Sikker vernutkobling i elektriske installasjoner i svake lavspenningsnett

Abstract

De siste 10-15 årene har nettselskapene fått bedre verktøy til å beregne minste kortslutningsstrøm tilført til de elektriske installasjonene i lavspenningsnettet. Nettselskapene har derfor avdekket områder der minste kortslutningsstrøm er lavere enn først antatt. Det er estimert at kostnaden av å forsterke svake lavspenningsnett til en tilstrekkelig styrke er mellom 9 og 33 milliarder kroner.

Formålet med masteroppgaven er å identifisere hvordan sikker utkobling av vern i elektriske installasjoner i svake lavspenningsnett kan oppnås. I tillegg skal det identifiseres alternative tiltak til en nettoppgradering som kan redusere kostnadene, samtidig som sikker utkobling av vern oppnås.

Montørhåndboka regner minste kortslutningsstrøm i inntaket på mindre enn 500 A som lav kortslutningsytelse. Lav kortslutningsytelse er problematisk fordi det kan gi relativt lang utkoblingstid av vern ved en kortslutning, som øker sannsynligheten for varmeutvikling og brann. Et estimat viser at ca. 13,7% av alle norske tilknytningspunkt har en tilført minste kortslutningsstrøm på 500 A eller lavere. NEK 400:2018 stiller krav til at enhver kortslutningsstrøm skal brytes innen 5 sekunder.

En teoretisk kartlegging viser at hovedsikringer på 50 A, 63 A og 80 A kobler ut senest innen 5 sekunder med en strøm fra 230 A til 500 A, fra 290 A til 630 A og fra 400 A til 599 A. Kurssikringene B10, C10, B16 og C16 kobler teoretisk ut senest innen 5 sekunder med en strøm fra 46 A til 50 A, fra 49 A til 100 A, fra 74 A til 80 A og 80 A til 160 A.

For å identifisere om vern gir sikker utkobling må kursfortegnelsen være kjent. Hvis et vern i en elektrisk installasjon ikke gir sikker utkobling kan et vernbytte være et alternativ til en nettoppgradering. Ved å bytte ut vernet med et vern med sammen merkestrøm og karakteristikk, men med raskere termisk utkobling, kan sikker utkobling oppnås. Samtidig vil den vanlige driften hos kunden opprettholdes når vern ikke sikres ned.

Labtest av vernene viste at ved 22 ℃ vil strømmen som kobler ut vern på 5 sekunder være vesentlig lavere enn den teoretiske kartleggingen. 50 A- og 63 A-hovedsikringene kobler ut på 5 sekunder fra 151 A til 206 A og fra 288 A til 322 A. C10-, B16- og C16-kurssikringene koblet ut på 5 sekunder fra 42 A til 50 A, fra 49 A til 53 A og fra 52 A til 68 A. Resultatene viste samtidig at det vernet som teoretisk gir raskest utkobling ikke trenger å være det raskeste i praksis.

De elektriske installasjonene til kunde 2 og kunde 3 i det svake lavspenningsnettet til et anonymt nettselskap har lav tilført minste kortslutningsstrøm. Nullalternativet (tapskostnader) ble beregnet til 74,7 kkr. Sikker utkobling av vern i de elektriske installasjonene kan oppfylles med vernbytte (uten å sikre ned merkestrømmen) eller nettoppgradering. Kostnaden av å bytte vern og oppgradere nettet ble beregnet til henholdsvis 92,7 kkr og 273,3 kkr. Det kan potensielt spares en kostnad på 66,8% de neste 30 årene ved å bytte vern istedenfor å oppgradere nettet.

Å tilkoble en asynkronmotor på 22 kW og 37 kW øker ikke minste kortslutningsstrøm tilført til de elektriske installasjonene nok til å oppnå sikker vernutkobling i nettet til et anonymt nettselskap. Kostnadene er beregnet til henholdsvis 279,4 kkr og 293,4 kkr de neste 30 årene. Ved en vesentlig dyrere nettoppgradering enn 300 kkr vil sannsynligvis en asynkronmotor være en rimeligere løsning enn nettoppgradering for å oppnå sikker vernutkobling. Ved installasjon av en asynkronmotor i nettet vil et vernbytte potensielt redusere kostnaden av asynkronmotoren. Det forutsetter at vernbytte i seg selv ikke tilfredsstiller NEK 400:2018.

In the last 10-15 years, the distribution system operators have been using better tools to calculate the minimum short-circuit current supplied to the electrical installations in their low-voltage grid. The distribution system operators have therefore identified areas where the minimum short-circuit current is lower than first assumed. It's estimated that the cost will be between 9 and 33 billion NOK to upgrade the grid to archive a sufficient minimum short circuit current.

The purpose of the master's thesis is to identify how safe disconnection of a short circuit current in electrical installations in weak low voltage grids can be achieved. In addition, to find alternative measures for a grid upgrade that can reduce costs, while at the same time ensuring safe disconnection of a minimum short circuit current.

Montørhåndboka NEK 400:2018 assumes a minimum short-circuit current in the intake of an electrical installation less than 500 A as low short-circuit current. Low short-circuit current is problematic because it can provide a relatively long disconnection time for the relay in the event of a short-circuit, which increases the probability of heat generation and fire. An estimate shows that approximately 13.7% of all Norwegian connection points of electrical installations have a minimum short-circuit current of 500 A or lower. NEK 400: 2018 requires that any short-circuit current must be interrupted within 5 seconds.

Protection relays from different manufacturers with the same rated current disconnect a short circuit in 5 seconds at different currents. A theoretical survey shows that a main fuse of 50 A, 63 A and 80 A disconnects within 5 seconds at the latest with a current from 230 A to 500 A, from 290 A to 630 A and from 400 A to 599 A. The fuses B10, C10, B16 and C16 theoretically disconnects at the latest within 5 seconds with a current from 46 A to 50 A, from 49 A to 100 A, from 74 A to 80 A and 80 A to 160 A.

To identify whether relay protection provides safe disconnection, the fuses in an electrical installation must be known. If a relay protection in an electrical installation does not provide safe disconnection, a swap can be an alternative to a grid upgrade. By replacing the relay protection with a relay protection with the same rated current and characteristic, but with faster thermal disconnection, safe disconnection can be achieved. At the same time, the normal operation of the customer can be sustained.

Lab tests of the relay protections showed that at 22 ℃ the current that is disconnected within 5 seconds will be significantly lower than the theoretical mapping. The 50 A and 63 A main fuses disconnected in 5 seconds from 151 A to 206 A and from 288 A to 322 A. The C10, B16 and C16 fuses disconnected in 5 seconds from 42 A to 50 A, from 49 A to 53 A and from 52 A to 68 A. The results showed that the protection that theoretically provides the fastest disconnection is not necessarily the fastest in practice.

The electrical installations of customer 2 and customer 3 in the weak low-voltage grid of an anonymous distribution system operator have low supplied minimum short-circuit current. The cost of losses was calculated to NOK 74.7 thousand. Safe disconnection of relay protection in the electrical installations can be fulfilled with relay protection replacement (without reducing the rated current) or upgrading the grid. The cost of changing relay protection and upgrading the network was calculated to NOK 92.7 thousand and NOK 273.3 thousand, respectively. A cost of 66.8% can potentially be saved over the next 30 years by switching relay protections instead of upgrading the grid.

Connecting a 22 kW and 37 kW asynchronous motor does not increase the minimum short-circuit current supplied to the electrical installations enough to achieve a safe disconnection of the relay protections in the grid owned by an anonymous distribution system operator. The cost is estimated at NOK 279.4 thousand and NOK 293.4 thousand, respectively, over the next 30 years. With a significantly more expensive grid upgrade than NOK 300,000, an asynchronous motor will probably be a cheaper solution than a grid upgrade to achieve secure disconnection of the relay protections. When installing an asynchronous motor in the network, relay protection replacement will potentially reduce the cost of the asynchronous motor. This presupposes that the protection change does not satisfy NEK 400:2018 on its own.