Av Henrik Kirkeby og Helge Seljeseth, SINTEF Energi AS

Transkript

1 Av Henrik Kirkeby og Helge Seljeseth, SINTEF Energi AS Sammendrag Utfordrende elektriske apparater som kan skape problemer med spenningskvaliteten i distribusjonsnettet har i det siste økt i omfang i Norge. Det svake nettet gjør utfordringene mer markante, og det er behov for rutiner ved arbeid med disse apparatene. Å løse alle utfordringene med nettforsterkning vil bli svært kostbart. SINTEF Energi har derfor gjennom SPESNETT-prosjektet utført tester med slike apparater, og sett på mulige metoder og verktøy for spenningskvalitetsarbeid relatert til apparatene. Mer kunnskap om, og klarere definisjon av, utfordrende elektriske apparater vil skape et grunnlag for videre utføring av rutiner og regler for nettselskaper og myndigheten i Norge. På grunn av klimaendringer og økende energikostnader i store deler av verden så kreves det at elektriske apparater blir mer energieffektive. Dette fører blant annet til flere apparater som enten trekker store strømmer over korte tidsrom eller ulineære strømmer. Dette har uønsket påvirkning på spenningskvaliteten i distribusjonsnettet i form av flimmer, spenningssprang og overharmoniske spenninger. Et eksempel på et utfordrende elektrisk apparat som har kommet i de siste årene er gjennomstrømnings-varmtvannsberedere. I motsetning til gammeldagse varmvannsberedere trekker disse apparatene en høy effekt i et kort tidsrom, slik at det blir unødvendig med en stor varmtvannstank. Effekten på disse apparatene er typisk i størrelsesordenen 6-18 kw, men kan også være opp til 30 kw. Start/stopp-syklusene er ofte på mellom 0,1-5 sekunder, men de kommer også med triacstyring som medfører overharmoniske spenninger. Etter hvert som det kommer flere slike apparater i nettet blir også graden av resistiv last i kraftsystemet mindre, som gjør spenningsvariasjoner mindre dempet. Spenningskvalitet i Norge reguleres i dag av Forskrift om leveringskvalitet (FoL), som stiller krav til blant annet spenningsvariasjoner, flimmer og symmetri i forsyningsspenningen. Ettersom utfordrende elektriske apparater har økt i antall og utbredelse blir det vanskeligere for nettselskapene å sikre overholdelse av FoL. At distribusjonsnettet i 397

2 Norge er langt svakere enn i land det er naturlig å sammenligne oss med, bidrar også til utfordringene. For å adressere denne problemstillingen ser SPESNETT-prosjektet på hvordan utfordrende elektriske apparater bør defineres og håndteres, blant annet ved å utføre apparattester i ulike situasjoner og med forskjellige bruksmønstre. Å definere hvilke apparater som skal regnes som utfordrende er viktig for arbeid med spenningskvalitet. En endelig definisjon eksisterer ikke, men kriterier som sikringsstørrelse, sikringsutløserkarakteristikk og start/stopp-frekvens kan være dimensjonerende[1]. For å kunne hanskes med utfordrende elektriske apparater er det ønskelig å kartlegge påvirkningen deres på spenningskvaliteten. Å definere hva som regnes som et utfordrende apparat kan åpne for å utarbeide rutiner og metoder for å drive spenningskvalitetsarbeid relatert til apparatene, samt å lage en eksempelsamling som kan hjelpe nettselskaper og installatører. Denne eksempelsamlingen kan inneholde virkningene av apparatene ved ulike kortslutningsytelser og nettkonfigurasjoner, samt minimumskrav til kortslutningsytelse i nettet for overholdelse av norske og europeiske forskrifter. SPESNETT-prosjektet har startet å teste elektriske apparater og målt spenningsforløp, strømforløp og flimmer, blant annet for å kunne lage en slik eksempelsamling. Testene vil også gi erfaring som kan brukes for å utvikle rutiner, verktøy og løsninger til nettselskaper og reguleringsmyndigheter til bruk ved arbeid med spenningskvalitet. SINTEF Energi har skrevet en rapport om utfordrende elektriske apparater, med fokus på håndtering av apparatene og kostnader i nettet[1]. Rapporten inkluderte måleresultater fra bruk av en gjennomstrømnings-varmtvannsbereder, elbilladere og en jordvarmepumpe. De siste apparattestene som er utført i SPESNETT-prosjektet har fokusert på elektriske apparater som er enda mer utbredt i nettet i dag, og hvilke utfordringer disse skaper i ulike situasjoner. Disse testene er interessante fordi de viser sammenhengen mellom spenningskvalitet og situasjonen i distribusjonsnettet, og viser viktigheten av et godt re- 398

3 gelverk for emisjon fra, og godkjenning av, elektriske apparater. Dette vil bli mer diskutert i kapittel 3. To av måleseriene som er utført er presentert i figur 1 og 2 med spenningsvariasjon og flimmerverdier i inntaket til installasjonen, og strøm gjennom apparatet. Figur 1 viser en måleserie med bruk av en 2.1 kw høytrykksspyler og en 1.5 kw vedkløyver i en installasjon i et sterkt nett med kortslutningsytelse på ca A. Resultatene viser først normal bruk av en høytrykkspyler brukt til å vaske to biler med pause for innsåping. Deretter er det foretatt en 20 minutters provosert test, en test hvor det aktivt forsøkes å skape størst mulig spenningsvariasjoner ved å ha så mange start/stoppforløp som mulig. Til slutt er vedkløyveren brukt til vedkløyving i en drøy halvtime og forsøkt brukt på en så normal måte som mulig. Figur 2 viser en annen måleserie ved bruk av en 2.2 kw kjedesag og en 1.5 kw vedkløyver i en installasjon i et svakt nett med kortslutningsytelse på ca. 350 A. Testene er utført med vekslende bruk av de to apparatene. Flimmer kan måles ved en flimmerverdi P st, som angir en verdi for 10 minutters gjennomsnitt av flimmerintensitiet. Slutten av testen viser P st helt opp til 5.3 ved bruk av vedkløyveren, grenseverdiene i FoL er P st = 1,2. 399

4 IEC har definert en referanseimpedans som beskriver standard styrke for 400 V TN-nett, og denne tilsvarer en kortslutningsytelse i 230 V IT-nett på 1172 A[2]. Elektriske apparater emisjonstestes i dag nett med referanseimpedansen, som skal sikre at apparatene overholder emisjonsgrensene i kompatibilitetsstandarder som IEC og EN I Norge er anslagsvis 40 til 50 % av nettet svakere enn nett med referanseimpedansen. Dette betyr at emisjonsgodkjente apparater i rundt halvparten av nettet vil kunne overskride grenseverdier for tillat emisjon. Videre er hvert enkelt apparat godkjent for å kunne skape spenningsforstyrrelser helt opp til grenseverdiene, som betyr at to emisjonsgodkjente apparater sammen, selv i et sterkt nett, kan overskride grenseverdiene avhengig av sammenlagringseffekten. Det er heller ikke alltid at apparater overholder emisjonsgrensene de er godkjent for. Den første av testene presentert i forrige kapittel viste bruk av en godkjent vedkløyver i et nett sterkere enn referanseimpedansen. Resultatene fra testen er gjengitt i figur 3 og viser flimmerverdier over grenseverdien Pst = 1,2 angitt i FoL. Vedkløyveren skulle dermed ikke vært emisjonsgodkjent. Det er i dag opp til utstyrsprodusentene å selv gjennomføre emisjonstester, og dette antyder at kontrol- 400

5 len av overholdelse av emisjonskravene kanskje ikke er tilstrekkelig, og at det finnes apparater til salg som skaper mer EM-støy enn tillatt. Bruksmønsteret av elektriske apparater påvirker også emisjonsnivået i nettet. En viktig faktor er hyppigheten av start/stoppsyklusene til et apparat. Figur 4 gjengir fra den første måleserien i forrige kapittel hvordan flimmerverdier og spennings- og strømforløp varierer mellom normal og provosert bruk av en 2.1 kw høytrykksspyler. 401

6 Å legge føringer på utstyrsprodusenter på for eksempel hyppigheten til start/stopp-frekvensen i for eksempel varmepumper kan dermed bidra til apparater som forårsaker mindre EM-støy. Testen illustrerer også betydningen av at når apparater emisjonsgodkjennes så må det kjøres en reel testsyklus med høy nok start/stopp-frekvens for å få et nivå på emisjonsverdiene som reflekterer normal bruk av apparatet. Men å forandre den internasjonale forskriften om emisjonsgodkjenning av apparater, både med tanke på gjennomføring av godkjenning og tillatte emisjonsgrenser, kan være en tung og langvarig prosess. Det vil dermed være opp til nettselskaper og myndigheter i Norge å drive forebyggende arbeid for å minske uønskede påvirkninger. Kortslutningsytelsen i nettet har stor innvirkning på størrelsen av spenningsforstyrrelser, og et enkelt men kostbart virkemiddel for å løse spenningskvalitetsproblemer er nettforsterkning. Figur 5 viser resultatet av tester med provosert bruk av en 2.1 kw høytrykksspyler i nett med kortslutningsytelser på 1200 A, 600 A og 300 A. Teoretisk sett skal størrelsen på spenningsforstyrrelsene dobles når kortslutningsytelsen halveres. Med andre ord får nett med 300 A kortslutningsytelse ca. fire ganger så høye spenningsforstyrrelser som et nett med referanseimpedansen. Resultatene viser at prosessen ikke er helt lineær i praksis, så forstyrrelsene blir ikke fullt fire ganger så store. 402

7 Tabell 1 viser er store deler av nettet i Norge er svært svakt, 6,2 % av nettet har lavere kortslutningsytelse enn 350 A. Testene med høytrykksspyleren tilsier at det er særlig i denne delen av nettet de største spenningskvalitetsutfordringene vil oppstå. Om den 13,7 % svakeste delen av nettet skal heves til en kortslutningsytelse over 500 A er et konservativt anslag på kostnadene 9-33 milliarder NOK. Om nivået i hele nettet skal heves til over 1000 A er et prisanslag 113 milliarder NOK. Selv om noe av denne kostnaden kan reduseres ved bruk av smart grid teknologi er dette store summer, og det er lite sannsynlig at alle problemene med spenningskvalitet vil bli løst ved nettforsterkning. Disse pengene kommer og i stor grad i tillegg til de 5 milliardene per år som er forventet investert i distribusjons- og regionalnettet de neste 10 årene, blant annet for å fornye gammelt utstyr og tilkoble fornybar produksjon[3]. < 350 A A A A >= 1 ka 6,2 % 7,5 % 13,5 % 13,2 % 59,7 % I forebyggende arbeid mot problemer med spenningskvalitet vil noen av tiltakene kunne skje i kundens installasjon eller før kunden kan tilkoble et elektrisk apparat. Om det kommer på plass en definisjon av utfordrende apparater, så kan det etableres regler om at installasjon av utfordrende elektriske apparater må avklares med nettselskap. Dette kan skje ved at el-installatører må varsle om tilkobling av disse apparatene. For å godkjenne installasjonen kontrollerer nettselskapet at apparatet kan brukes uten å forstyrre egen funksjon eller skape uakseptable forstyrrelser i egen, og ikke minst naboers eller nettselskapets installasjon [1]. I dette arbeidet kan en eksempelsamling over utfordrende apparater være til hjelp, for eksempel ved å angi minimumskrav til kortslutningsytelse eller andre kriterier for å overholde FoL eller EN En utfordring med denne type løsning er forskjellsbehandling av kunder basert på hvor i nettet de tilfeldigvis befinner seg. Ord- 403

8 ningen forutsetter også at installatørbransjen og får tilstrekkelig opplæring om utfordrende elektriske apparater. Eksempel på andre løsninger som kan benyttes hos kunden er: Krav til trefaseforsyning av større apparater. Å sette begrensninger i brukstidspunkt, som for eksempel at noen apparater kun kan kjøres om natten eller midt på dagen[4]. I området under en nettstasjon med TN-nett kan også en av fasene i distribusjonsnettet settes av til forstyrrende last, slik at sensitivt utstyr som lys og elektronikk ikke belastes på denne kursen [4]. Krav til bruk av soft starters, frekvensomformere og lignende i utfordrende elektriske apparater. Å ha oversikt over virkningene av utfordrende elektriske apparater i distribusjonsnettet vil være viktig for å kunne møte trenden med økt antall og utbredelse av slike apparater. Endringer i regelverket for å imøtekomme disse utfordringene ikke vil være på plass med det første, og det vil være svært kostbart å løse alle spenningskvalitetsproblemer relatert til slike apparater ved nettforsterkning. Dermed er det opp til nettselskapene og norske myndigheter å skape rutiner og regler som sørger for å ivareta spenningskvaliteten i distribusjonsnettet. Å lage en definisjon av utfordrende elektriske apparater og en eksempelsamling av slike apparater vil være et godt verktøy for videre arbeid med dette temaet. [1] Seljeseth, H., Sand, K., Solvang, T. (2012). Håndtering av utfordrende elektriske apparater som tilknyttes elektrisitetsnettet. TR A7203, SINTEF Energi AS, Trondheim [2] IEC (2012). 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, IEC TR 60725:2005 [3] THEMA Consulting Group (2013). På nett med framtida Kraftnettets betydning for verdiskaping. [4] Baggini, A. (2008). Handbook of Power Quality. West Sussex, England: Wiley. 404