Vilka konsekvenser kan solstormar ha för elförsörjningen? ö Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation (IEA) LTH
Händelser i litteraturen Quebec 13 mars 1989 6 miljoner kunder i 9 timmar Malmö 30 oktober 2003 50 000 kunder i 1 timme Oskarshamn 6 april 2000 Rekordström 300 A Inga kunder drabbade d Hundreds of Fukushimas J. Kappenmans scenario Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 2
Översikt Geomagnetiskt inducerade strömmar GIC Inverkan av GIC på komponenter i elsystemet Konsekvenser för elförsörjningen Super-scenario Åtgärder för att minska GIC och dess konsekvenser Sammanfattning Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 3
Jordmagnetiska fältet vid solstorm i B B Koronamassutkastning sker på solen Laddade partiklar når jorden Strömsystem parallella med polcirkeln Strömmens magnetfält riktat som jordens Totala aa magnetfältet e ökar/minskar a Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 4
Kraftsystemets komponenter Transformator Transformator Generator Kraftledning I kraftverkets generator skapas trefas växelspänning I en transformator omvandlas ca 20 kv till 400 kv Elnät med 400 kv kraftledningar överför effekt Transformatorer sänker spänningen i flera led, t.ex. 400 kv 130 kv 20 kv 400/230 V i hushållet Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 5
Jordning Transformator Transformator Generator Kraftledning Transformatorer och generatorer är jordade d Begränsar spänningen vid fel Normal trefas växelström summeras till noll Endast vid felfall går (växel)ström i jordanslutningarna Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 6
Geomagnetiskt inducerade strömmar GIC Generator Kraftledning Transformator e Solstormar ändrar jordens magnetfält Inducerade spänningen d e dt Geomagnetically induced d current GIC Varierar långsamt nästan likström (några V/km) driver ström Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 7
Var flyter GIC? I både transformatorer och kraftledningar Minst i mitten av system och mest i utkanten På alla spänningsnivåer i med direktjordning d i Mest på högre spänningsnivåer med lägre motstånd Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 8
GIC ger magnetisk mättning i transformator Flöde utanför kärnan Upphettning skada Problem 1 GIC t i t Transformator i Salem kärnkraftverk USA, 1989 Strömmens medelvärde ökar Drar mer reaktiv effekt Problem 2 Strömmen inte sinus Övertoner i strömmen Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 9
Skyddssystem kan påverkas av GIC Reläskydd detekterar onormal situation och kopplar bort Skyddsobjekt: Kraftledning, transformator, generator Onormal situation: kortslutning fas-fas, jordfel fas-jord Vardagsexempel: Jordfelsbrytare (JFB) i hemmet Detektering bygger på 50 Hz grundton JFB: summan av strömmar i faser och nolla Mättningsövertoner t kan tolkas som fel bortkoppling 100 Hz karaktäristisk för mättning kan blockera bortkoppling Skydd ska koppla bort alla fel men bara fel GIC kan ge oönskad bortkoppling Problem 3 Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 10
Bortkoppling av enstaka komponent I stadsnät endast en väg för effekten till varje förbrukare Varje bortkoppling ger strömavbrott Omkoppling till reservväg återställer inom minuter På landsbygd saknas reservväg men färre drabbas Regionnät och Svenska Kraftnäts stamnät är maskade Bortkoppling av en komponent påverkar inte förbrukare Transformatorskada kan vara besvärlig Reserver begränsade och nyproduktion tar tid Kraftverkstransformator ekonomiskt betydelsefull Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 11
Bortkoppling av många komponenter Driften av stamnät med regionnät kan bryta samman Bortkoppling av många komponenter överbelastar övriga Korrekta skyddsfunktioner ger kaskadeffekt Brist på reaktiv effekt ofta avgörande Resultat: Geografiskt omfattande elavbrott Exempel: Quebec 1989 (GIC), Sverige, USA, Italien 2003 Utan skador tar återuppbyggnaden av driften några timmar Viktigt träna sekvens av åtgärder De flesta kraftverk behöver el från nätet för att starta Fördröjd återuppbyggnad besvärlig Tömd batteribackup drabbar fjärrmanöver, mobilnät Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 12
Många skadade transformatorer Förlust av kraftverkstransformatorer Minskar tillgänglig elproduktion Källa: Styrel, Energimyndigheten Förlust av transformatorer t i nätområdes inmatningar i Minskar tillgänglig effekt i området Effektbrist kan föranleda elransonering Prioritering förberedd genom Styrel Nationell, regional eller lokal nivå Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 13
Hundreds of Fukushimas hur troligt case? Super-GIC värst i öst och väst Skadar transformatorer i alla kärnkraftverk Blackout Mycket utdragen återställning drabbar hela samhället Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 14
Blockera eller minska inverkan av GIC Kondensatorer blockerar likström och GIC Seriekondensatorer i norrlandsledningar Jordning med resistans Transformatorer kan tåla mer GIC Olika konstruktioner olika känsliga Kraftig dimensionering minskar risk för mättning Patentlösning tlö kompenserar bort inverkan av GIC Källa: ABB Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 15
Kontrollrummets roll i samband med GIC Källa: E.ON Minska belastning av nätet Så många ledningar i drift som möjligt Sätt in resurser som ger reaktiv effekt Förbered återuppbyggnad Simulatorträning Nyckel till förberedelser: Övning och prognoser Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 16
Slutsatser Geomagnetiskt inducerade strömmar ger likström Kan mätta transformatorer och påverka skyddssystem Förlust av en/flera komponenter olika avgörande Inverkan på elförsörjningen i olika tidsskalor min: Lokalt elavbrott som avhjälps genom omkoppling timmar: Regionalt elavbrott kräver återuppbyggnad dygn: Effektbrist t som hanteras med Styrel Åtgärder för att minska inverkan av GIC Val av utrustning och inställningar Tränad kontrollrumspersonal med prognoser Vad händer vid 500-årsstorm som Carringtons 1859? Lunds universitet/lth/mie/industriell Elektroteknik och Automation/Olof Samuelsson 17