Jännitteen ja ilman lämpötilan vaikutus jakeluverkon kuormituksiin ja häviöihin

Abstract

Työn tavoitteena on selvittää, kuinka jakeluverkon jännitteen nosto vaikuttaa jakeluverkossa tapahtuviin häviöihin sekä jakeluverkkoon liittyneiden kuormituksien kuluttaman sähköenergian suuruuteen. Selvitys yksittäisien kuormitustyyppien jänniteriippuvuudesta toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Lisäksi tarkastellaan, miten jakeluverkon kuormitukset ovat riippuvaisia ilman lämpötilasta. Tutkimus toteutettiin vaihtelemalla jännitteen asetusarvoa matalan ja korkeamman välillä Multisillan päämuuntajan syöttämässä jakeluverkossa 1.1.2023–31.4.2023 aikavälillä. Mittaustuloksia tarkastellaan kohdeverkon lisäksi viiden eri muuntopiirin tasolla.

Kuormituksien riippuvuus ilman lämpötilasta vaihteli muuntopiirien välillä riippuen niiden syöttämistä käyttöpaikkatyypeistä sekä alueella toteutetusta kiinteistöjen lämmitystavasta. Kuormituksien riippuvuus ilman lämpötilasta on suurimmillaan alueilla, joissa on paljon asutusta sekä kiinteistöjen lämmitys on toteutettu sähkölämmityksellä. Vastaavasti kuormituksien riippuvuus ilman lämpötilasta on pieni, jos pääosa alueen käyttöpaikoista ovat teollisuutta tai liikekiinteistöjä ja kiinteistöjen lämmitys on toteutettu kaukolämmöllä.

Jakeluverkon kuormituksien jänniteriippuvuuksien havaittiin vaihtelevan ilman lämpötilan mukaan sekä eri vuorokauden tunneilla. Kohdeverkon ja kaikkien muuntopiirien tasolla kuormituksien jänniteriippuvuus pieneni ilman lämpötilan laskiessa. Lisäksi kuormituksien jänniteriippuvuuksien havaittiin olevan korkeimmillaan päivisin ja matalammillaan öisin.

Kohdeverkossa jännitteen nostolla ei pystytä merkittävästi laskemaan häviöitä, sillä häviöt alkoivat pienentyä vasta sellaisella kuormitustasolla, jota kohdeverkossa harvoin esiintyi. Viimeisen kuuden vuoden lämpötilojen perusteella laskettujen arvioiden mukaan kohdeverkossa jännitteen nostolla häviöitä saataisiin vuodessa laskettua 0,3–0,9 MWh/a. Kuormituksien jänniteriippuvuuksien myötä vuosittaisen kokonaiskulutuksen arvioidaan nousevan 40 kertaa enemmän kuin verkossa tapahtuvia häviöitä saataisiin laskettua. Mittaustuloksien perusteella muodostettiin myös arviot sille, miten kohdeverkon häviöt ja kokonaiskulutus muuttuisi vuodessa, jos jännitettä laskettaisiin 1–3 %. Tällöin verkon häviöiden arvioidaan laskevan vuodessa 20–57 MWh/a.

Tuloksien havaittiin pätevän vain tutkitulle kohdeverkolle, sillä vain 10 % verkon kokonaishäviöistä tapahtuivat Multisillan päämuuntajan häviöistä. Jakeluverkon häviöiden käyttäytymistä suhteessa jännitteeseen ei siis pystytä arvioimaan suoraan päämuuntajan kuormituksen perusteella. Jakeluverkon jännitteen säädön vaikutuksien selvittäminen häviöihin muissa jakeluverkoissa kuin tutkitussa kohdeverkossa tulisi tällöin toteuttaa muuntopiirikohtaisesti. Tämä edellyttäisi myös jokaisen muuntopiirin kuormituksien jänniteriippuvuuksien arvioimista erillisellä jatkotutkimuksella.

The aim of the work is to find out how increasing the voltage in the distribution network affects the losses in the distribution network as well as the amount of electrical energy consumed by the loads connected to the distribution network. A study of the voltage dependency of individual load types was conducted as a literature review. Additionally, loads dependency on the air temperature in the distribution network is examined. The study was carried out by varying the voltage between low and high settings in the distribution network fed by the Multisilta’s main transformer between 1 January 2023 and 31 April 2023. In addition to the target network, the measurement results are also examined on five different low voltage transformer circuits.

The dependency of loads on air temperature varied between the transformer circuits depending on the types of places of electricity use and the heating method of the properties implemented in the area. The dependency of loads on air temperature is greatest in areas with a lot of residential properties with electric heating. Correspondingly, the dependency of loads on air temperature is small if most of the places of electricity use in the area are industrial or commercial and the heating of the properties has been carried out with district heating.

Voltage dependencies of the loads in the distribution network were found to vary depending on the air temperature, as well as in different hours of the day. At the target network and all transformer circuits, the voltage dependency of the loads decreased as the air temperature decreased. In addition, the voltage dependencies of the loads were found to be highest during the day and lowest at night.

In the target network, it is not possible to significantly reduce losses by raising the voltage, as losses only began to decrease at a level of load that rarely occurred in the target network. According to estimates calculated based on the last six year’s air temperatures, losses on the target network could be decreased by 0,3–0,9 MWh/a by increasing the voltage. Due to loads dependency on voltage, the total annual consumption is estimated to rise 40 times more than the losses on the network could be decreased. Based on the measurement results, estimates were also formed for how the loss and total consumption of the target network would change in a year if the voltage was lowered by 1-3%. In this case, the network losses are estimated to decrease by 20–57 MWh/a annually.

The results were found to be valid only for the studied target network, as only 10% of the total network losses occurred from the Multisilta’s main transformer losses. Thus, the behavior of losses in the distribution network relative to voltage cannot be estimated directly by the main transformer load. Determining the effects of voltage regulation on losses in distribution networks other than the investigated target network should then be carried out by investigating losses on each transformer circuits. This would also require a separate follow-up study to assess the voltage dependencies of each transformer circuit.