Overf ring av elektrisk kraft

1. Overføring av elektrisk kraft Høgskolen i Agder ENE202 - Vår 2006 Foreleser: Egil Hagen

2. Overføring og fordeling av elektrisk kraft Hovedkomponenter i systemet Spenningsnivåer Komponenter i en høgspenningslinje Planleggingskriterier for høgspenningslinjer Bygging av høgspenningslinjer Galloperende liner Corona effekt Forurensing

3. Hoveddeler i kraftsystemet Overføringslinjer Trafo Generator

4. Kraftsystemet

6. Produksjon Kan produsere flere tusen MW pr. enhet Normalt 5 -15 kV generatorspenning Elvekraftverk på Østlandet Magasinkraftverk på Vestlandet Produserer aktiv effekt etter behov ved å omdanne vann under trykk til elektrisitet Regulerer spenning ved å produsere/ta opp reaktiv effekt

7. Transformator Endrer spenningen opp eller ned Kan regulere spenningen med trinnkobler Vanlige størrelser opp til 200 MVA trefase Ved større enheter brukes ofte enfase Gir galvanisk skille mellom ulike spenningsnivåer

8. Overføringslinjer 132 kV til 400 kV i Norge Kapasitet til å overføre mange hundre MVA Mange ulike mastekonfigurasjoner Stor variasjon i line/ledertykkelse

9. Fordelingsnett Spenning fra 230 V til 66 kV

10. Hva skal vi forvente av elektrisitetsforsyningen? Stabil Billig Miljøvennlig

11. Krav til Kraftsystemet Forsyne tilstrekkelig elektrisk kraft Holde stabil spenning Holde stabil frekvens Akseptabel pris Sikkert for ansatte og tredjeperson Oppfylle miljøstandarder

12. Design kriterier for kraftlinjer Krav til overføringsevne Overføringsavstand Lastutvikling over tid Linjekostnader Estetikk, reguleringsforhold, konfliktnivå

13. Lavspentlinjer 230 V eller 400 V Ofte isolerte aluminiumsledninger - EX I tettbygde strøk ofte nedgravd kabel Radielle eller maskede nett

14. Høgspent fordelingsnett 11 kV eller 22 kV spenningsnivå Vanligvis blanke ledninger av aluminium Isolerte ledninger (BLX) gir mer kompakte linjer Ofte kabelnett i tettbygde strøk Vanligvis radielle nett med muligheter for omkoblinger ved feil eller nødvendig arbeid

15. Regionalnett Spenningsnivå fra 50 kV til 132 kV Alltid blanke ledninger Kabel brukes kun ved høyt konfliktnivå i traseen

16. Sentralnett 132 kV til 400 kV i Norge Svært lite bruk av kabel på grunn av høye kostnader Knytter landet sammen til ett kraftnett Administreres i Norge av Statnett Landenes sentralnett er knyttet sammen i regionale nett – Norge er knyttet til det Vest-europeiske nettet via Sverige og Danmark

17. Svært høye spenninger Det bygges linjer med spenning opp til 800 kV til overføring av store kraftmengder over store avstander HVDC har lavere tap og brukes ofte ved store kraftmengder og store avstander HVDC gir systemmessig skille mellom store kraftnett og kan installeres back-to-back

18. Standardspenninger Foretrukne spenningsnivåer fastsatt av organisasjoner som IEEE og IEC Redusere kostnadene og muliggjøre effektiv beskyttelse 230 V og 400 V lavspent fordelingsnett 11 kV og 22 kV høgspent fordelingsnett 66 kV og 132 kV regionalnettspenninger 300 kV og 400 kV i sentralnettet

21. Komponenter i overføringslinjer Line/leder Stolper Isolatorer tilbehør

22. Overføringslinjens komponenter Liner/ledere vanligvis FeAl Stålkjærne med mange aluminiums tråder Må skjøtes på lange linjer Isolatorer av glass eller kompositt Holder fast lederne til masten Skiller mellom hengeisolatorer og støtteisolatorer Stolper/master av tre eller stål Holde sikker avstand til bakken Holde sikker avstand til de andre linene/lederne

23. Master/stolper

24. Liner

28. Nedheng mellom mastene Masteavstanden er avstanden mellom mastene i en linje Pilhøyden er den maksimale vertikale avstanden mellom den rette linjene mellom opphengspunktene, og linen/lederen Pilhøyden øker med line/ledertemperturen I Norge er maksimal islast ofte det viktigste mekaniske dimensjonerings kriterium I utsatte strøk er også vind et viktig kriterium Galloperende liner

30. Korona Linjer med høy spenning (over 132 kV) gir kontinuerlige elektriske utladninger rundt lederen på grunn av ionisering av lufta Korona fører til elektriske tap i linja Korona lager radiostøy Korona kan reduseres ved å bruke større diameter på line/leder eller ved å bundle Bundling reduserer reaktansen i linja og øker dermed overføringskapasiteten

31. Forurensing Støv, salt o.l på isolatorer kan føre til overslag Ofte feil på 22 kV linjer ved regn etter en lang tørkeperiode Undersøkelser har vist at det er større lokal forurensing under kraftlinjer

32. Lyn

35. Lynavledere Enkleste form – en metallisk stang som stikker høyere enn bygningens høyeste punkt – jordet I elkraftsystemer brukes også langt mer sofistikerte lynavledere Uten avledere kan lynoverspenninger ødelegge kostbart stasjonsutstyr

36. Lynnedslag i en kraftlinje Ved lynnedslag i en kraftlinje oppstår en stor overspenning mellom linene og jord Umiddelbart skjer et overslag i luft mellom line/leder og den jordede masten Dermed forsvinner overspenningen typisk i løpet av ca 50 mikrosekund I den ioniserte luften etter utladningen kan linjespenningen fortsette å mate en kortslutningsstrøm til linja kobles ut

37. Lynnedslag Lynet kan slå ned i i faselederne, i jordtråden, eller i masta Det oppstår en overspenning som brer seg i begge retninger i nær lysets hastighet Overspenningen kan være 1-2 millioner volt Vandrebølger – bølgeimpedans Med en bølgeimpedans på typisk 400 ohm og en overspenning på 800 kV, vil strømmen tilsvare 2 kA Bølgen reduseres etterhvert pga resistansen i linja og koronatapene

38. Induserte overspenninger Oppstår ved lynnedslag i nærheten av linja Typisk vil overspenningen ikke overstige 50 kV Neglisjeres derfor for linjer med mer enn 50 kV spenning Vanlig feilkilde for linjer med spenning 22 kV og lavere

41. Skade pga lynoverspenning Hver komponent på bølgens vei vil bli utsatt for en voldsom overspenning Dersom det blir overslag vil det flyte en kortslutningsstrøm inntil linjen kobles ut Dersom overspenningen når en stasjon kan kostbart utstyr i stasjonen bli ødelagt Vi må derfor ha lynavledere på alle innkommende linjer

42. Lynavledere Alt utstyr i en stasjon designes for å tåle en viss impuls overspenning Avledere på linjeinngangene designes for å kutte alle overspenninger som er i nærheten av denne verdien Eksempel: 400 kV avledere på en stasjon med utstyr som tåler 550 kV

43. Jordtråd Overliggende eller underliggende En eller to tråder Vanligvis av stål fordi den normalt ikke skal lede strøm Jordet i hver mast

44. Innføringsvern For å verne stasjoner der linjene ikke har installert jordline, henges det gjerne opp jordtråd på de siste spennene inn mot stasjonen

45. Holdespenning - Basic impulse insulation level (BIL) Isolasjonen tåler mye høyere spenning som impuls enn som en varig overspenning For transformatorer kan forholdet være 1:2 For luftisolerte komponenter er forholdet nærmere 1:1,5 Impulsoverspenninger er standardiserte Spesifierte holdepenninger er mange ganger høyere enn nominelle spenninger for utstyret

46. Typisk impulsspenning

48. Isolasjonskoordinering Med isolasjonskoordinering sørger vi for at alt utstyr i kraftsystemet kan motstå tilstrekkelig overspenning Dersom vi velger for høye overspenningsverdier for utstyret, vil anleggene bli dyrere enn nødvendig

49. Mastejording Hver mast er jordet med så lav motstand som mulig mindre motstand gir lavere overspenning lavere overspenning gir redusert sannsynlighet for overslag dersom det ikke blir overslag kobles normalt ikke linja ut - mindre ulemper for forbrukerne

50. System

51. Overføringslinjens formål Overføre aktiv effekt Reaktiv effekt bør holdes så lav som mulig Følgende krav må oppfylles: Så lik spenning som mulig over hele linjens lengde og ved varierende belastning Så lave tap som økonomisk mulig Linetemperatur under tillatt grenseverdi Kapasitanser eller spoler må om nødvendig brukes for å holde disse kravene

52. Elementer i en linjemodell Induktans Kapasitans Resistans Innspenning Belastning

53. Linjemodeller En linje kan modelleres som en rekke med resistanser, og induktive og kapasitive reaktanser Denne modellen kan forenkles til en ekvivalentkrets bestående av en R og en XL i serie, og en kapasitiv reaktans på 2XC i hver ende av modellen Dette gir en god tilnærming for å regne på linjer med lengde under 250 km

56. Typiske impedansverdier Verdiene gis vanligvis pr kilometer linje Reaktansene er noenlunde konstante pr kilometer for alle vanlige linjetyper Ulike kabler har lignende reaktanser Resistansen viser store forskjeller både for ulike linestørrelser og kabelstørrelser

61. Forenklede modeller Lavspentlinjer er korte og har lav spenning - derfor kan kapasitansene sløyfes i modellen Høgspentlinjer med svært høy spenning har store liner/ledere og små strømmer – derfor kan resistansen sløyfes Vanlige høgspentlinjer kan representeres uten både resistans og kapasitans – induktiv linje

62. Spenningsregulering og overføringsevne Resistiv linje Induktiv linje Kompensert induktiv linje Induktiv linje mellom to store kraftsystemer

63. Resistiv linje Pmax = ES2 / 4R Som oppstår når ER = 0,5 ES, dvs at impedansen i linja og belastningen er like Med max 5 % tillatt spenningsfall i linja, vil maksimal overføringsevne være kun 19 % av Pmax

65. Induktiv linje Pmax = ES2 / 2 X Som oppstår når ER = 0,707 ES, dvs at impedansen i linja og belastningen er like Med max 5 % spenningsfall i linja, vil maksimal overføringsevne være 60 % av Pmax Kan overføre seks ganger det en ren resistiv linje kan overføre

67. Kompensert induktiv linje Pmax = ES2 / X Som oppstår når ER = ES Med perfekt kompensering av linja vil vi alltid kunne overføre Pmax Kan overføre to ganger det en ukompensert induktiv linje kan overføre

69. Induktiv linje mellom to store kraftsystemer Store belastningssentra er vanligvis koblet sammen i store systemer Dette bedrer systemets evne til å fungere under driftsforstyrrelser og muliggjør kraftutveksling mellom selskaper Vi ser av figure 25.30 a at maksimal overføring skjer når fasevinkelen mellom systemene når 90 grader I praksis må kraftutvekslingen begrenses slik at fasevinkelen holdes godt under 90 grader

70. Driftstilfeller Es = Er = i fase Ingen effektflyt Når det er faseforskjell mellom Es og Er vil alltid effekten flyte fra den siden som har den ledende fasen Fasevinkelen økes ved at kraftproduksjonen økes i det området som skal eksportere kraft

73. Oppsummert Det er alltid en praktisk grense for hvor mye effekt som kan overføres på en linje Maksimal effekt er proporsjonal med kvadratet av sendespenningen og omvendt proporsjonal med linjeimpedansen Overført effekt med akseptabel spenning over belastningen er oftest mye lavere enn maksimal effekt

75. Velge linjespenning Spenningen er proporsjonal med kvadratroten av overført effekt ganger linjelengden ganger en faktor k k er typisk 0,1 for en ukompensert linje med 5 % tillatt spenningsfall k er typisk 0,06 for kompenserte linjer Aktuelle spenninger vil ligge mellom 0,6-1,5 ganger den verdien vi får av formelen

76. Metoder for å øke overføringsevnen Bygger vi flere parallelle linjer har vi også en sikkerhet dersom den ene linjen kobler ut Flere linjer parallelt er kostbart og en stor miljøbelastning To eller flere ledere pr fase vil minske reaktansen i linja – duplex, triplex, quadruplex På denne måten kan linjereaktansen reduseres med opp til 40 % og overføringsevnen økes med 67 % Kan også legge inn kapasitanser i serie for å redusere effekten av linjereaktansen

77. Reguleringsutstyr i nettet Synkronregulator Spoler Static VAR compensation – SVC Serie og parallell kondensatorer

78. Ekstrem høgspenning Regneeksempel for å utdype behovet for reguleringsanordninger og størrelsesorden på effektene som er involvert

79. Surge impedance load Den belastning som fører til at kapasitansen utjevner reaktansen slik at kildespenningen er lik lastspenningen Tilsvarer vanligvis en pr fase resistans på 400 ohm Da vil linjen kompensere seg selv Ettersom belastningen i virkeligheten vil variere kontinuerlig, må også reaktans og kapasitansverdiene kontinuerlig endres for å holde spenningen konstant

80. Overføring mellom store kraftnett Bruk av phase shift transformer for å fremtvinge effektflyt i ønsket retning