Olkiluodon ydinvoimalaitoksen 110 kV:n kytkinlaitoksen uusintavaihtoehtojen vertailu
Heikkinen, Jussi (2022)
Heikkinen, Jussi
2022
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in 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
2022-11-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210318014
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210318014
Tiivistelmä
Olkiluodon ydinvoimalaitoksen 110 kV:n verkkoyhteydellä on kaksi tehtävää. 110 kV:n verkko toimii varasyöttönä, jos ydinvoimalaitosyksikkö ei pysty tuottamaan omakäyttötehoa omalla päägeneraattorillaan, ja 400 kV:n verkkoyhteys on menetetty. Lisäksi Olkiluodon ydinvoimalaitoksen alueella sijaitsevat kaasuturbiinilaitos ja suurtehoakkuvarasto liittyvät 110 kV:n kantaverkkoon. Laitosyksiköiden ja muiden Olkiluodon järjestelmien liittäminen 110 kV:n kantaverkkoon tapahtuu 110 kV:n kytkinlaitoksen avulla. Tämä kytkinlaitos on pääosiltaan alkuperäinen, noin 45 vuotta vanha järjestelmä. Olkiluodon ydinvoimalaitoksen 110 kV:n kytkinlaitos on tarpeen uusia lähitulevaisuudessa komponenttien ikääntymisen ja teknologisen vanhentumisen takia. Kytkinlaitoksen uusimiseen on kolme vaihtoehtoa: uuden ilmaeristeisen avokytkinlaitoksen rakentaminen, uuden kaasueristeisen sisäkytkinlaitoksen rakentaminen sekä vanhan kytkinlaitoksen uusiminen nykyiselle paikalleen osa kerrallaan. Työn tavoitteena on vertailla vaihtoehtoja 110 kV:n kytkinlaitoksen uusimiseen, valita parhaiten Olkiluotoon soveltuva vaihtoehto ja toimia uusintaprojektin esiselvityksenä.
Uuden ilmaeristeisen avokytkinlaitoksen rakentaminen on ratkaisuna yksinkertaisin. Ilmaeristeinen avokytkinlaitos on hyvin yleinen tapa toteuttaa tällainen kytkinlaitos, joten soveltuvia järjestelmiä on helposti saatavilla. Lisäksi Olkiluodossa on paljon kokemusta tällaisen kytkinlaitoksen ylläpidosta ja käytöstä. Ilmaeristeinen avokytkinlaitos on myös kustannuksiltaan edullisin vaihtoehto. Olkiluodon ydinvoimalaitoksen alueella on kuitenkin hyvin vähän maapinta-alaa, joten suurikokoiselle ilmaeristeiselle avokytkinlaitokselle on hyvin vähän mahdollisia sijaintipaikkoja. Ilmaeristeinen kytkinlaitos tarvitsee myös suhteellisen paljon huoltoa.
Kaasueristeinen sisäkytkinlaitos mahtuu huomattavasti vastaavaa ilmaeristeistä avokytkinlaitosta pienempään tilaan, mikä on Olkiluodon toimintaympäristössä erittäin merkittävä etu. Lisäksi kaasueristeisen kytkinlaitoksen huollontarve on merkittävästi vähäisempi ja kisko- sekä katkaisijaviat ovat selvästi harvinaisempia. Kustannuksiltaan kaasueristeinen sisäkytkinlaitos on jonkin verran ilmaeristeistä avokytkinlaitosta kalliimpi, mutta hintaero ei ole merkittävä.
Vanhan kytkinlaitoksen uusiminen nykyiselle paikalleen olisi maankäytön kannalta erinomainen vaihtoehto, koska uutta tilaa ei tarvita. Ongelmana on kuitenkin se, että ydinvoimalaitoksen käyttöturvallisuuden ylläpitäminen vaatii sitä, että 110 kV:n kytkinlaitos on käyttökuntoinen koko uusimisprojektin ajan. Tämä edellyttää valtavaa määrää monimutkaisia kytkentöjä ja töiden suorittamista jännitteisen kytkinlaitoksen alueella. Käyttöturvallisuuden ylläpitäminen ja henkilöstön työturvallisuuden varmistaminen olisi niin hankalaa, että työn kesto ja kustannukset kasvaisivat liian suuriksi, joten tämä vaihtoehto ei ole toteuttamiskelpoinen.
Työssä vertailtiin vaihtoehtoja 110 kV:n kytkinlaitoksen uusimiseen useiden eri kriteerien perusteella. Tärkeimmät kriteerit olivat tekninen suorituskyky, käyttöturvallisuus, maankäyttö sekä uusimisen aiheuttamat kustannukset. Parhaiten Olkiluodon tarpeisiin soveltuva vaihtoehto on vertailun perusteella uuden kaasueristeisen sisäkytkinlaitoksen rakentaminen. Merkittävimmät syyt tähän ovat kaasueristeisen sisäkytkinlaitoksen pieni pinta-ala sekä huomattavasti ilmaeristeistä avokytkinlaitosta vähäisempi huollontarve. Kytkinlaitostyypin lisäksi työssä määriteltiin myös vaatimukset uuden kytkinlaitoksen tekniselle suorituskyvylle sekä kytkinlaitoksen alustava sijaintipaikka. The 110 kV grid connection of Olkiluoto nuclear power plant serves two purposes. 110 kV grid acts as a stand-by electricity supply in situations, where nuclear power plant unit is not able to produce the power needed for internal consumption of the unit and the 400 kV grid connection is lost. In addition, the gas turbine power plant and battery energy storage system located at Olkiluoto are connected to the 110 kV main grid. Connecting the nuclear power plant units and other systems to the 110 kV grid is done using a 110 kV switching substation. This substation is mainly the original system built about 45 years ago. The 110 kV switching substation at Olkiluoto needs renewal in the near future due to the aging of the components and technological obsolescence. There are three possible solutions for the renewal of the substation: building a new outdoor air insulated substation, building a new indoor gas insulated substation and renewing the old substation at its current location. The goal of this thesis is to compare the possible solutions for the renewal of the 110 kV switching substation, choose the most suitable solution to Olkiluoto and act as a preliminary study for the renewal project.
Building a new outdoor air insulated substation is the simplest solution. An outdoor air insulated substation is a very common substation design, and therefore suitable systems are easily available. In addition, there is a lot of experience in maintaining and operating this kind of substation at Olkiluoto. An outdoor air insulated substation is also the cheapest option. However, there is very limited space in Olkiluoto nuclear power plant area, which means that there are not a lot of possible locations for the new outdoor air insulated substation. An air insulated substation also requires relatively high amount of maintenance.
An indoor gas insulated substation takes up significantly less space than an outdoor air insulated substation, which is very beneficial in Olkiluoto. A gas insulated substation also requires less maintenance and faults in busbars and circuit breakers are much rarer. An indoor gas insulated substation is slightly more expensive than an outdoor air insulated substation, but the cost difference is not very significant.
Renewing the old substation at its current location would be an excellent solution from the land usage point of view, because new space is not needed. However, the problem is that maintaining the operational safety of the nuclear power plant requires, that the 110 kV switching substation is in working order during the whole renewal project. This leads to a massive number of switching operations and working in the vicinity of live parts. Maintaining the operational safety and securing the work safety of personnel would be so difficult, that the duration and costs of the renewal would become too high. Therefore, this solution is not realizable.
This thesis compared the possible solutions for the renewal of the 110 kV switching substation based on several criteria. The most important criteria were technical performance, operational safety, land usage and the renewal costs. According to this comparison, the most suitable solution to Olkiluoto is building a new indoor gas insulated substation. The most significant reasons for this are the small space required for the gas insulated substation and lesser need for maintenance. In addition to defining the switching substation type, also the requirements for the technical performance and the preliminary location were defined in this thesis.
Uuden ilmaeristeisen avokytkinlaitoksen rakentaminen on ratkaisuna yksinkertaisin. Ilmaeristeinen avokytkinlaitos on hyvin yleinen tapa toteuttaa tällainen kytkinlaitos, joten soveltuvia järjestelmiä on helposti saatavilla. Lisäksi Olkiluodossa on paljon kokemusta tällaisen kytkinlaitoksen ylläpidosta ja käytöstä. Ilmaeristeinen avokytkinlaitos on myös kustannuksiltaan edullisin vaihtoehto. Olkiluodon ydinvoimalaitoksen alueella on kuitenkin hyvin vähän maapinta-alaa, joten suurikokoiselle ilmaeristeiselle avokytkinlaitokselle on hyvin vähän mahdollisia sijaintipaikkoja. Ilmaeristeinen kytkinlaitos tarvitsee myös suhteellisen paljon huoltoa.
Kaasueristeinen sisäkytkinlaitos mahtuu huomattavasti vastaavaa ilmaeristeistä avokytkinlaitosta pienempään tilaan, mikä on Olkiluodon toimintaympäristössä erittäin merkittävä etu. Lisäksi kaasueristeisen kytkinlaitoksen huollontarve on merkittävästi vähäisempi ja kisko- sekä katkaisijaviat ovat selvästi harvinaisempia. Kustannuksiltaan kaasueristeinen sisäkytkinlaitos on jonkin verran ilmaeristeistä avokytkinlaitosta kalliimpi, mutta hintaero ei ole merkittävä.
Vanhan kytkinlaitoksen uusiminen nykyiselle paikalleen olisi maankäytön kannalta erinomainen vaihtoehto, koska uutta tilaa ei tarvita. Ongelmana on kuitenkin se, että ydinvoimalaitoksen käyttöturvallisuuden ylläpitäminen vaatii sitä, että 110 kV:n kytkinlaitos on käyttökuntoinen koko uusimisprojektin ajan. Tämä edellyttää valtavaa määrää monimutkaisia kytkentöjä ja töiden suorittamista jännitteisen kytkinlaitoksen alueella. Käyttöturvallisuuden ylläpitäminen ja henkilöstön työturvallisuuden varmistaminen olisi niin hankalaa, että työn kesto ja kustannukset kasvaisivat liian suuriksi, joten tämä vaihtoehto ei ole toteuttamiskelpoinen.
Työssä vertailtiin vaihtoehtoja 110 kV:n kytkinlaitoksen uusimiseen useiden eri kriteerien perusteella. Tärkeimmät kriteerit olivat tekninen suorituskyky, käyttöturvallisuus, maankäyttö sekä uusimisen aiheuttamat kustannukset. Parhaiten Olkiluodon tarpeisiin soveltuva vaihtoehto on vertailun perusteella uuden kaasueristeisen sisäkytkinlaitoksen rakentaminen. Merkittävimmät syyt tähän ovat kaasueristeisen sisäkytkinlaitoksen pieni pinta-ala sekä huomattavasti ilmaeristeistä avokytkinlaitosta vähäisempi huollontarve. Kytkinlaitostyypin lisäksi työssä määriteltiin myös vaatimukset uuden kytkinlaitoksen tekniselle suorituskyvylle sekä kytkinlaitoksen alustava sijaintipaikka.
Building a new outdoor air insulated substation is the simplest solution. An outdoor air insulated substation is a very common substation design, and therefore suitable systems are easily available. In addition, there is a lot of experience in maintaining and operating this kind of substation at Olkiluoto. An outdoor air insulated substation is also the cheapest option. However, there is very limited space in Olkiluoto nuclear power plant area, which means that there are not a lot of possible locations for the new outdoor air insulated substation. An air insulated substation also requires relatively high amount of maintenance.
An indoor gas insulated substation takes up significantly less space than an outdoor air insulated substation, which is very beneficial in Olkiluoto. A gas insulated substation also requires less maintenance and faults in busbars and circuit breakers are much rarer. An indoor gas insulated substation is slightly more expensive than an outdoor air insulated substation, but the cost difference is not very significant.
Renewing the old substation at its current location would be an excellent solution from the land usage point of view, because new space is not needed. However, the problem is that maintaining the operational safety of the nuclear power plant requires, that the 110 kV switching substation is in working order during the whole renewal project. This leads to a massive number of switching operations and working in the vicinity of live parts. Maintaining the operational safety and securing the work safety of personnel would be so difficult, that the duration and costs of the renewal would become too high. Therefore, this solution is not realizable.
This thesis compared the possible solutions for the renewal of the 110 kV switching substation based on several criteria. The most important criteria were technical performance, operational safety, land usage and the renewal costs. According to this comparison, the most suitable solution to Olkiluoto is building a new indoor gas insulated substation. The most significant reasons for this are the small space required for the gas insulated substation and lesser need for maintenance. In addition to defining the switching substation type, also the requirements for the technical performance and the preliminary location were defined in this thesis.