Det norske distribusjonsnett "State of the art"? Helge Seljeseth helge.seljeseth@sintef.no SINTEF Energi www.energy.sintef.no Teknologi for et bedre samfunn 1
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
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
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
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 400 400 2 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
Hva tilsvarer dette i kortslutningsytelse/kortslutningsstrøm? I k2 > 1000A 0,109Ω 0.093Ω = 11111 Teknologi for et bedre samfunn 6
Tabell 1 Estimat på nettstyrke i norske lavspenningsnett. Prosentvis fordeling av nettstyrke (I kmin ) < 350 A 350 500 A 500 750 A 750 1000 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
Storskala spenningsmåling med AMS Målinger hentet fra 7000 SMARTE energimålere 252 247 242 Max Meters Min Meters 237 Voltage [V] 232 227 222 217 212 207 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Meters Data fra Smart Energi Hvaler, 8. aug Teknologi for et bedre samfunn
Informasjon og resultater fra 2 prosjekter 2012 Håndtering av utfordrende elektriske apparater: Energi Norge 2013-2016 SPESNETT (Spenningskvalitet i Smarte Nett): Energi Norge, Norges Forskningsråd, NVE, REN og 11 nettselskap inkl. Statnett Teknologi for et bedre samfunn 9
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
"Utfordrende" elektriske apparater Nettsjef Teknologi for et bedre samfunn 11
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
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
260 V 260 244 228 L1 (V) 212 196 196 V 204 197 200 197 196 202 202 203 193 196 194 194 196 192 196 201 198 200 205 202 195 192 206 204 191 198 194 197 195 194 195 199 199 201 202 202 196 201 200 202 199 196 200 201 198 199 201 199 199 196 200 188 180 V 180 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 Teknologi for et bedre samfunn 14
Teknologi for et bedre samfunn 15 11.11 10.11 9.11 8.11 7.11 6.11 L1 (V) 240 230 220 210 200 190 206,5 205,375 205,25 206,5 205,125 204,125 205,5 204,25 204,875 205,5 206,625 206,25 205,875 201,875 200,5 199,25 198,5 204,125 205,25 202,5 202,5 200,875 202,875 200,25 205,375 204,25 205 203,125 201,875 200,875 204,25 202,125 200,625 197,75 200,625 206,625 200,5 205,375 202,375 202,5 201,875 202,5 202,75 202 201,75 202,625 203,25 204,875 205,5 203,25 205,75 205,25 202,5 204 205,875 205,75 204,375 203,125 204,5 202,75 204,625 200,875 203,75 201,875 204 203,125 202,25 198 205,25 202,375 203,5 206,625 201,875 203,125 203,75 201,75 202,25 204,75 203,75 205,875 202,75 204,5 206,5 202,625 203,125 204,75 204,25 202,125 201,375 199,5 205,125 206,125 206 206,5 201,25 201,625 202,375 201,875 204,125 205,25 204,75 204,75 205,125 204,5 203,375 203,75 199,75 201,75 199 201,875 204,75 205,5 190 V 200 V 240 V
4000 Strøm på ledning til kunde 3200 2400 L1 (ka) 1600 800 0 4000 3200 2400 L2 (ka) 1600 800 0 4000 3200 2400 L3 (ka) 1600 800 0 30.12 31.12 1.1 2.1 3.1 Teknologi for et bedre samfunn 16
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
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
245 242 L12 (V) 239 236 233 230 238 236 L23 (V) 234 232 230 228 240 237 L31 (V) 234 231 228 225 40 32 L1 (A) 24 16 8 0 40 32 L2 (A) 24 16 8 0 30 24 L3 (A) 18 12 6 0 09:11 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
Teknologi for et bedre samfunn 20
Teknologi for et bedre samfunn 21
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
Fas Volt - kw - A Sikring Fra - til Kabel 1 230 3,57kW 16 10-16 A 1.5-2,5 kvadrat 1 230 5,5kW 25 16-25 A 2.5-4 kvadrat 1 230 6,5kW 30 20-25 A 4-6 kvadrat Fas Volt kw - A Sikring fra - til Kabel 2x2-fas evt. (1x3) 230V 9kW 2x40A 25-32 4-6 kvadrat 2x2-fas evt. (1x3) 230V 11kW 2x45A 32-40 6-10 kvadrat Fas Volt - kw Sikring Kabel 3 400-230v 12kW 20-25 A 4 kvadrat 3 400-230v 15kW 25-32 A 4 kvadrat Største "kjente" installasjon i bolig med trefase 63 A: 2 X 18 kw (!!!) Samtidighets- Faktor??? 3 400-230v 18 kw 32-40 A 6 kvadrat 3 400-230v 21kW 40-50 A 6 kvadrat 3 400-230v 24W 40-50A 10 kvadrat Teknologi for et bedre samfunn 23
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
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
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
43 kw 25 kw 3,6 kw Fast charging Slow charging Teknologi for et bedre samfunn 27
Teknologi for et bedre samfunn 28
Teknologi for et bedre samfunn 29
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
Teknologi for et bedre samfunn 31
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
Teknologi for et bedre samfunn 33
En "liten" vedkløyver på "bare" 1500 W Normal bruk, 1,5 kw Vedkløyver Teknologi for et bedre samfunn 34
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
Normal bruk av 2200 W kjedesag Teknologi for et bedre samfunn 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 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
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
"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
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
TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN Teknologi for et bedre samfunn 41