Kraftledningar och elnät. Industriell Elektroteknik och Automation

Transkript

1 Kraftledningar och elnät Industriell Elektroteknik och Automation

2 Översikt Högspänning Transformatorn Kraftledning Luftledning Kabel Effektöverföring Transmission Distribution HVDC Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 3

3 Högspänning lönsamt I R x I R x V 1 /V 2 V 2 >>V 1 V 2 /V 1 Verkningsgrad η = P ut P in Sänker strömmen och RI 2 -förluster Vinst trots transformeringsförluster Ex G4.1 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 4

4 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 5

5 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 6

6 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 7

7 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 8

8 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 9

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

10 Typer av elnät i Sverige Spänningsnivå Oisolerad luftledning [km] Isolerad luftledning [km] Jordkabel [km] Total längd [km] 0,4 kv kv - 20 kv kv kv kv > 130 kv Källa: Energimarknadsinspektionen 2016 Längst ledningsnät på låg- och mellanspänning Störst andel jordkabel på låg- och mellanspänning Regionnät 50 kv nästan uteslutande luftledning Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 11

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 12

12 Ekonomisk fasledardimension Årlig kostnad/km Totalt Anläggningskostnad Tvärsnittsarea A RI 2 -förluster Ekonomiskt optimum Area A Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 13

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 14

14 Spänning Stolpen Designfaktorer E-fält, B-fält Utseende Kraftledningsgata Stolphöjd Geometri Blixtnedslag Topplinor (jordpotential) Portalstolpe 400 kv Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 15

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 16

16 B-fält under kraftledning B (t,r) 0i(t) 2 r e B 0 = (Vs/(Am)) i(t) ström (A) r avstånd (m) Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 17

17 Fält från trefasig kraftledning B (t,r) 0i(t) 2 r e B m r e B2 e B3 P 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 18

18 B-fält 0i( t) B( t, r) 2 r Källa: Fingrid e B Avstånd Avtar som 1/r Ström Växelström Trefas Max(abs(B tot )) Riktvärden 100 T (EU) 0.2 T (Sverige) jmf Hårfön ca 1-10 T Ex G4.2 Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 19

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 20

20 Kraftledningsgata Sverige: 1000 km 2 Begränsad Skötsel Ängsmark Biologisk mångfald! Nyckeltal MW/m bredd Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 21

21 Nytänkande E14 vid Åre Källa: Bystrup Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 22

22 Ledningsmodell R X G 2 wc 2 wc 2 G 2 Viktigast induktans X [W/km] Mellanviktig ledarresistans R [W/km] Mellanviktig kapacitans wc [W -1 /km] Minst viktig coronaförluster G [W -1 /km] Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 23

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 24

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 25

25 Kabelmodell R X G 2 C 2 C 2 G 2 Mellanviktig X seriereaktans [W] Mellanviktig R ledarresistans [W] Viktigast C kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [W -1 ] Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 26

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 27

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 28

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 29

29 Andel per ledningstyp Andel per ledningstyp Kabelfiering i distributionsnäten 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Oisolerad luftledning Isolerad luftledning Jordkabel 30% 20% 100% 10% 90% 0% % 70% Lågspänning 60% 50% 40% 30% Oisolerad luftledning Isolerad luftledning Jordkabel 20% 10% 0% Mellanspänning Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 30

30 Långdistans effektöverföring V s =V s q s V m =V m q m P s =V s V m /X sin(q s -q m ) Q s =V s2 /X-V s V m /X cos(q s -q m ) P max =V s V m /X Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 31

31 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 32

32 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 33

33 Dubbla antalet fasledare Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 34

34 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 35

35 Infrastrukturer Vägnät Kraftnät Överbrygga avstånd - Transmission Nå adresser - Distribution Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 36

36 Transmission Överbrygga avstånd 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 37

37 Distribution Nå adresser Avstånd några km Effekt kw till några MW 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 38

38 Radiellt nät Distribution Trädform En inmatning Många uttag Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 39

39 Maskat nät Transmission Maskning Flera inmatningar Många uttag Många strömvägar Tillförlitlighet Inget ensamt ledningsfel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 40

40 Mellanting Bygg maskat Driv radiellt Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Snabb omkoppling Stadsnät Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 41

41 High Voltage Direct Current (HVDC) ~ = = ~ 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 42

42 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 43

43 HVDC i Norden Existerar På gång Lunds universitet/lth/bme/iea - Elenergiteknik 44

44 HVDC-tekniker Sydvästlänkens omriktarstation i Hurva invigs 2016 (driftsättning våren 2018?) 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 45

45 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 46

46 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 47

47 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 48

48 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 -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 49

49