DryformerTM. en ny oljefri krafttransformator med liten miljöpåverkan

Transkript

1 DryformerTM en ny oljefri krafttransformator med liten miljöpåverkan Thomas Andersson, Stefan Forsmark, Albert Jaksts Dryformer är en ny oljefri högspänningstransformator baserad på kabelteknik. Samma teknik användes först i ABB:s nyligen presenterade högspänningsgenerator Powerformer. Dryformer är konstruerad med forcerad luftkylning och lindningar gjorda i torra polymerisolerade kablar med cirkulära ledare och för primära spänningar från 36 till 145 kv och effektområden upp till 150 MVA. Frånvaron av olja betyder att det finns ingen risk för mark- eller vattenföroreningar vid händelse av skada. Den nya uppfinningen är också mindre känslig för brand och explosion. Dryformer kan därför placeras närmare förbrukaren, till exempel underjordsstationer och i tätorter med ekologiskt känsliga omgivningar. Eftersom det elektriska fältet helt hålls inom kabeln, vars yttre skikt jordas, erbjuder Dryformer nya unika möjligheter till en optimerad transformatorkonstruktion. D ryformer är en ny torr transformator som helt bryter mot traditionerna i branschen. Den är baserad på samma kabelteknik som Powerformer [1], ABB:s banbrytande högspänningsgenerator, och är uppbyggd av runda ledare som får ett jämnt fördelat elektriskt fält runt omkretsen. Innovationer Rektangulära ledare används för lindningar i konventionella krafttransformatorer i syfte att maximera strömmen. Denna utformning orsakar en ojämn fördelning av det elektriska fältet med höga värden i hörnen. För att minimera förlusterna har ledarna transponerats i en förutbestämd form. Komplicerade presspanbarriärer placeras vid lindningsändarna för att skärma av det elektriska fältet mot närliggande jordade delar. I enlighet med Maxwells ekvationer är den cylindriska ledaren den form som skapar ett homogent elektriskt fält 1. ABB tidning 3/

2 Transmission and Distribution 1 Runda mot fyrkantiga ledare: i enlighet med Maxwells ekvation är det elektriska fältet likformigt kring en rund ledare, XLPEkabel (till vänster), och det finns inga partielle urladdningar (pappersisolerade ledare, till höger). E Elektriskt fält Med moderna isolermaterial och Kabeln tillverkningstekniker kan idag 500 kvkablar tillverkas för belastningar upp kabeln som används i Dryformer Som redan nämnts är den isolerade till 15 kv/mm. Konventionella ledare mycket lik en vanlig kraftkabel med i med rektangulär uppbyggnad, isolerade med oljeindränkt cellulosa, tillåter den inre ledaren finns ett halvledande princip samma uppbyggnad. Kring inte sådana belastningar. skikt som sedan täcks av ett isolerande Den moderna kabeln har ett yttre PEX-skikt. Utanpå PEX-isolationen halvledande skikt som förblir jordat. läggs ytterligare ett halvledande skikt. Fältet är därmed helt inneslutet i Ledaren är vanligen koncentriskt kabeln, och det öppnar nya vägar för lagd, där en central kardel omges av mekanisk och elektrisk utformning av lindade kardelar, normalt 6, 12, 24, 30, transformatorerna samt nya designmöjligheter. motsatt riktning mot 36 eller 42 st. Varje lager läggs på i föregående. Historik Dagens tranformatorteknik har sina rötter i experiment genomförda i enfas distribution i Ungern i början av 1880-talet. Vid slutet av samma årtionde såldes dessa på olika platser i världen. Den huvudsakliga uppgiften var att förse lokala belysningsnät med kraft i några större städer. Första trefassystemet med trefastransformator togs i drift vid Hällsjön i ett 9,6 kv-system Alla de tidiga transformatorerna var av torr typ, dvs. de hade inte oljekylning. Olja kom till användning första gången omkring 1906 när transformatorer skulle byggas för spänningar högre än 20 kv. Oljan används fortfarande i konventionella transformatorer nära ett århundrade senare. Den tekniska utvecklingen har emellertid möjliggjort spänningar så höga som 800 kv och effekter över 1000 MVA. Befintliga torra transformatorkoncept har nått spänningar upp till 36 kv. Det yttersta halvledande lagret förblir jordat. Detta innebär ett antal fördelar. För det första är det ingen risk för partiell urladdning eller koronafenomen någonstans i lindningen. För det andra ökar personsäkerheten väsentligt, eftersom transformatorns hela yta är jordad. Nytänkande vad gäller transformatorernas utformning Den elektriska och mekaniska konstruktionen av en konventionell krafttransformator är ett komplext arbete, delvis beroende på den hänsyn som måste tas till de elektriska och magnetiska fälten, men även temperaturer och mekaniska krafter, som i konventionella transformatorer har en avgörande påverkan på varandra. Eftersom det elektriska fältet är inneslutet i kabeln i Dryformer, kan konstruktionsparametrar som avstånd mellan lindningar och mellan ledare behandlas var för sig. Med eliminerade elektriska avstånd behöver man nu endast koncentrera sig på tillräckligt utrymme för effektiv kylning i lindningen. Dessutom tar uppfinningen bort en av de mest kritiska aspekterna i konventionella transformatorer - behovet 60 ABB tidning 3/2000

3 av att begränsa det elektriska fältet mot jordade delar som låda och kärna. Eftersom fältet är helt inneslutet i kabeln, finns inget behov av att styra fälten i lindningsändarna, som är fallet för den oljekylda transformatorn. Då transformatorn är ansluten till ett direktjordat system ökar den inducerade spänningen gradvis längs högspänningslindningen från nollpunkten. Man har då möjlighet att använda tunnare isolering i de första varven och stegvis öka isoleringens tjocklek. Ett sätt att göra det och samtidigt utnyttja transformatorkärnans volym bättre är att använda sig av kablar med olika diametrar längs lindningens längd. Temperaturen i Dryformer kan lätt mätas direkt på lindningar och kärna 2. Dryformer kan kontinuerligt överbelastas tills temperaturen i den hetaste lindningen når konstruktionstemperaturen 70 C. Till och med högre temperaturer kan tillfälligt tillåtas på upp till 80 C. Principen för kylningen är baserad på tanken om 100 % redundans. Om till exempel en fläkt behövs för att hålla temperaturen under 70 C vid full last, så levereras transformatorn med två separata identiska fläktsystem. Om temperaturen överstiger dessa 70 C händer två saker: en alarm sänds till kontrollrummet, och det andra fläktsystemet startas automatiskt för att hålla transformatorn väl under den tänkta temperaturen. Användning av två fläktsystem gör det också möjligt att överbelasta transformatorn under flera timmar. Varje fläktsystem kan också levereras med frekvensstyrd varvtalsreglering ofta komplicerade lindningen. Det är med pappersisolation och utför den för att reducera fläktarnas effektkonsumtion vid låg last och låg omgivring av kabeln i en Dryformer förenk- lätt att se hur tillverkning och hanteningstemperaturlar konstruktions- och produktionsprocessen. Nya tillverkningstekniker Den isolerade kabeln i en Dryformer är redan provad i kabelfabriken Kärnan i en Dryformer är tillverkad som den i en konventionell transformator. Skillnaden är att korrosions- inför ett relativt enkelt lindningsarbete. och ställer transformatortillverkaren hämmande färg stryks på den färdiga Att eliminera cellulosabanden och kärnan för att kompensera för frånvaron av olja. minskar radikalt. oljan gör att riskerna vid montering Skillnaden mellan en Dryformer Enklare produktionsprocess och att och en konventionell transformator ligger främst i lindningen. För en konken håller också leveranstiderna korta. kabeln redan är provad vid kabelfabriventionell transformator är lindningen Just det faktum att Dryformer inte den mest känsliga delen av tillverkningen. Tränad och van personal hanpad för användning i tätbefolkade innehåller olja, gör den speciellt lämterar för hand de oskyddade ledarna områden. Dryformer gör det möjligt 2 Forcerad luftkylning används. Ett fläktsystem finns för kontinuerlig belastning, det andra för systemets redundans. En varvtalsreglering för fläkten håller nere energiförbrukningen vid låg belastning och låg omgivningstemperatur. ABB tidning 3/

4 Transmission and Distribution 3 Dryformer ger konstruktörer, kraftbolag och användare samt politiker frihet att välja läge och gör det lättare att leva upp till miljökraven. för kunder att placera transformatorn på en för nätet optimal plats 3, samtidigt som den inte påverkar miljölagar eller miljöskydd. Ställverken kan utformas och konstrueras helt oberoende av transformatorn. Nya möjligheter för kostnadsreducering är inom räckhåll när ställverket planeras och konstrueras, då enklare brandskyddsutrustning kan användas och någon oljehantering inte längre behövs. Eftersom Dryformer kan anslutas direkt till ett befintligt kabelsystem, är det också möjligt att den placeras närmare distributionssystemet. Generellt sett kan transformatorn placeras just där den behövs, dvs. där kraft ska konsumeras, inuti eller utanför byggnader, ovan mark eller under jord, även utanför en konventionell kraftstation. Genom att ta högspänningen närmare slutlig användning reduceras distributionskostnaderna, eftersom förlusterna minskar radikalt, samtidigt som kostnaderna för kraftledningar och kabelsystem minskar. Tabell: Reducerade förluster vid användning av Dryformer 5 km närmare slutanvändarna (se 4 ), här visad i minskade emissioner (kg/30 år) i olika länder CO 2 SO 2 NO x Sverige 345,400 2, Kanada 1,870,000 8,400 4,700 Danmark 8,180,000 34,700 21,000 USA 5,601,000 21,500 14,000 Fördelen med att placera en transformator i tätorter illustreras i 4a, där Dryformer installeras 5 km närmare förbrukningen. Genom den flytten kan 69 kv-kabeln (i stället för en 24 kvkabel) dras direkt till sin förbrukare, vilket minskar belastningsförlusterna i nätet 4b. Detta ger besparingar under en period av 30 år av totalt 8,5 GWh eller 280 MWh per år, transformatorförlusterna inte inberäknade. De sparade förlusterna kan också uttryckas i termer av reducerade utsläpp (tabell). Ingen av riskerna relaterade till olja, nedsmutsning av miljön, brand och explosion föreligger. Frånvaron av olja betyder även att högspänningstransformatorer kan placeras i närheten av vatten. Vattenkraftstationer och vattenreningsanläggningar är andra känsliga områden. En ytterligare fördel med att hålla oljan borta och att de elektriska fälten hålls inom kabeln är att de vanliga ris- 62 ABB tidning 3/2000

5 kerna med att placera en högspänningstransformator i höga byggnader är eliminerade. Användningen av högspänningskablar och kabelskarvar i stället för luftledningar i tätorter tar också bort de risker som kan finnas i att utsättas för elektriska fält och de störningar som kan uppkomma med det. Underhåll Tack vare färre komponenter fordrar Dryformer minskat underhåll och erbjuder högre tillgänglighet än konventionell teknik. Frånvaron av olja ger förutom kortare installations- och anslutningstider även den fördelen att följdverkningarna i samband med brand och explosion minskar. Miljöpåverkan Skydd mot miljöpåverkan har alltid varit ett huvudargument för de oljefria transformatorerna. För att göra en total översikt över miljöpåverkan från en produkt eller ett system, från råämne över produktion och användning till skrotning och återvinning har en LCA (Life Cycle Assessment) gjorts. Denna jämförelse mellan konventionell teknik och Dryformer, vid motsvarande prestanda, visar tydligt att den nya kabeltekniken är mer miljövänlig. Ekonomisk påverkan Det är standardpraxis att analysera ett ställverks ekonomi innan investeringar görs i kraftutrustningar. En sådan analys ska belysa investerat kapital, vinster, driftkostnader och räntekostnader m.m. En typisk sådan metod är LCC och LCP (Life Cycle Cost och Life Cycle Profit). Beroende på dagens transformatorteknik, har olika leverantörer en ten- 4 Minskade förluster med Dryformer. Att placera ett ställverk och en krafttransformator 5 km närmare distributionssystemet och slutanvändarna, gör dels att 69 kv-kabel kan användas (i stället för 24 kv) (a). Beräknad över en 30 års period är den totala besparingen 8,5 GWh, eller 280 MWh per år (b). Förluster GWh (30 år) 69 kv 69 kv a 24 kv-kabel ~(5 km) Förluster GWh (30 år) 69 kv b 69 kv-kabel ABB tidning 3/

6 Transmission and Distribution dens att erbjuda liknande prestanda. Dryformer erbjuder fördelar utöver en konventionell transformator. Detta gör det speciellt viktigt att se till alla kostnader och besparingar. Följande kostnadsfaktorer måste beaktas från fall till fall: Kostnader relaterade till ställverket, t.ex. geografiskt läge, layout och frånvaron av olja etc. Skydd och övervakning Installation Brand och explosionsskydd Förluster Tillgänglighet (MTBF 1 ) och MTTR 2 ) Miljöpåverkan Alternativa lösningar kan finnas i varje fall. En kostnadsmodell har tagits fram för Dryformer, som gör det möjligt att kalkylera den totala besparingen i varje enskild affärssituation. Optimerade funktioner En transformators kravspecifikation kan idag fortfarande vara baserad på hur ett system såg ut för 10 till 20 år sedan. Dryformer erbjuder nya lösningar för att optimera inte bara transformatorn, utan även det system inom vilket den ska arbeta. Elektrisk konstruktion Som option kan ABB optimera en Dryformer för befintliga system. Detta 1 MTBF = Mean Time Between Failures 2 MTTR = Mean Time To Repair inkluderar värdering av det nuvarande systemets behov vad gäller: Märkeffekt Märkspänning Spänningsreglering (antal steg och stegspänning) Isolationsnivåer Kortslutningsimpedans Förlustvärdering Ljudnivå Mekanisk konstruktion Optimering av transformatorns mekaniska funktioner är en annan möjlighet med Dryformer. En optimering kan behövas när till exempel den äldre transformatorns kravspecifikation inte når upp till nya krav i det nya ställverket, eller då ett speciellt utförande krävs för en speciell placering. Möjligheterna innefattar bl.a.: Ett enhetligt utseende för inomhuseller utomhusplacering av kapslingen Speciell placering av kylsystem Speciell placering av lindningskopplare och kabelavslut m.m. Ny lindningskopplare och kabelavslut på väg Medan de första enheterna har levererats för applikationer som inte behöver lindningskopplare, utvecklas en ny torr typ av lindningskopplare samt en ny typ av kabelavslut. Dessa kommer att presenteras vid senare tillfälle. Framtiden Den första Dryformer i kommersiell drift installerades i december 1999 i Lottefors Kraftstation nära Arbrå, en vattenkraftstation ägd av Birka Energi. Enheten som är dimensionerad för 20 MVA och 140/6,6 kv är belägen i ett litet URBAN-ställverk. URBAN-konceptet utvecklades som ett inomhusställverk med spänningar upp till 170 kv. Anslutningarna görs via kablar i stället för luftledningar. Den andra enheten (16 MVA 78/11 kv) ska installeras i Stora Energy vattenkraftstation vid Ljusnan. Författare Thomas Andersson Stefan Forsmark ABB Transformers AB Box 72 SE Ludvika thomas.h.andersson@se.abb.com stefan.forsmark@se.abb.com Telefax: +46(0) Albert Jaksts ABB Corporate Research SE Västerås albert.jaksts@se.abb.com Telefax: +46 (0) Referens [1] M. Leijon: Powerformer radikalt nytänkande bakom ny elektrisk maskin. ABB Tidning 2/98, ABB tidning 3/2000