Sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet

Diplomityössä määritellään sähkönjakeluverkon suunnitteluperusteet. Suunnitteluperusteet antavat ohjeet verkostosuunnittelijoille siitä, miten sähköverkko suunnitellaan sähköteknisesti oikein, taloudelliset näkökohdat huomioiden. Työn alussa määritellään kaikkiin suunnittelutehtäviin vaikuttavat sähkötekniset ja taloudelliset laskentaparametrit. Oikeiden parametrien käyttäminen on ehdottoman tärkeää totuudenmukaisten lopputulosten saavuttamiseksi. Eniten lopputuloksiin vaikuttaville laskentaparametreille suoritetaan työn loppuosassa herkkyysanalyysi, jotta tulevaisuuden mahdollisesti erilaiset olosuhteet voitaisiin huomioida. Varsinaisissa suunnitteluun liittyvissä osioissa käsitellään keski- ja pienjänniteverkkojen suunnittelunlisäksi jakelumuuntajan mitoittaminen, sekä määritellään rajat erilaisille verkoston rakenteille. Erityisesti elinkaarikustannusajattelua painotetaan suunnittelutehtävissä ottamalla huomioon komponenttien koko pitoaikana syntyvät kustannukset.

Sähkönjakeluverkon komponenttien pitoajat

Suomessa sähkönjakeluverkkoyhtiöt toimivat verkkovastuualueillaan yksinoikeudella. Verkkovastuualuiden ominaispiirteet voivat olla hyvin erilaiset. Energiamarkkinavirasto valvoo sähkömarkkinalainsäädännön noudattamista jakeluverkkotoiminnassa. Jakeluverkonhaltijat on velvoitettu Energiamarkkinaviraston valvontamallin kautta määrittämään tiettyjen rajoitusten mukaisesti verkkokomponenteillensa sopivimmat teknistaloudelliset pitoajat. Nämä pitoajat vaikuttavat varsinkin verkkoyhtiön tuottomahdollisuuksiin ja asiakkaiden siirtohintoihin. Lisäksi huomioon on otettava jaettavan sähkön laatu, verkon käyttövarmuus sekä vaikutukset ympäristöön ja turvallisuuteen. Pitoaikojen matemaattinen mallintaminen on usein monimutkaista. Teknistaloudellinen pitoaika valitaankin monesti kokemuksen ja harkinnan perusteella. Tärkeimmät reunaehdot jakeluverkkokomponenttien teknistaloudellisten pitoaikojen valinnalle muodostavat verkkovastuualueen sähkönkulutuksen kasvun sekä infrastruktuurin muutoksen nopeudet. Hitaan muutoksen alueilla verkkokomponenttien teknistaloudelliset pitoajat lähenevät teknisiä pitoaikoja, joihin vaikuttavat voimakkaasti verkkovastuualueen maantieteelliset ja ilmastolliset ominaispiirteet. Yhtiöittäin vaihtelevat verkon rakennus- ja ylläpitomenetelmät tulee myös huomioida. Tässä diplomityössä keskitytään pääosin sähkönjakeluverkon komponenttien teknistaloudelliseen pitoaikaan verkon ja verkkovastuualueen ominaispiirteiden kautta. Aluksi määritellään jakeluverkon pitoaika usealla eri tavalla, sekä selvitetään pitoajan merkitystä nykytilanteessa. Lisäksi työn alkuosassa esitellään Energiamarkkinaviraston vuoden 2005 alusta käyttöönotettu jakeluverkkotoiminnan hinnoittelun kohtuullisuuden valvontamalli ja käydään läpi teknistaloudellisen pitoajan merkitys siinä. Sen jälkeen tarkastellaan jakeluverkkokomponenttien ja niiden osien tekniseen pitoaikaan vaikuttavia tekijöitä. Erityisesti puupylväisiin ja niihin liittyviin ajankohtaisiin asioihin kiinnitetään huomiota, koska puupylväät määräävät monesti koko ilmajohtorakenteen uusimisajankohdan. Lisäksi suolakyllästeiselle puupylväälle esitetään yleinen rappeutumismalli ja jakelumuuntajan rappeutumistapahtumaa tutkitaan. Lopuksi tarkastellaan Graninge Kainuu Oy:tä jakeluverkonhaltijana sekä määritetään sen verkkovastuualueelle ominaisia komponenttien teknisiä ja teknistaloudellisia pitoaikoja haastattelujen, tuoreimpien lähteiden, tutkimustulosten, vertailun ja harkinnan avulla.

Sähkönjakeluverkon jälleenhankinta-arvon määrittäminen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää jakeluverkkoyhtiön verkon jälleenhankinta-arvon määrittämiseen tarvittavat lähtötiedot sähkönjakeluverkon rakentamiskustannuksia selvittäneellä kyselyllä. Työssä on käsitelty sähkönjakeluverkon jälleenhankinta-arvon, nykyarvon ja nykykäyttöarvon määritysmenetelmiä. Lisäksi on esitelty laeissa, asetuksissa ja suosituksissa jakeluverkkotoiminnalle asetettuja vaatimuksia. Tulokset on esitelty komponenteittain ja tutkimalla kuinka paljon kahden kuvitteellisen sähkönjakeluverkon jälleenhankinta-arvo muuttuu. Palkkakustannusten nousu on lisännyt kustannuksia, mutta vastaavasti verkonrakentamisen tehostuminen sekä tässä laskentamallissa esitetyt kustannuksien määrittelyt (esimerkkinä muuntajat) ovat alentaneet yleiskustannuksia, joten kokonaisuutena verkon rakentamisen kustannukset ovat joidenkin komponenttien osalta alentuneet tässä työssä käytettyihin KA 2:95, KA 2:96 ja KA 2:97 kustannustietoihin verrattuna.

Taajama-alueen sähkönjakeluverkon kehittämissuunnitelma

This work analyses the medium voltage network in central built-up area of Savonlinna city, evaluates the future standards of the electricity distribution network and presents methods for the network renovation. Main challenge is to find a working topology and network solutions for the transitional phase of the renovation progress. The network renovation methods are verified with an example solution for an existing suburban area of Savonlinna City, wherein the medium voltage and small voltage distribution networks are renovated.

Luotettavuuspohjaisen verkostoanalysointijärjestelmän kehittäminen

Sähköverkon luotettavuuden tarkastelu sähköverkkoyhtiöissä on hyvin ajankohtaista tällä hetkellä. Siihen löytyvät hyvät kannusteet sähköverkkoliiketoimintaa säätelevästä regulaatiomallista sekä nykyisestä ikääntyvästä sähköverkosta. Se on monin paikoin lähellä käyttöikänsä loppua, ja sitä rakennettaessa ei välttämättä ole kiinnitetty kovin suurta huomiota luotettavuustarkasteluun. Kandidaatintyönä on kehitetty analysointijärjestelmä, jonka avulla pystytään tarkastelemaan sähköverkon pitkän aikavälin suunnittelua ottamalla huomioon myös sähköverkon keskeytyksistä aiheutuvat kustannukset. Analysoinnissa käytettävä järjestelmä toimii Microsoftin Excel taulukkolaskennassa. Analysointijärjestelmän avulla saadaan mallinnettua keskeytyskustannusten vaikutuksia erilaisiin investointiohjelmiin ja voidaan helposti vertailla useiden verkostorakeiden tuomia hyötyjä ja niistä aiheutuvia kustannuksia.

Haja-asutusalueen keskijänniteverkon kaapeloinnin ja automaation suunnittelumetodiikka

Tässä diplomityössä tutkitaan erilaisia keskijänniteverkon kehittämismenetelmiä sekä suunnittelua haja-asutusalueelle. Suunnittelumetodiikan perustana on vertailla sähköverkon käyttövarmuuden tunnuslukujen sekä kokonaiskustannusten kehittymistä erilaisilla investointiratkaisuilla. Lähemmässä tarkastelussa ovat erilaiset kaapelointimenetelmät sekä automaatiolaitteet kuten maastoon sijoitettavat katkaisijat sekä kauko-ohjattavat erottimet. Kehittämisratkaisujen vertailemiseksi sähköverkosta muodostetaan laskentaa varten malli, jonka avulla on mahdollista tarkastella mm. käyttövarmuuden tunnuslukujen sekä verkon kustannusten kehittymistä. Verkon kustannuksissa otetaan huomioon investointikustannukset, käyttö- ja kunnossapitokustannukset, viankorjauskustannukset sekä keskeytyskustannukset. Keskeytysten laskentaa varten toteutetaan erilliset laskentalohkot, jotta keskeytyskustannukset saadaan mallinnettua tarkasti. Kaapelointistrategia-analyysissä vertaillaan kaapeloinnin erilaisia toteuttamisperiaatteita. Erilaisia tutkittavia kaapelointimenetelmiä ovat vyörytysmenetelmä, vikaherkimpien kohteiden uusinta, vanhimpien kohteiden uusinta, täydellinen kaapelointi sekä optimiverkostoratkaisu, jossa on hyödynnetty keskijännitejohtojen kaapeloinnin lisäksi mm. automaatioratkaisuja ja 1000 V tekniikkaa. Kaapelointimenetelmiä vertailtaessa on havaittu, että vikaherkimmistä kohteista aloitettava saneeraus tuottaa parhaimman tuloksen, jos optimiratkaisua ei oteta huomioon.

Sähkönjakeluverkon käyttövarmuuden kehittäminen

Diplomityössä tutkitaan sähkönjakelun käyttövarmuutta parantavia investointeja ja menetelmiä. Lopputuloksena saadaan selville mitkä ratkaisut soveltuvat teknistaloudellisesti parhaiten Imatran Seudun Sähkön jakeluverkkoon. Menetelmien kannattavuutta on tutkittu ensisijaisesti keskeytyskustannussäästöjen näkökulmasta. Sähkönjakeluverkon käyttövarmuus on tullut nykyisessä yhteiskunnassa yhä tärkeämmäksi tekijäksi. Kaikki keskijänniteverkosta aiheutuneet keskeytykset on alettu ottaa tammikuusta 2008 lähtien huomioon verkkoliiketoiminnan kohtuullisen tuoton laskennassa. Toisaalta Suomen jakeluverkot ovat vanhoja, eikä niitä ole suunniteltu käyttövarmuuden kannalta. Tilannetta voidaan parantaa mm. lisäämällä verkkoon automaatiota sekä ottamalla käyttövarmuus huomioon saneerauksia suunniteltaessa. Sähkönjakeluverkon käyttövarmuuden parantaminen on pitkän aikavälin prosessi. Tutkittujen investointien kannattavuuksista on tehty herkkyysanalyysi, joka ottaa huomioon korkotason ja KAH-arvojen vaihtelut. Investointien todellista vaikutusta käyttövarmuuteen voidaan seurata vertaamalla tulevia vikatilastoja tässä työssä tehtyyn nykytilatutkimukseen.

Nikkilän ja Savion sähkönjakeluverkkojen kunnossapito- ja saneeraussuunnitelma

Keravan Energian ja Etelä-Suomen Energian sähkönjakeluverkot sijaitsevat kasvavalla alueella Etelä-Suomessa ja varsinkin Etelä-Suomen Energian alueelle Sipooseen on ennustettu suurta väestönkasvua. Sipoossa sähköverkko on pääasiassa avojohtovoittoista maaseutuverkkoa kun taas Keravalla sähköverkko on kaapeloitua kaupunkiverkkoa. Väkiluvun ja sähkön kulutuksen kasvu tuovat omat vaatimuksensa sähkönjakeluverkolle varsinkin Sipoon Nikkilässä. Diplomityössä selvitetään Etelä-Suomen Energia Oy:n ja Keravan Energia Oy:n keskijänniteverkkojen nykytila Nikkilän ja Savion alueilla sekä alueiden kasvuennusteet ja uusien asuinalueiden tehontarpeet vuonna 2025. Näiden pohjalta laaditaan keskijänniteverkkojen rakentamiseen ja mahdollisimman tehokkaaseen käyttöön johtava suunnitelma seuraavien viiden vuoden aikana tehtäville saneerauksille.

Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytilan määritys sekä kehittämissuunnitelma käyttövarmuuden näkökulmasta

Tämän työn tavoitteena on analysoida Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkon nykytila sekä selvittää verkon kehittämisen suuntaviivoja. Nykytilan määrityksessä selvitetään kuormitettavuusasteet, jännitteenalenemat, häviöt oiko- ja maasulkusuojauksen toimivuus sekä keskeytyskustannukset. Nykytilan määrityksen apuna käytettiin verkkotietojärjestelmä Xpowerin tehojako-, oikosulku- ja maasulkulaskentoja. Nykytila on määritetty sekä normaalissa kytkentätilanteessa, että tilanteessa jossa yksi sähköasema kerrallaan on poissa käytöstä. Nykytilan määrityksen perusteella voidaan todeta, että normaalissa kytkentätilanteessa keskijänniteverkko täyttää suurilta osin sille asetetut tekniset reunaehdot, jotka ovat jännitteenalenema, kuormitettavuus, oikosulkukestoisuus sekä oiko- ja maasulkusuojauksen havahtuvaisuus. Jotta reunaehdot toteutuisivat kokonaisuudessaan, tulee oikosulkukestottomien lähtöjen releasetteluja muuttaa tai vaihtaa oikosulkukestottomat johto-osuudet suurempi poikkipintaiseen johtimeen. Nykytilan määrityksen perusteella neljän päämuuntajan kuormitettavuusaste on yli 90 %, joten näiden asemien alueiden kehitystä tulee tarkkailla. Sähköasemien korvaustarkastelun perusteella viiden sähköaseman korvaus tuottaa ongelmia jo nykyisillä huippukuormilla. Työssä tehtyjen selvitystöiden perusteella Vaasan Sähköverkko Oy:n keskijänniteverkkoon lisättiin 10 maastokatkaisijaa sekä selvitettiin verkon mahdollisia tulevaisuuden kehittämisen suuntaviivoja.

1000 V jakelujännitteen käyttömahdollisuudet Kymenlaakson Sähköverkko Oy:ssä

Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n 20/0,4 kV tekniikalla toteutettu sähkönjakeluverkko on monin paikoin saavuttamassa pitoaikansa loppua. Sähkönjakeluverkko sijaitsee pääasiassa haja-asutusalueilla ja on pääosin avojohtotekniikalla rakennettua. Haja-asutusalueilla 20 kV sähköverkko sisältää paljon lyhyitä 1–5 km pituisia johtohaaroja. Tässä diplomityössä selvitettiin 20/1/0,4 kV sähkönjakelujärjestelmän käyttömahdollisuuksia Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa. Työssä vertailtiin erilaisilla verkostoratkaisuilla saatavia elinkaarikustannuksia perusparannus- ja uudisrakennuskohteissa. Tutkimuksen perusteella Kymenlaakson Sähköverkko Oy:n sähkönjakeluverkossa on potentiaalia 1000 V jakelujännitteen käytölle. Työssä perehdyttiin myös 1000 V verkostokomponenttien merkitsemiseen ja verkkoyhtiön tekemiin 1000 V verkon tarkastuksiin.

Tasasähkönjakeluverkon vaihtosuuntaaja galvaanisella erotuksella

Suomessa sähkönjakeluverkko koostuu pääasiassa 20 kV ja 400 V jännitetasoista. Tällöin sähkö viedään lähelle kuluttajia suuremmalla jännitetasolla ja muunnetaan alhaisemmaksi lähellä asiakkaita. Haittapuolena on se, että haja-asutusalueilla jakelumuuntajien määrä kasvaa suureksi, koska ne täytyy sijoittaa lähelle kuluttajaa. Vaihtoehtona on toteuttaa osa sähkönjakelusta tasajännitteellä, jolloin tehollinen jännite olisi suurempi. Tällöin sähköä voitaisiin siirtää pidempiä matkoja ilman, että asiakaskohtaisia tai muutaman asiakkaan kattavia 20 kV siirtolinjoja tarvitsisi käyttää. Tämä taasen edellyttää asiakaskohtaisien vaihtosuuntaajien käyttöä. Tässä työssä esiteltävällä 1 kVA vaihtosuuntaajalla muodostetaan tasasähköjakeluverkosta saatavasta 750 V tasasähköstä yksivaiheista (230 VRMS, 50 Hz) verkkojännitettä. Laite on suunniteltu toteuttamaan galvaaninen erotus mahdollisimman hyvän hyötysuhteen puitteissa. Vaihtosuuntaaja on toteutettu käyttämällä resonanssikonvertteria, joka vaihtosuuntaa jakelujännitteen korkeataajuiseksi vaihtojännitteeksi. Tämän jälkeen toteutetaan galvaaninen erotus käyttäen suurtaajuusmuuntajaa. Tätä seuraa syklokonvertteri, joka pulssintiheysmodulaatiota soveltaen muodostaa lähtöjännitteen. Tämä suodatetaan lopuksi LC- alipäästösuotimella säröltään standardin mukaiseksi. Laite on jaettu työssä kolmeen osaan, joista jokaisen toiminta on selitetty ja simuloitu itsenäisesti. Lopussa koko järjestelmä on simuloitu yhtenä kokonaisuutena. Hyötysuhteeksi arvioitiin karkeasti 94 % ja lopullisista tuloksista voidaan päätellä, että laitteen toteuttaminen prototyypiksi voisi olla kannattavaa.

Rovakaira Oy:n keskijänniteverkon kehittämissuunnitelma toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta

Diplomityössä tavoitteena on etsiä teknistaloudellisimmat ratkaisut sekä tutkia niiden vaikutuksia sähkönjakeluverkoston käyttövarmuuteen ja luotettavuuteen toimitusvarmuuskriteeristön näkökulmasta. Lisäksi työssä esitetään uusi tunnusluku kriteeristön ylityksestä aiheutuvan haitan arvostukseen. Merkittävä osa Rovakaira Oy:n keskijänniteverkosta joudutaan uusimaan lähivuosikymmeninä teknistaloudellisen pitoajan täyttyessä. Verkon uusiminen antaa mahdollisuuden toteuttaa verkkoa nykyisiin vaatimuksiin paremmin sopivilla ratkaisuilla. Kehitysvaihtoehtoina vertaillaan johdon tien varteen siirtoa, maastokatkaisijoiden lisäämistä, pienitehoisten ja päättyvien haarajohtojen korvaamista 1 kV tekniikalla sekä pienoissähköaseman kannattavuutta. Työssä tarkastellaan yksityiskohtaisemmin Sodankylän käyttövarmuuden parantamista sähköasemavian aikana ja alueen kuormituksenkasvuun varautumista.

Vahdon keskustan sähkönjakeluverkon saneeraussuunnitelma

Vuoden 2013 sähkömarkkinalain uudistuksen myötä verkonhaltijoiden tulee varautua suurhäiriötilanteisiin aiempaa tehokkaammin. Lain toimitusvarmuusvaatimusten täyttäminen vaatii sähköverkkoyhtiöiltä entistä suurempia investointimääriä nopeassa aikataulussa. Caruna Oy investoi vuosittain noin 100 miljoonaa euroa säävarman verkon kehittämiseen ja rakentamiseen. Eltel Networks Oy toimii Carunan pääurakoitsijana useissa saneerausprojekteissa muun muassa Satakunnan ja Lounais-Suomen alueilla. Diplomityö tehtiin Eltel Networks Oy:lle ja tavoitteena oli laatia saneeraussuunnitelma Carunan Vahdon keskustan sähkönjakeluverkkoon sekä kehittää Eltelin suunnitteluprosessia Vahdon case-projektin avulla. Nykyverkon ongelmakohdiksi osoittautuivat käyttöikänsä päähän tulleet tai lähivuosina tulevat verkkokomponentit, verkon alhainen nykykäyttöarvo sekä korkeat keskeytyskustannukset. Suunnitellun verkon nykykäyttöarvo yli kaksinkertaistui nykyverkon arvosta, verkon keski-ikä pieneni seitsemällä vuodella ja keskeytyskustannukset pienenivät yli puolella. Case-projektin aikana suunnitteluprosessissa ilmeni useita kehityskohteita. Esimerkiksi kartta-aineistoja ja ilmakuvia kannattaisi hyödyntää monipuolisemmin suunnittelussa ja ohjemuutosten täytäntöönpanoajankohta tulisi määrittää ohjeen tärkeyden mukaan. Vierekkäisille suunnitteluprojekteille kannattaa hakea jatkossa esimerkiksi yhteiset ELY- ja AVI-luvat erillisten lupahakemusten sijaan, koska se vähentää suunnittelijoiden työmäärää ja nopeuttaa hakuprosessia. Suunnittelijoiden yhteistyötä kannattaa laajentaa niin lupahakemusten, sopimusten laadinnan kuin koko prosessin kattavaksi, koska yhteistyö vähentää virheiden määrää ja nopeuttaa suunnitteluprosessia. Yhteistyöllä suunnittelu voidaan toteuttaa nopeammin laadusta tinkimättä.

Ilmajohtoverkon viankorjaus maakaapelointiteknologiaa hyödyntäen

Elenia Oy linjasi vuonna 2009 suunnittelustrategiassaan, että koko sen verkkoalueella käytetään ainoana rakennustapana maakaapelointia. Lisäksi vuoden 2013 sähkömarkkinalain sähkönjakeluverkkoyhtiöiltä edellyttämät toimitusvarmuuskriteerit ovat lisänneet säävarman verkon rakentamista merkittävästi. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia ilmajohtoverkon viankorjauksen soveltumista maakaapeloinnilla tehtäväksi. Tarkastelu toteutetaan taloudellisuuden ja käytännön toteutuksen näkökulmista. Taloudellisessa tarkastelussa vertaillaan ilmajohtorakentamisen ja maakaapeloinnin elinkaarikustannuksia viankorjauksen yhteydessä. Käytännön toteutuksen osalta esitetään tilanteet, joissa viankorjaus on järkevä suorittaa maakaapeloimalla. Käyttämällä laskennassa Energiaviraston yksikköhintoja, jäävät viankorjaukselle soveltuvat verkko-osuudet elinkaarikustannustarkastelun valossa vähäisiksi. Tehokas investoiminen, auraustekniikan hyödyntäminen, regulaatiomallin kannustimet ja kaapelointiratkaisujen hintakehitys voidaan kuitenkin todeta merkittäviksi vaikuttajiksi maakaapeloinnin yleistymisessä toimintatavaksi ilmajohtoverkon viankorjauksessa.