bedre samfunn 6

7 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 7

8 Storskala spenningsmåling med AMS Målinger hentet fra 7000 SMARTE energimålere Max Meters Min Meters 237 Voltage [V] Meters Data fra Smart Energi Hvaler, 8. aug Teknologi for et bedre samfunn

9 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 9

10 Bakgrunn for arbeidet 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 selv med vesentlig bedre isolasjon enn bare for 10 til 20 år siden. Denne trenden har vist seg å medføre en del nye utfordrende elektriske apparater og utstyr (utover det faktum at utstyrsfabrikanter finner på stadig nye "smarte" løsninger mht kompaktering, styrbarhet med mer som i betydelig grad gir samme utvikling) Teknologi for et bedre samfunn 10

11 "Utfordrende" elektriske apparater Nettsjef Teknologi for et bedre samfunn 11

12 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 12

13 Direktestartede asynkronmotorer i for eksempel varmepumper Typisk ytelse fra 2 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 ØKT BRUK av varmepumper i årene framover! Teknologi for et bedre samfunn 13

14 260 V L1 (V) V V Teknologi for et bedre samfunn 14

15 Teknologi for et bedre samfunn L1 (V) ,5 205, ,25 206,5 205, , ,5 204,25 204, ,5 206, ,25 205, , ,5 199,25 198,5 204, ,25 202,5 202,5 200, , ,25 205, , , , , ,25 202, , ,75 200, , ,5 205, , ,5 201, ,5 202, ,75 202, ,25 204, ,5 203,25 205,75 205,25 202, , ,75 204, , ,5 202,75 204, , ,75 201, , , ,25 202, ,5 206, , , ,75 201,75 202,25 204,75 203,75 205, ,75 204,5 206,5 202, , ,75 204,25 202, , ,5 205, , ,5 201,25 201, , , , ,25 204,75 204,75 205, ,5 203, ,75 199,75 201, , ,75 205,5 190 V 200 V 240 V

16 4000 Strøm på ledning til kunde L1 (ka) L2 (ka) L3 (ka) Teknologi for et bedre samfunn 16

17 Gjennomstrømningsvannvarmere ("Tankless water heaters") One phase Wattage: 12 kw Amperage: 50 A Three phase Wattage: 21.6/28.8 kw Amperage: 3x35/3x40 A Brukes både til romoppvarming (vannbåren varme) og til varmt tappevann (dusj etc) Ganske "genialt" hos de som har infrastruktur for bruk av gass IKKE så "genialt" hos de som må ha elektriske gjennomstrømningsvannvarmere Har gjerne svært kort periodetid (av/på) som lager betydelige spennings forstyrrelser FRITIDS-boliger. Teknologi for et bedre samfunn 17

18 Hva skryter de av de som selger "tankløse" vannvarmere - Minimalt plassbehov - Minimalt strømforbruk - Minimalt vannforbruk - Ingen tank (kommentar: jo tank, men veldig liten) - Helt avslått utenom bruk - Varmt vann (kommentar: med en gang) - Bedre vannhygiene - Enkel montering - Vedlikeholdsfri Teknologi for et bedre samfunn 18

19 L12 (V) L23 (V) L31 (V) L1 (A) L2 (A) L3 (A) :11 09:12 09:13 09:14 09:15 09:16 09:17 09:18 09:19 09:20 09:21 09:22 09:23 09:24 09:25 09:26 09:27 09:28 09:29 09:30 09:31 09:32 09:33 09:34 09:35 09:36 09:37 09:38 09:39 09:40 Teknologi for et bedre samfunn 19

20 Teknologi for et bedre samfunn 20

21 Teknologi for et bedre samfunn 21

22 Fra "helt av/på"-styrte vannvarmere til "triacstyring" Fra veldig hyppige på- og avslag av full effekt ( = store spenningsvariasjoner, flimmer og sprang) Til litt mer kontinuerlig last, men med betydelig netttilbakevirkning mht overharmoniske strømmer/spenninger Teknologi for et bedre samfunn 22

23 Fas Volt - kw - A Sikring Fra - til Kabel ,57kW A 1.5-2,5 kvadrat ,5kW A kvadrat ,5kW A 4-6 kvadrat Fas Volt kw - A Sikring fra - til Kabel 2x2-fas evt. (1x3) 230V 9kW 2x40A kvadrat 2x2-fas evt. (1x3) 230V 11kW 2x45A kvadrat Fas Volt - kw Sikring Kabel v 12kW A 4 kvadrat v 15kW A 4 kvadrat Største "kjente" installasjon i bolig med trefase 63 A: 2 X 18 kw (!!!) Samtidighets- Faktor??? v 18 kw A 6 kvadrat v 21kW A 6 kvadrat v 24W 40-50A 10 kvadrat Teknologi for et bedre samfunn 23

24 Lading av elbil er det så "utfordrende"? Ladeforløpet ved normal lading (slow charging) varierer overraskende mye fra elbil til elbil. For enkelte elbiler vil de kun bidra som en potensiell utfordring mht samlet maks effekt på de kaldeste vinterdagene For enkelte elbiler varierer laststrømmen så mye at de kan medføre store spenningsforstyrrelser i spesielt svake lavspenningsnett (særlig for kunden som har/lader slik elbil i sin installasjon. SINTEF har foretatt målinger på flere typer elbiler under normal lading og funnet bilenes "lade-signatur". SINTEF har også foretatt målinger på hurtig-lading (foregår fortsatt) Teknologi for et bedre samfunn 24

25 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 25

26 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 26

27 43 kw 25 kw 3,6 kw Fast charging Slow charging Teknologi for et bedre samfunn 27

28 Teknologi for et bedre samfunn 28

29 Teknologi for et bedre samfunn 29

30 HØYTRYKKSPYLER..et "utfordrende" elektrisk apparat? Hvor store spenningsendringer og hvor høye flimmerverdier kan en helt vanlig 1800 W Kärcher høytrykkspyler forårsake? (ved svakt nett/lav kortslutningsytelse) Teknologi for et bedre samfunn 30

31 Teknologi for et bedre samfunn 31

32 Test i "sterkt inntak" 3 fase inntak: 1800 A kortslutningsytelse oppgitt fra nettselskap) Kärcher K5 (2100 W(K7 3000W)) er testet i stikk i garasje 1,5 mm 2 (10 A). "Kortslutningsytelse" under 300 A 3-fase målinger på inntak synkronisert med 1-fase målinger i garasje Teknologi for et bedre samfunn 32

33 Teknologi for et bedre samfunn 33

34 En "liten" vedkløyver på "bare" 1500 W Normal bruk, 1,5 kw Vedkløyver Teknologi for et bedre samfunn 34

35 Test av kjedesag "SVAKT inntak" 1 fase inntak 50 A hovedsikring Kortslutningsytelse på mellom 300 og 350 A Målinger av spenning og strøm i kundens sikringsskap Teknologi for et bedre samfunn 35

36 Normal bruk av 2200 W kjedesag Teknologi for et bedre samfunn 36

37 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 lavspenningsnettet 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 37

38 Hvorfor MÅ vi akseptere utfordrende elektriske apparater? Kan vi nekte at apparatene (eks. enfase 16 A) 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 38

39 "Normal-apparater"? Å stille krav til apparater kunden ikke trenger installatør til virker temmelig uoverkommelig og lite gjennomførbart. Når kundene kan dra til Elkjøp, Expert, Obs, Clas Ohlson osv og kjøpe "vanlige apparater" med helt vanlig 10/16 A Schuko støpsel er det svært vanskelig om ikke umulig å holde kontroll (forebyggende). Enfase apparater inntil 16 A bør nok derfor anses som "et normalt" apparat. Eller MÅ de det? Det er stor forskjell på en 16 A sikring som tillater inntil 5 ganger sikringsstørrelsen i startstrøm (B) kontra en som tillater inntil 20 ganger startstrøm (D). Kan 16 A sikring med karakteristikk B være definisjonen på "NORMAL-apparatet"? Krav om varsel til nettselskap ved spesielt utfordrende utstyr? Teknologi for et bedre samfunn 39

40 Vi må akseptere utfordrende elektriske apparater, men prøve å få bedre kontroll Behov for rutiner som må forstås og aksepteres av flere parter! (Nettselskap) Myndigheter Kunder Installatørbransjen Bedre informasjonsflyt Bevissthet rundt sikringsstørrelser og utløsekarakteristikk En B sikring tåler opp til 5 x I n En D sikring tåler opp til 20 x I n Vurdere krav til mykstart Enfase VS trefase apparater Effektbaserte tariffer - anleggsbidrag Teknologi for et bedre samfunn 40

41 TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN Teknologi for et bedre samfunn 41