> l\\ ' /, Mi Generaldirektören Strålsäkerhetsmyndigheten 17116 Stockholm stralsakerhetsniyndiglieten@ssm.se 2013 04 05 2013/391 YTTRANDE Information om magnetfältsnivåer under la-aftledningar (SSM2013 1207) Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM) har 2013 02 28 begärt information om hur starka magnetfälten momentant kan bli vid stamnätets växelströmsledningar. Begäran avser kraftledningar som förvaltas av Svenska Kraftnät och där allmänheten kan vistas. 1 Allmänt Det är inte helt enkelt att ange hur starka magnetfälten momentant kan bli under la aftledningar. Redan att avgöra vilket strömvärde som ska användas i beräkningarna av det teoretiskt högsta magnetfältet är svårt och kräver en djup förståelse för hur la aftsystemet tekniskt dimensioneras och drivs från ett driftsäkerhetstekniskt perspektiv. I detta yttrande söker Svenska Kraftnät beslaiva de parametrar som avgör vad som är högsta möjliga strömvärde i en ledning. Därefter följer ett teoretiskt exempel på magnetfält vid en 400 kv ledning i standardutförande. Beräkningen är gjord utifrån den strömlast som är dimensionerande, när Svenska Kraftnät bygger nya ledningar eller byter ut komponenter i befintliga ledningar. 2 Magnetfält vid kraftledningar 2.1 Magnetfältets storlek Det beräknade och uppmätta magnetfältet under en typisk lo aftledning bestäms i huvudsak av tre parametrar. De är det horisontella avståndet mellan kraftledningens
faslinor, det vertikala avståndet från faslinorna till den punkt där magnetfältet mäts eller berälaias (normalt 1-1,5 meter över mark) samt strömmen i faslinorna. De två förstnämnda parametrarna följer av kraftledningens geometriska dimensioner och konstruktion. Det horisontella avståndet mellan faslinorna varierar något efter en lednings sträcloiing. Även faslinornas lägsta höjd över mark kan variera mellan ledningens stolpar. Faslinornas höjd över mark - i ledningsspannen mellan stolparna - bestäms av stolparnas höjd, markens profil under ledningen och strömmen i ledningen. Lägsta tillåtna spannhöjd utanför och innanför detaljplanelagt område är enligt Elsäkerhetsverkets föreskrifter 7,8 respektive 8,8 meter. Den viktigaste och avgörande parametern för magnetfältets storlek är strömmen 1 faslinorna. Denna varierar kontinuerligt och bestäms vid varje tidpunkt av aktuell överföring i ledningen. Variationen i en lednings momentana strömlast kan vara mycket stor och skiljer sig mellan olika ledningar. Den medelvärdesbildade strömmen över längre tidsperioder, exempelvis ett år, är normalt ganska stabil. Värdet kan dock variera mellan olika ledningar. 2.2 Magnetfältsvärden I specifika ledningsprojekt, t.ex. koncessionsärenden, beräknar Svenska Kraftnät normalt magnetfältsvärden utifrån det årsmedelströmvärde som kan prognosticeras för ledningen i fråga. Figur 5.3 i remissen (2010/1270) baserades på den prognosticerade årsmedelströmmen för den nya ledningen och uppskattade strömmar vid ett felfall för de två parallellgående ledningarna. Figuren ska därför inte tolkas som ett normalt utfall som är representativt för hela året. För att i utredningsskedet inte riskera att presentera för låga magnetfältsniväer valdes tidigare höga strömmar i ett "värsta fall" scenario. Svenska Kraftnät har sedan dess utvecklat och förfinat verkets arbetssätt vid beräkning av årsmedelströmlaster. Numera berälaias årsmedelströmmar på grundval av en marknadsmodell som simulerar årets 8 760 timmar givet olika scenarier. Dessa årsmedelströmmar ligger därefter, tillsammans med historiska strömmar, till grund för de magnetfält som berälaias. I informationsmaterial anges, av lätt insedda skäl, mer generella värden på de magnetfält som kan uppstå. Här utgår Svenska Kraftnät normalt från strömvärdet 2 000 A. Detta är nämligen den övre gränsen för vad verket bedömer som ett sannolikt/möjligt årsmedelströmvärde för cn 400 kv-ledning i det svenska stamnätet.
I den broschyr "Magnetfält och hälsorisker" som SSM och fyra andra myndigheter givit ut redovisar grafen på sidan 6 magnetfältet under en 400 kv-ledning där strömvärdet endast är 1 200 A. Magnetfältet uppgår dä endast till 15 å 20 pt. 3 Stamnätets tekniska dimensionering Hur stora strömlaster som i praktiken kan överföras i en 400 kv-ledning i stamnätet avgörs av hur stamnätet är dimensionerat samt vilka krav som ställs på driftsäkerheten i systemet. För att klara driftsäkerheten drivs stamnätet generellt sett med betydligt lägre strömmar än vad varje enskild anläggning är dimensionerad för. När ett fel inträffar och en anläggning faller bort kan strömmarna i andra delar av nätet tillfälligt bli högre än vad de är vid normal drift. 3.1 Nätdimensioneringsregler Det svenska stamnätets tekniska dimensionering baseras idag på de nätdimensioneringsregler (NDR) som den gamla samarbetsorganisationen Nordel kommit överens om. Samarbetet inom Nordel har idag ersatts av samarbetet inom ENTSO-E. Enligt de gamla överenskommelserna består driftsäkerhet dels av störningstålighet, dels av systemtillräcklighet. Det gamla Nordels nätdimensioneringsregler syftar till en avvägning mellan driftsäkerhet och ekonomi. Reglerna beaktar dels ledningsrevisioner, dels risken för störningar. I första hand tillgodoses krav som rör det sammankopplade nordiska la-aftsystemet. Nordel beslutade 1992 att rekommendera att dimensioneringsreglerna tillämpas som underlag för beslut om utbyggnader av såväl de egna näten som av samkörningsförbindelser mellan länderna. Nordelsystemets tålighet mot störningar prövas enligt fastställda kriterier vilka är uppställda med beaktande av en riskbedömning (risk = sannolikhet * konsekvens). De kriterier och regler som Nordel kom överrens om för nät- och driftplanering överensstämmer väl med standarder från North American Electric Reliability Council (NERC), National Grid Company (NGC) och ENTSO-E. 3.2 Dimensionering enligt N-i kriteriet Dimensionerings- och driftsäkerhetskriterierna baseras pä det så kallade N-i kriteriet. N-i kriteriet innebär i princip att fel pä nivån N-i (enkelfel) i det maskade nätet inte ska ge upphov till avbrott i elleveranserna.
Beteckningen N-i innebär att transmissionsnätet före ett eventuellt fel hade N stycken komponenter i drift för att hålla alla nätkunder anslutna och hålla nätspänning och systemfrekvens inom acceptabla gränser. Ett enkelfel definieras som ett bortfall av en enskild huvudkomponent (produktionsenhet, ledning, transformator, samlingsskena, förbrukning etc). Det dimensionerande enkelfelet är det enskilda hypotetiska enkelfel som skulle ge den största konsekvensen för kraftsystemet. 3.3 Störningsreserv För det sammankopplade nordiska kraftsystemet innebär ovanstående att ett dimensionerande fel i ett delsystem (till exempel i ett land), inte ska medföra allvarliga driftstörningar i andra delsystem. Detta ställer krav på frekvensstyrd störningsreserv och överföringskapacitet inom och mellan delsystemen. Dessutom gäller att om la-aftsystemet inte är i normal drift efter en driftstörning ska kraftsystemet inom 15 minuter ha återställts till normal drift. Detta ställer i sin tur krav på tillgänglig snabb aktiv störningsreserv. 3.4 Bestämning av överföringskapacitet Överföringskapaciteten i kraftsystemet bestäms för aktuell driftsituation för att kunna innehålla N-i kriteriet för överföring mellan delsystem. Detsamma gäller inom ett delsystem om andra delsystem kan påverkas. Driftsäkerheten upprätthålls således genom anpassning av gränserna för tillåten överföring. Förmågan att överföra effekt berälaias för varje driftläggning. Detta gäller både för intern överföring inom ett delsystem samt för utbyten mellan delsystem. Oftast sker detta genom att ett så kallat snitt definieras. Ett snitt är en trång sektor i nätet där överföringsförmägan ibland kan vara begränsad. I snittet kan ett godtyckligt antal ledningar på olika spänningsnivåer ingå. Genom statiska och dynamiska simuleringar fastställs hur stor effekt som kan överföras i godtycklig riktning genom snittet utan risk för att termisk överlast, spänningskollaps och/eller vinkelinstabilitet uppstår efter att ett för snittet dimensionerande fel inträffat. Beräkningarna ger som resultat en teknisk gräns för överföringen. I de fall överföringskapaciteten i kraftsystemet med avseende på spänningskollaps och vinkelstabilitet resulterar i strömmar som ger högre temperaturer än de högsta tillåtna för anläggningsdelar (termisk begränsning) kan den slutliga kapaciteten beroende på aktuella förhållanden sättas marginellt högre (procenttal) än fortvarighetsgränserna under förutsättning att snittet/snitten och dimensionerande anläggningsdelar kan avlastas inom 15 minuter.
3.5 Spänningskollaps Eftersom magnetfältet beror på strömmen i en ledning, och strömmen påverkar spänningen är frågan om lägsta möjliga spänning innan kollaps relevant för att kunna besvara frågan om hur höga magnetfältsvärden som kan uppstå under en kraftledning. Vid höga strömmar i överföringssystemet förbrukas stora mängder reaktiv effekt i ledningarna vilket resulterar i att spänningarna i la-aftsystemet pressas nedåt. För det operativa driftskedet reduceras den beräknade gränsen med avseende pä uppskattad data- och beräkningsnoggrannhet samt en fastställd marginal till det värde pä överföringen vid vilken dimensionerande fel leder till spänningskollaps. Lägsta möjliga spänningsnivå innan kollaps varierar med driftiäggning och tillgång till aktiv och reaktiv infasad produktion i felögonblicket. Det är därför varken av intresse eller möjligt att exakt fastställa en generell lägsta spänning (och därmed högsta möjliga ström) vid vilken spänningskollaps ska anses uppträda. Gränsen för spänningskollaps fastställs genom att en så kallad noskurva (spännings/överföringsdiagram) berälaias för varje felfall och snitt. 3.6 Strömlaster i stamnätet En slutsats av ovanstående redovisning är att för att förbereda kraftsystemet för att klara det för varje driftsituation enskilt största enkelfelet så drivs stamnätet normalt med betydligt lägre strömmar än de teoretiskt begränsande. En annan slutsats är att den teoretiskt högsta möjliga strömmen i det svenska stamnätet varierar med den termiska marginalen i kritiska anläggningsdelar samt driftiäggning och tillgäng till aktiv och reaktiv infasad produktion i varje aktuellt felögonblick. Vilket snitt och vilken ledning som får den högsta strömmen bestäms också av vilket fel som inträffar, driftläggning och tillgång till aktiv och reaktiv infasad produktion. 4 Momentana magnetfält: Det finns alltså inget enkelt svar på frågan om vilka ledningar som skulle kunna få ett momentant strömvärde som avviker stort från det normala, eller hur stor avvikelse det är realistiskt att beräkna högsta möjliga momentana magnetfältsvärde utifrån. Anläggningsdelar såsom linor, Idämmor och ställverksapparater i det svenska stamnätets kopplings- och transformatorstationer har under en relativt lång tid termiskt dimensionerats för strömmar om 3 150 A.
4-1 Beräkning Om man, trots ovanstående redovisning av hur det svenska stamnätet tekniskt dimensioneras och drivs, vill göra en beräkning av det teoretiskt högsta magnetfältsvärdet vid stamnätet, kan en ström om 3 150 A användas. En 400 kv-lednings linor kan teoretiskt ha en lägsta linhöjd om 7,8 meter över mark. Linhöjden avgörs dels av hur linan är inspänd mellan stolparna och dels av temperaturen i linan. Linans temperatur avgörs i sin tur av lufttemperaturen och strömlasten i linan. Ju längre en lina har haft hög strömlast, desto varmare (och längre) blir den. Lokal islast och vind kan också påverka linhöjden. Magnetfältsvärde vid kraftledningar beräknas normall selt 1,5 meter över mark. En magnetfältsberälaiing som förutsätter lägsta tillåtna linhöjd och 3 150 A, för en typisk 400 kv-ledning med horisontellt placerade faslinor, ger ett momentant magnetfältsvärde 0111103 ut under den mittersta faslinan där den hänger som lägst. Det momentana magnetfältet vid faslinornas medelhöjd (12 meter) är 54 it. Diagrammen nedan visar magnetfältets styrka och utbredning vid en ledning med 300 meter långa spann. 100. 80. p 60 I 40 m 20 0 300 A\ständ parallellt [rn] Avstånd vinkelrätt [in] Figur 1: Magnetfältets utbredning kring ett normalt spann
= 200 isn $ 100 ',11 0-.. -40-20 O 20 40 Avstånd irlnke ra» [ti] Figur 2: Magnetialtsvärde ö\'er 100 pt under en 400 kv ledning 1,5 meter över mark. Teoretiskt kan, enligt förutsättningarna ovan, en begränsad yta mitt under en 400 kvledning ha ett momentant magnetfältsvärde som är över 100 pt. Detta yttrande har beslutats av generaldirektören Mikael Odenberg efter föredragning av Björn Andersson. I ärendets handläggning har enhetscheferna ErikThunberg, Ulrika Sigerud, Eva Bergius och Elisabet Norgren samt Cecilia Bostorp deltagit. :r x ' Mikael Odenberg q^y J^.//,. I yr.. Björn Andersson
Appendix Beräkningen utgår frän en tredimensionell modell av ett ledningsspann med längden 300 meter. Fasledarnas höjd över marken är 20 meter vid spännets ändar (infästningen i stolparnas isolatorer), och 7,8 meter i spännets mitt. Det horisontella avståndet mellan fasledarna är 9 meter. Tvä jordade topplinor, med ett inbördes avstånd om 8,8 meter och ett horisontellt avstånd till den mittersta fasledaren om 4,4 m, återfinns längs med hela spännet 7 meter ovanför fasledarna. Detta arrangemang av ledare motsvarar en typisk portalstolpe för 400 kv. 40 35 Topplina Fasledare. 30 I 25 I 1 20 Q. 1 15 > 10 5 0< -20.5 0 5 10 Horisontell position (m] Figur 2: Geometri för fas- och toppledare vid spännets ändar Topplina - Fasledare 50 100 150 200 Horisontell position [m Figur 3: Illustration av spännet Under beräkningen delas alla ledare in i 5 meter långa segment. RMS-värdet för flödestätheten i berälaiingspunkten berälaias sedan som summan av varje ledarsegments bidrag enligt Biot-Savarts lag. Hänsyn till de inducerade strömmarna i de jordade topplinornas bidrag tas med. Ingen hänsyn till eventuella nollföljdsströnnnar tas. Modellen och beräkningen har gjorts i programmet STRI EMF/AN Calculator 1.6.