Overfring av elektrisk kraft Hgskolen i Agder ENE

Overføring av elektrisk kraft Høgskolen i Agder ENE 202 - Vår 2006 Foreleser: Egil Hagen

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

Hoveddeler i kraftsystemet • Overføringslinjer • Trafo • Generator

Kraftsystemet G T Overføringslinje T Belastning

Produksjon • • • Kan produsere flere tusen MW pr. enhet Normalt 5 -15 k. V 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

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

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

Fordelingsnett • Spenning fra 230 V til 66 k. V

Hva skal vi forvente av elektrisitetsforsyningen? • Stabil • Billig • Miljøvennlig

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

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

Lavspentlinjer • • 230 V eller 400 V Ofte isolerte aluminiumsledninger - EX I tettbygde strøk ofte nedgravd kabel Radieller maskede nett

Høgspent fordelingsnett • 11 k. V eller 22 k. V 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

Regionalnett • Spenningsnivå fra 50 k. V til 132 k. V • Alltid blanke ledninger • Kabel brukes kun ved høyt konfliktnivå i traseen

Sentralnett • 132 k. V til 400 k. V 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

Svært høye spenninger • Det bygges linjer med spenning opp til 800 k. V 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-toback

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

Komponenter i overføringslinjer • • Line/leder Stolper Isolatorer tilbehør

Overføringslinjens komponenter • Liner/ledere vanligvis Fe. Al – 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

Master/stolper

Liner

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

Korona • Linjer med høy spenning (over 132 k. V) 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

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

Lyn

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

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

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 k. V, vil strømmen tilsvare 2 k. A • Bølgen reduseres etterhvert pga resistansen i linja og koronatapene

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

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

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 k. V avledere på en stasjon med utstyr som tåler 550 k. V

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

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

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

Typisk impulsspenning

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

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 forbrukerne

System

Overføringslinjens formål • • • Overføre aktiv effekt Reaktiv effekt bør holdes så lav som mulig Følgende krav må oppfylles: 1. Så lik spenning som mulig over hele linjens lengde og ved varierende belastning 2. Så lave tap som økonomisk mulig 3. Linetemperatur under tillatt grenseverdi • Kapasitanser eller spoler må om nødvendig brukes for å holde disse kravene

Elementer i en linjemodell • • • Induktans Kapasitans Resistans Innspenning Belastning

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 2 XC i hver ende av modellen • Dette gir en god tilnærming for å regne på linjer med lengde under 250 km

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

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

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

Resistiv linje • Pmax = ES 2 / 4 R • 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

Induktiv linje • Pmax = ES 2 / 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 resistiv linje kan overføre

Kompensert induktiv linje • Pmax = ES 2 / 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

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

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

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

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, 61, 5 ganger den verdien vi får av formelen

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

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

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

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

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