Kraftledningar och elnät Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation
Översikt Kraftledningsstolpen t l Kabel Effektöverföring Transformatorn Transmission Distribution HVDC Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 2
Kraftledningar och elnät = ~ Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 3
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 Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 4
Räkneexempel U h =400 kv, I=1 ka, cos =0.866 P överförd = A=600 mm 2, R=0.03 03 /km: radie P förlust = Samma ledning och P överförd vid 400 V: P förlust? Samma P överförd och P förlust vid 400V: Radie? Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 5
Kraftledningen Typ Friledning Belagd ledning Hängkabel Kabel Överföra effekt Spänning Ström Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 6
Ström Fasledaren Designfaktorer Aluminium Stål Skin-effekt (strömförträngning) Maxström Tvärsnittsarea Uppvärmning Vind och is Ferral-ledare Nerhängning Draghållfasthet Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 7
Ekonomisk fasledardimension Årlig kostnad/km Totalt Anläggnings- kostnad Tvärsnittsarea A RI 2 -förluster Ekonomiskt optimum Area A Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 8
Spänning Isolation Tallriksisolator i isolatorkedja som fäst i stolpe (jordpotential) bär fasledare Spänningsisolation Avstånd Salt/fukt Portalstolpe 400 kv Längd isolatorkedja Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 9
Spänning Stolpen Designfaktorer E-fält, B-fält Utseende Kraftledningsgata Stolphöjd Geometri Blixtnedslag Topplinor (jordpotential) Portalstolpe 400 kv Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 10
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 Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 11
B-fält under kraftledning B (t,r) 0 i(t) e B 2 r Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 12
Fält från trefasig kraftledning B(t 0 i(t) 1 2 3 (t, r) 2 r e B r 18.4 m e B2 e B3 P P e B1 Fält i 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 i e B Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 13
B-fält B (t,r) 0 i(t) 2 r e B Avstånd Avtar som 1/r Ström Växelström Trefas Max(abs(B tot )) Gränsvärden 100 T (EU) 0.2 T (Skåne län) Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 14
E-fält Avstånd Avtar som 1/r Högst vid fasledarna (därför undviker fåglar dem?) Spänning Växelspänning ä Trefas Max(abs(E tot t )) Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 15
Kraftledningsgata SE 1000km 2 Begränsad Skötsel Ängsmark Biologisk mångfald! MW/m bredd Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 16
Svensk designstolpe till Åre Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 17
Ledningsmodell R X X>10R@ 400 kv G 2 C 2 C 2 G 2 Egentligen g /km etc. Viktigast X seriereaktans [ ] Mellanviktig R ledarresistans [ ] Mellanviktig Bk kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [ -1 ] Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 18
Skruvning av fasledare Symmetri Faserna lika Mitt Ytterläge Byt plats Skruvning Transponering Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 19
Kabel Ledare isolerade Från varandra Från blixt, snö, träd Nedgrävd Stadsmiljö Hängkabel Landsbygd Enkelledare Trefaskabel Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 20
Kabelmodell R X G 2 C 2 C 2 G 2 Mellanviktig X seriereaktans [ ] Mellanviktig R ledarresistans [ ] Viktigast B kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [ -1 ] Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 21
Maxlängd AC-kabel C genererar Q C varje km P och Q genom R och X Q C ~längd, S begränsat Mindre utrymme för P Vid maxlängd (några mil) Hela kapaciteten för Q Inget utrymme för P DC fördelaktigare Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 22
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/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 23
Orkanen Gudrun 8 jan 2005 Operation Gudrun 505 manår på sex veckor 2000 mil ledning skadad och repareras 220 mil ledning ersätts provisoriskt Sydkraft moderniserade 120 mil 2004 Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 24
Kabel ersätter 10 & 20 kv friledning E.ON Krafttag 17 000 km, 10 Mdr SEK Vattenfall och Fortum genomför liknande projekt Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 25
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 s P max P max =V s V m /X ( s - m ) max =90 V s s,,v m konstanta a 1-2 Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 26
Ökad överföringskapacitet P max =V s V m /X Ledarmaterial- och dimension bestämmer I max Gö Grövre eller fler ledare Reducerar X Högre spänning Reaktiv seriekompensering High Voltage Direct Current Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 27
Höj spänningen! Högre spänningar har införts 750 kv planerat på 1970-talet 130 kv Starkare Sa aenät för kärnkraft 220 kv 1936 i Sverige och världen Provsträcka N om Mälaren Drivs idag som 2x400 kv 380 kv 1952 i Sverige och världen Justera spänningarna 380 kv blir 400 kv blir 410 kv 380 kv 750 kv Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 28
Dubbla antalet fasledare Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 29
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/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 30
Transformator Byter spänningsnivå Endast 1-2 % förluster För enfas och trefas Energiomvandling El till el via magnetisk Järn och koppar I oljefylld tank för isolering Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 31
Uppbyggnad enfastransformator Induktion bak- och framlänges MMK-balans e 1 N 1 e 2 N 2 N 1 i 1 N 2 i i 1 2 N 2 i 2 N 1 Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 32
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 Xm huvudflöde Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 33
Trefastransformator 220 V 380 V 380 V 220 V Y 110 V Delta 110 V För varje fas Primär- och sekundärlindning samma flöde Y-koppling och delta-koppling vanligast Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 34
Infrastrukturer Vägnät Kraftnät Överbrygga avstånd Nå adresser Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 35
Överbrygga avstånd Transmission i Avstånd hundratals km Effekt hundratals MW Ekonomiskt V 15 P SE: 130, 220, 400 kv Höga tillförlitlighetskrav Svenska Kraftnät äger Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 36
Nå adresser Distribution ib ti Avstånd några km SE: 10, 20, 50 kv Kommunalt elbolag (Lunds Energi) äger i staden Regionelbolag (E.ON) äger på landsbygden Stad Landsbygd 0,4 kv Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 37
Radiellt nät Distribution Trädform En inmatning Många uttag Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 38
Maskat nät Transmission Maskning Flera inmatningar Många uttag Många strömvägar Tillförlitlighet Inget ensamt ledningsfel ger strömavbrott Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 39
Mellanting Bygg maskat Driv radiellt Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Snabb omkoppling Stadsnät Modell Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 40
High Voltage Direct Current Baltic Cable Arrie vid Svedala byggt 1994 HVDC classic med tyristorer Transmission typiskt 400 kv DC, 600 MW Ultra HVDC 800 kv DC HVDC Light med transistorer T&D D, 20-400 kv DC, 50-600 MW Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 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/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 42
HVDC i Norden Existerar Planeras Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 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/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 44
Sydvästlänken Hallsberg-Nässjö AC Nässjö-Hörby DC Nässjö-Norge N DC DC Transistorteknik Markkabel 1200 MW Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 45
AC 30 m och DC 30 cm 400 kv AC luftledning, högst kapacitet MW & Mvar +/- 300 kv HVDC light markkabel, styrbar effekt Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 46
Sydvästlänken AC tidplan Samråd 1890 remissvar Tidplanen följs för Hallsberg-Nässjö Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 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/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 48
Sammanfattning Friledning Många faktorer styr stolpdesign Kabel Färre störningar, maxlängd, grävning Överföringskapacitet Höj U, sänk X Transformator Ger fritt val av spänning Transmission och distribution Stora HVDC-planer Lunds universitet / LTH/ Mätteknik och industriell elektroteknik/ IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson 49