Avojohdon dynaamisen kuormitettavuuden ratkaisut
Tuomela, Lauri (2022)
Tuomela, Lauri
2022
Tieto- ja sähkötekniikan kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-04-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205285320
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202205285320
Tiivistelmä
Sähköjohdon kuormitettavuus kertoo, kuinka suuren sähkövirran johto jatkuvasti kestää ilman, että johto lämpenee liikaa ja aiheuttaa vaaraa tai vahinkoa. Tyypillisesti kuormitettavuusraja asetetaan niin, että johdon oletetaan olevan lämpenemisen kannalta huonoissa olosuhteissa, mikä takaa johdon turvallisen käytön kaikissa olosuhteissa. Erityisesti avojohtoja, eli paljaita ilmajohtoja ympäröivät sääolosuhteet voivat muuttua. Esimerkiksi mitoitusolosuhteita suurempi tuulen nopeus ja pienempi ympäristön lämpötila viilentävät avojohtoja merkittävän osan ajasta. Tämä tarkoittaa sitä, että suurimman osan ajasta johtoja voitaisiin kuormittaa turvallisesti yli normaalien mitoitusrajojen. Mikäli avojohdon reaaliaikainen dynaaminen kuormitettavuus (engl. Dynamic Line Rating, DLR) halutaan laskea, on johdolla vaikuttavat reaaliaikaiset olosuhteet tunnettava.
Tämä työ on kirjallisuusselvitys, jossa perehdytään avojohdon dynaamisen kuormitettavuuden teoriaan, luonteeseen ja siihen, millaisia menetelmiä ja teknologioita sen toteuttamiseksi on kehitetty. Aineistona on käytetty pääasiassa tieteellisiä artikkeleita ja konferenssijulkaisuja, minkä lisäksi erityisesti IEEE:n standardi 738 on oleellinen työssä käytetty ja käsitelty aineisto. Esimerkiksi työssä esitelty kuormitettavuuslaskenta perustuu tähän standardiin. Tieteellisissä artikkeleissa ja muissa aineistoissa käsitellään pitkälti avojohdon kuormitettavuutta, dynaamista kuormitettavuutta sekä erilaisia dynaamisen kuormitettavuuden menetelmiä ja teknologioita. Työn aiheesta on kirjoitettu tähän mennessä hyvin vähän suomen kielellä. Kiinnostus DLR-teknologioita kohtaan on kasvanut maailmalla merkittävästi viime vuosien ja vuosikymmenen aikana.
Avojohtoon osuva tuuli ja etenkin matalat tuulen nopeudet viilentävät johtoa voimakkaasti ja kasvattavat johdon kuormitettavuutta. Tuuliolosuhteita on kuitenkin vaikea ennustaa, minkä lisäksi ne voivat muuttua äkillisesti ja olla erilaiset ympäri sähkölinjaa. Siksi on tärkeä seurata sääolosuhteita riittävän laajalta alueelta tai löytää se kohta linjalta, jonka lämpeneminen aiheuttaa todennäköisimmin rikkomuksia. Kattavien säämittausten sijasta kuormitettavuuslaskennan lähtötietoina voidaan hyödyntää linjaparametreja. Asentamalla linjaan sensoreita, voidaan esimerkiksi johdon lämpötila, jännitys, riippuma tai ilmaväli mitata. Jännitys, riippuma ja ilmaväli voidaan muuntaa vastaamaan johdon lämpötilaa, jonka avulla pystytään arvioimaan sääolosuhteiden vaikutusta ja siten laskemaan kuormitettavuus IEEE:n yhtälöillä. Suurin osa kaupallisista teknologioista perustuu jonkin linjaparametrin mittaamiseen. Usein DLR-ratkaisut mittaavat linjaparametrien lisäksi myös muita oleellisia lähtötietoja, kuten auringon säteilyn ja sähkövirran.
Yleensä dynaamisella kuormitettavuudella voidaan kasvattaa olemassa olevan sähköverkon siirtokapasiteettia vähintään 5–20 %. Koska tuulen nopeuden kasvu johtaa sekä kuormitettavuuden kasvuun että tuulisähkön suurempaan generoimiseen, voidaan DLR:llä integroida enemmän tuulivoimaa verkkoon, jos verkossa on ruuhkia. Tyypillisesti DLR-ratkaisuilla lisäkapasiteetti saadaan perinteisiä menetelmiä nopeammin ja halvemmin. Muuttuvat sääolosuhteet kuitenkin haastavat lisäkapasiteetin käytettävyyttä, minkä vuoksi käytännöllisen ratkaisun on sisällettävä riittävän luotettava kuormitettavuutta ennustava toteutus.
Tämä työ on kirjallisuusselvitys, jossa perehdytään avojohdon dynaamisen kuormitettavuuden teoriaan, luonteeseen ja siihen, millaisia menetelmiä ja teknologioita sen toteuttamiseksi on kehitetty. Aineistona on käytetty pääasiassa tieteellisiä artikkeleita ja konferenssijulkaisuja, minkä lisäksi erityisesti IEEE:n standardi 738 on oleellinen työssä käytetty ja käsitelty aineisto. Esimerkiksi työssä esitelty kuormitettavuuslaskenta perustuu tähän standardiin. Tieteellisissä artikkeleissa ja muissa aineistoissa käsitellään pitkälti avojohdon kuormitettavuutta, dynaamista kuormitettavuutta sekä erilaisia dynaamisen kuormitettavuuden menetelmiä ja teknologioita. Työn aiheesta on kirjoitettu tähän mennessä hyvin vähän suomen kielellä. Kiinnostus DLR-teknologioita kohtaan on kasvanut maailmalla merkittävästi viime vuosien ja vuosikymmenen aikana.
Avojohtoon osuva tuuli ja etenkin matalat tuulen nopeudet viilentävät johtoa voimakkaasti ja kasvattavat johdon kuormitettavuutta. Tuuliolosuhteita on kuitenkin vaikea ennustaa, minkä lisäksi ne voivat muuttua äkillisesti ja olla erilaiset ympäri sähkölinjaa. Siksi on tärkeä seurata sääolosuhteita riittävän laajalta alueelta tai löytää se kohta linjalta, jonka lämpeneminen aiheuttaa todennäköisimmin rikkomuksia. Kattavien säämittausten sijasta kuormitettavuuslaskennan lähtötietoina voidaan hyödyntää linjaparametreja. Asentamalla linjaan sensoreita, voidaan esimerkiksi johdon lämpötila, jännitys, riippuma tai ilmaväli mitata. Jännitys, riippuma ja ilmaväli voidaan muuntaa vastaamaan johdon lämpötilaa, jonka avulla pystytään arvioimaan sääolosuhteiden vaikutusta ja siten laskemaan kuormitettavuus IEEE:n yhtälöillä. Suurin osa kaupallisista teknologioista perustuu jonkin linjaparametrin mittaamiseen. Usein DLR-ratkaisut mittaavat linjaparametrien lisäksi myös muita oleellisia lähtötietoja, kuten auringon säteilyn ja sähkövirran.
Yleensä dynaamisella kuormitettavuudella voidaan kasvattaa olemassa olevan sähköverkon siirtokapasiteettia vähintään 5–20 %. Koska tuulen nopeuden kasvu johtaa sekä kuormitettavuuden kasvuun että tuulisähkön suurempaan generoimiseen, voidaan DLR:llä integroida enemmän tuulivoimaa verkkoon, jos verkossa on ruuhkia. Tyypillisesti DLR-ratkaisuilla lisäkapasiteetti saadaan perinteisiä menetelmiä nopeammin ja halvemmin. Muuttuvat sääolosuhteet kuitenkin haastavat lisäkapasiteetin käytettävyyttä, minkä vuoksi käytännöllisen ratkaisun on sisällettävä riittävän luotettava kuormitettavuutta ennustava toteutus.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]