Kraftledningar och elnät. Olof Samuelsson / Jonas Johansson Industriell Elektroteknik och Automation

Transkript

1 Kraftledningar och elnät Olof Samuelsson / Jonas Johansson Industriell Elektroteknik och Automation

2 Kraftledningar och elnät = ~

3 Översikt Kraftledningsstolpen Kabel Effektöverföring Transformatorn Transmission Distribution HVDC Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 6

7 Transformatormodell R 1 X 1 X 2 R 2 R m X Ideal m N 1 N 2 transformator R1, R2 lindningsförluster X1, X2 läckflöden Rm magnetiseringsförluster (järnförluster) Xm huvudflöde (magnetisering kärnan) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 7

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

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

10 Ström Fasledaren Designfaktorer Aluminium (God ledare) Stål (God mekanisk styrka) Skin-effekt (strömförträngning) Maxström Tvärsnittsarea Uppvärmning Vind och is Ferral-ledare Nerhängning Draghållfasthet Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 10

11 Ekonomisk fasledardimension Årlig kostnad/km Totalt Anläggningskostnad Tvärsnittsarea A RI 2 -förluster Ekonomiskt optimum Area A Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 11

12 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 Olof Samuelsson 12

13 Spänning Stolpen Designfaktorer E-fält, B-fält Utseende Kraftledningsgata Stolphöjd Geometri Blixtnedslag Topplinor (jordpotential) Portalstolpe 400 kv Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 13

14 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 Olof Samuelsson 14

15 B-fält under kraftledning B (t,r) 0 i(t) 2 r e B 0 = (Vs/(Am)) i(t) ström (A) r avstånd (m) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 15

16 Fält från trefasig kraftledning B (t,r) 0 i(t) 2 r e B r e B2 e B3 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 Olof Samuelsson 16

17 B-fält B t, r) ( 0 i( t) 2 r 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 Olof Samuelsson 17

18 E-fält Avstånd Avtar som 1/r Högst vid fasledarna (därför undviker fåglar dem?) Spänning Växelspänning Trefas Max(abs(E tot )) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 18

19 Kraftledningsgata Sverige: 1000km 2 Begränsad Skötsel Ängsmark Biologisk mångfald! Nyckeltal MW/m bredd Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 19

20 Svensk designstolpe till Åre Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 20

21 Ledningsmodell R X X>10R@ 400 kv G 2 C 2 C 2 G 2 Egentligen /km etc. Viktigast X seriereaktans [ ] Mellanviktig R ledarresistans [ ] Mellanviktig C kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [ -1 ] Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 21

22 Skruvning av fasledare Symmetri Faserna lika Mitt Ytterläge Byt plats Skruvning Transponering Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 22

23 Kabel Ledare isolerade Från varandra Från blixt, snö, träd Nedgrävd Stadsmiljö Hängkabel Landsbygd Enkelledare Trefaskabel Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 23

24 Kabelmodell R X G 2 C 2 C 2 G 2 Mellanviktig X seriereaktans [ ] Mellanviktig R ledarresistans [ ] Viktigast C kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [ -1 ] Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 24

25 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 Olof Samuelsson 25

26 Friledning vs kabel Relativt billig att anlägga Svårt få bygglov Oskyddad mot väder Väderfel händer Materialfel ovanliga Enkelt felsöka Enkelt reparera Dyrare att anlägga Lättare få bygglov Väl skyddad mot väder Väderfel ovanliga Materialfel vanligare Svår felsöka Svår reparera Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 26

27 Orkanen Gudrun 8 jan 2005 Operation Gudrun 505 manår på sex veckor 2000 mil ledning skadad och repareras 220 mil ledning ersätts provisoriskt Som jämförelse moderniserade Sydkraft 120 mil 2004 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 28

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

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 Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 31

32 Dubbla antalet fasledare Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 33

34 Infrastrukturer Vägnät Kraftnät Överbrygga avstånd Nå adresser Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 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 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 35

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

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

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

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

40 High Voltage Direct Current Baltic Cable förbinder Sverige med Tyskland Stationen i Arrie vid Svedala byggd 1994 Elenergiomvandling med kraftelektronik HVDC classic med tyristorer Transmission typiskt 400 kv DC, 600 MW Ultra HVDC 800 kv DC HVDC Light med transistorer T & D, kv DC, MW Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 40

41 Varför HVDC? ~ = = ~ Långa avstånd AC-kabel ej möjlig (för mycket reaktiv effekt) Luftledning DC billigare än trefas AC 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 Olof Samuelsson 41

42 HVDC i Norden Existerar På gång Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 42

43 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 Olof Samuelsson 43

44 Sydvästlänken Hallsberg-Barkeryd AC Barkeryd-Hurva DC Struken: Barkeryd-Oslo DC DC Transistorteknik Markkabel se skyltar längs E4 2x700 MW (jmf Barsebäck) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 44

45 AC 30 m och DC 30 cm För det som blev DC fanns AC inledningsvis som alternativ 400 kv AC luftledning, högst kapacitet MW & Mvar +/- 300 kv HVDC light markkabel, styrbar effekt Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 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 Olof Samuelsson 46

47 Sammanfattning Friledning Många faktorer styr stolpdesign Kabel Färre störningar, maxlängd, grävning Magnetfält från kraftledningar Avtar med 1/r Överföringskapacitet Höj U, sänk X Transformator Ger fritt val av spänning Olikheter transmission och distribution Stora HVDC-planer Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 47

48

49 Sydvästlänken AC tidplan Samråd 1890 remissvar Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 49