Kraftledningar och elnät. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Transkript

1 Kraftledningar och elnät Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

2 Kraftledningar och elnät = ~

3 Översikt Kraftledningsstolpen Kabel Effektöverföring Transformatorn Transmission Distribution HVDC Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 3

4 Högspänning lönsamt I R x I R x V 1 /V 2 V 2 >>V 1 V 2 /V 1 Sänker strömmen och RI 2 -förluster Vinst trots transformeringsförluster Ex G4.1 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 4

5 Transformator Byter spänningsnivå Endast 1-2 % förluster För enfas och trefas Energiomvandling El till el via magnetiskt flöde Järn och koppar I oljefylld tank för isolering och kylning Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 5

6 Uppbyggnad enfastransformator Induktion bak- och framlänges e 1 e 2 = N 1 N 2 MMK-balans N 1 i 1 = N 2 i 2 i 1 i 2 = N 2 N 1 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 6

7 Transformatormodell R 1 X 1 X 2 R 2 R m X Ideal m N 1 N 2 transformator Lindningsförluster R1, R2 Läckflöden X1, X2 Magnetiseringsförluster (järnförluster) Rm Huvudflöde (magnetisering kärnan) Xm Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 7

8 Trefastransformator A B C A Fasläge Delta C a B V CA V AB V BC V ca V ab Y n n b V bc a b c c För varje fas Primär- och sekundärlindning på samma ben genomflyts av samma flöde Y-koppling och delta-koppling vanligast Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 8

9 Vanliga transformatorer i kraftsystemet Distributionstransformatorer 10/0.4 kv (20/0.4 kv) 50 kva 800 kva Källa: ABB Krafttransformatorer 400/130 kv, 130/10 kv, 130/20 kv, 130/50 kv, 50/10 kv, mm 10 (3) MVA 750 MVA Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 9

10 Kraftledningen Typ Friledning Belagd ledning Hängkabel Kabel Överföra effekt Ström (ledararea) Spänning (isolation) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 10

11 Ström Fasledaren Skin-effekt (strömförträngning) Maxström Tvärsnittsarea Uppvärmning Vind och is Nerhängning Draghållfasthet Aluminium ledare Stål mekanisk styrka Designfaktorer Traditionellt: ACSR= Aluminum Conductor Steel Reinforced (sv Ferral) Nytt: ACCC= Aluminum Conductor Composite Core klarar mycket högre ström Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 11

12 Ekonomisk fasledardimension Årlig kostnad/km Totalt Anläggningskostnad Tvärsnittsarea A RI 2 -förluster Ekonomiskt optimum Area A Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 12

13 Spänning Isolation Tallriksisolator i isolatorkedja som fäst i stolpe (jordpotential) bär fasledare Spänningsisolation Avstånd Salt/fukt Portalstolpe 400 kv Längd isolatorkedja Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 13

14 Spänning Stolpen Designfaktorer E-fält, B-fält Utseende Kraftledningsgata Stolphöjd Geometri Blixtnedslag Topplinor (jordpotential) Portalstolpe 400 kv Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 14

15 Spänning Fasledaren Spänning E-fält vid ledare ~1/radie Aluminium Stål Corona-effekt Ljud/ljus Öka ledardiametern Duplex eller triplex ökar evivalent radie Ferral-ledare (FeAl) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 15

16 B-fält under kraftledning B (t,r) = µ 0i(t) 2πr e B µ 0 =4π10-7 (Vs/(Am)) i(t) ström (A) r avstånd (m) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 16

17 Fält från trefasig kraftledning B (t, r) = µ 0i(t) 2πr e B m r e B2 e B3 α α P α α P e B1 Fält i punkten P = summan av bidragen från faserna 1. Olika avstånd r till P från de tre fasledarna 2. Olika i(t) i de tre fasledarna 3. De tre fältbidragen har olika riktning e B Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 17

18 B-fält B t, r) ( 0 Källa: Fingrid = µ i( t) 2π r e B Avstånd Avtar som 1/r Ström Växelström Trefas Max(abs(B tot )) Riktvärden 100µT (EU) 0.2µT (Sverige) jmf Hårfön ca 1-10µT Ex G4.2 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 18

19 E-fält Källa: Fingrid Avstånd Avtar som 1/r Högst närmast fasledarna Spänning Växelspänning Trefas Max(abs(E tot )) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 19

20 Kraftledningsgata Sverige: 1000 km 2 Begränsad Skötsel Ängsmark Biologisk mångfald! Nyckeltal MW/m bredd Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 20

21 Nytänkande E14 vid Åre Källa: Bystrup Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 21

22 Ledningsmodell R X G 2 ωc 2 ωc 2 G 2 Viktigast induktans X [Ω/km] Mellanviktig ledarresistans R [Ω/km] Mellanviktig kapacitans ωc [Ω -1 /km] Minst viktig coronaförluster G [Ω -1 /km] Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 22

23 Skruvning av fasledare ger symmetri Mitt- Ytterläge Faserna har olika induktans och kapacitans Byt plats Skruvning Även kallat transponering Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 23

24 Kabel Källa: Draka Källa: Draka (3 x) enfaskabel Trefaskabel Ledare isolerade Från varandra Från blixt, snö, träd Stad Nedgrävd Landsbygd Nergrävd eller nerplöjd Hängkabel Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 24

25 Kabelmodell R X G 2 C 2 C 2 G 2 Mellanviktig X seriereaktans [Ω] Mellanviktig R ledarresistans [Ω] Viktigast C kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [Ω -1 ] Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 25

26 Maxlängd AC-kabel C genererar Q C varje km P och Q genom R och X Q C ~längd, S begränsat (kabelns maxström) Mindre utrymme för P Vid maxlängd (några mil) Hela kapaciteten för Q Inget utrymme för P DC fördelaktigare Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 26

27 Orkanen Gudrun 8 jan 2005 Operation Gudrun 2000 mil ledning skadad och repareras 220 mil ledning ersätts provisoriskt Som jämförelse moderniserade Sydkraft 120 mil manår på sex veckor Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 27

28 Kabel ersätter 10 & 20 kv friledning Nytt Befintligt Rasering E.ON Krafttag km, 10 Mdr SEK Vattenfall och Fortum genomför liknande projekt Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 28

29 Långdistans effektöverföring V s =V s θ s V m =V m θ m P s =V s V m /X sin(θ s -θ m ) Q s =V s2 /X-V s V m /X cos(θ s -θ m ) P max =V s V m /X Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 29

30 Ökad överföringskapacitet P max =V s V m /X Ledarmaterial- och dimension bestämmer I max Grövre eller fler ledare Reducerar X Högre spänning Reaktiv seriekompensering High Voltage Direct Current Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 30

31 Höj spänningen! Högre spänningar har införts 130 kv 220 kv 1936 i Sverige och världen 380 kv 1952 i Sverige och världen Justera spänningarna 380 kv blir 400 kv blir 410 kv 750 kv planerat på 1970-talet Starkare nät för kärnkraft Provsträcka N om Mälaren Drivs idag som 2x400 kv 380 kv 750 kv Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 31

32 Dubbla antalet fasledare Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 32

33 Reaktiv seriekompensering R jx L jx C Seriereaktans har impedans jx L Inför seriekondensator med -jx C Totalt: jx L jx C <jx L Kortare ledning 50 % kompensation Norrland-Svealand Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 33

34 Infrastrukturer Vägnät Kraftnät Överbrygga avstånd Nå adresser Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 34

35 Överbrygga avstånd Transmission Avstånd hundratals km Effekt hundratals MW Ekonomiskt V 15 P SE: 130, 220, 400 kv Höga tillförlitlighetskrav Svenska Kraftnät äger 220 kv och 400 kv Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 35

36 Nå adresser Distribution Avstånd några km SE: 10, 20, (40, 50) kv Kommunalt elbolag (t ex Kraftringen) äger i staden Regionelbolag (t ex E.ON) äger på landsbygden Stad Landsbygd 0,4 kv Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 36

37 Radiellt nät Distribution Trädform En inmatning Många uttag Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 37

38 Maskat nät Transmission Maskning Flera inmatningar Många uttag Många strömvägar Tillförlitlighet Inget ensamt ledningsfel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 38

39 Mellanting Bygg maskat Driv radiellt Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Snabb omkoppling Stadsnät Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 39

40 High Voltage Direct Current ~ = = ~ Passar långa avstånd AC-kabel ej möjlig (för mycket reaktiv effekt) Luftledning DC billigare än trefas AC Passar mellan system med olika frekvens Japan har 50 och 60 Hz Norden - kontinentaleuropa Goda styrmöjligheter jämfört med AC Kostnad för stationer dock hög Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 40

41 Tidiga HVDC-projekt i Sverige 1954 Gotland-fastlandet HVDC Luleälven-Hallsberg? Nej, 380 kv AC i drift 1952 Aktuell idag: Sydvästlänken Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 41

42 HVDC i Norden Existerar På gång Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 42

43 HVDC-tekniker Sydvästlänkens omriktarstation i Hurva invigs 2016 Elenergiomvandling med kraftelektronik HVDC med tyristorer Transmission typiskt 400 kv DC, 600 MW Ultra HVDC 800 kv DC HVDC med transistorer Transmission och distribution, kv DC, MW Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 43

44 Sydvästlänken Hallsberg-Barkeryd AC Barkeryd-Hurva DC Struken: Barkeryd-Oslo DC DC Transistorteknik Markkabel se skyltar längs E4 2x600 MW (jmf Barsebäck) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 44

45 AC 30 m - DC 30 cm För det som blev DC fanns AC inledningsvis som alternativ 400 kv AC luftledning, högst kapacitet MW & Mvar +/- 300 kv HVDC markkabel, styrbar effekt Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 45

46 Vision om nät till havs Currently existing (red), currently planned (yellow), under study (green), under study with EWEA recommendation (blue), EWEA recommended grids by 2020 (grey), and EWEA recommended grids by 2030 (orange) Source: EWEA, Oceans of opportunity, 2009 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 46

47 Sammanfattning X ggr högre spänning ger ström och förluster Friledning har luft som isolation: indikerar spänningsnivå Magnetfält från kraftledningar beror på avståndet r som Viktigast parameter i en π-modell av en 400 kv friledning är Kabel är väderskyddad men kapacitansen är och längden är För att öka en lednings överföringskapacitet kan man och Verkningsgraden på en transformator kan vara upp till DC är lämpligare än AC för och Transmission används för och har ett nät som är byggt Distribution används för och har ett nät som är byggt Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik - Ingmar Leisse 47

48