Kraftledningar och elnät Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation
Kraftledningar och elnät = ~
Översikt Kraftledningsstolpen Kabel Effektöverföring Transformatorn Transmission Distribution HVDC Lunds universitet/lth/bme/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 Ex G4.1 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 4
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
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
Transformatormodell R 1 X 1 X 2 R 2 R m X Ideal m N 1 N 2 transformator Lindningsförluster R1, R2 Läckflöden X1, X2 Magnetiseringsförluster (järnförluster) Rm Huvudflöde (magnetisering kärnan) Xm Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 7
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 på samma ben genomflyts av samma flöde Y-koppling och delta-koppling vanligast Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 8
Kraftledningen Typ Friledning Belagd ledning Hängkabel Kabel Överföra effekt Ström (ledararea) Spänning (isolation) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 9
Ström Fasledaren Skin-effekt (strömförträngning) Maxström Tvärsnittsarea Uppvärmning Vind och is Nerhängning Draghållfasthet Aluminium ledare Stål mekanisk styrka Designfaktorer Traditionellt: ACSR= Aluminum Conductor Steel Reinforced (sv Ferral) Nytt: ACCC= Aluminum Conductor Composite Core klarar mycket högre ström Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 10
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
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
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
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
B-fält under kraftledning B (t,r) = µ 0i(t) 2πr e B µ 0 =4π10-7 (Vs/(Am)) i(t) ström (A) r avstånd (m) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 15
Fält från trefasig kraftledning B (t, r) = µ 0i(t) 2πr e B 1 2 3 18.4 m r e B2 e B3 α α P α α 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
B-fält B t, r) ( 0 Källa: Fingrid = µ i( t) 2π r e B Avstånd Avtar som 1/r Ström Växelström Trefas Max(abs(B tot )) Riktvärden 100µT (EU) 0.2µT (Sverige) jmf Hårfön ca 1-10µT Ex G4.2 Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 17
E-fält Källa: Fingrid Avstånd Avtar som 1/r Högst närmast fasledarna Spänning Växelspänning Trefas Max(abs(E tot )) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 18
Kraftledningsgata Sverige: 1000km 2 Begränsad Skötsel Ängsmark Biologisk mångfald! Nyckeltal MW/m bredd Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 19
Nytänkande E14 vid Åre Källa: Bystrup Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 20
Ledningsmodell R X G 2 ωc 2 ωc 2 G 2 Viktigast induktans X [Ω/km] Mellanviktig ledarresistans R [Ω/km] Mellanviktig kapacitans ωc [Ω -1 /km] Minst viktig coronaförluster G [Ω -1 /km] Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 21
Skruvning av fasledare ger symmetri Mitt Ytterläge Faserna har olika induktans och kapacitans Byt plats Skruvning Även kallat transponering Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 22
Kabel Källa: Draka Källa: Draka (3 x) enfaskabel Trefaskabel Ledare isolerade Från varandra Från blixt, snö, träd Stad Nedgrävd Landsbygd Nergrävd eller nerplöjd Hängkabel Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 23
Kabelmodell R X G 2 C 2 C 2 G 2 Mellanviktig X seriereaktans [Ω] Mellanviktig R ledarresistans [Ω] Viktigast C kapacitans [F] Minst viktig G coronaförluster [Ω -1 ] Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 24
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
Orkanen Gudrun 8 jan 2005 Operation Gudrun 2000 mil ledning skadad och repareras 220 mil ledning ersätts provisoriskt Som jämförelse moderniserade Sydkraft 120 mil 2004 505 manår på sex veckor Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 26
Kabel ersätter 10 & 20 kv friledning Nytt Befintligt Rasering E.ON Krafttag 17 000 km, 10 Mdr SEK Vattenfall och Fortum genomför liknande projekt Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 27
Långdistans effektöverföring V s =V s θ s V m =V m θ m P s =V s V m /X sin(θ s -θ m ) Q s =V s2 /X-V s V m /X cos(θ s -θ m ) P max =V s V m /X Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson
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 29
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 30
Dubbla antalet fasledare Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 31
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 32
Infrastrukturer Vägnät Kraftnät Överbrygga avstånd Nå adresser Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 33
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 34
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 35
Radiellt nät Distribution Trädform En inmatning Många uttag Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 36
Maskat nät Transmission Maskning Flera inmatningar Många uttag Många strömvägar Tillförlitlighet Inget ensamt ledningsfel ger strömavbrott Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 37
Mellanting Bygg maskat Driv radiellt Tillförlitlighet Varje fel ger strömavbrott Snabb omkoppling Stadsnät Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 38
High Voltage Direct Current ~ = = ~ Passar långa avstånd AC-kabel ej möjlig (för mycket reaktiv effekt) Luftledning DC billigare än trefas AC Passar 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 39
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 40
HVDC i Norden Existerar På gång Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 41
HVDC-tekniker Sydvästlänkens omriktarstation i Hurva invigs 2016 Elenergiomvandling med kraftelektronik HVDC med tyristorer Transmission typiskt 400 kv DC, 600 MW Ultra HVDC 800 kv DC HVDC med transistorer Transmission och distribution, 20-400 kv DC, 50-600 MW Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 42
Sydvästlänken Hallsberg-Barkeryd AC Barkeryd-Hurva DC Struken: Barkeryd-Oslo DC DC Transistorteknik Markkabel se skyltar längs E4 2x600 MW (jmf Barsebäck) Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 43
AC 30 m - DC 30 cm För det som blev DC fanns AC inledningsvis som alternativ 400 kv AC luftledning, högst kapacitet MW & Mvar +/- 300 kv HVDC markkabel, styrbar effekt Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 44
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 45
Sammanfattning X ggr högre spänning ger ström och förluster Friledning har luft som isolation: indikerar spänningsnivå Magnetfält från kraftledningar beror på avståndet r som Viktigast parameter i en π-modell av en 400 kv friledning är Kabel är väderskyddad men kapacitansen är och längden är För att öka en lednings överföringskapacitet kan man och Verkningsgraden på en transformator kan vara upp till DC är lämpligare än AC för och Transmission används för och har ett nät som är byggt Distribution används för och har ett nät som är byggt Lunds universitet/lth/bme/iea Elenergiteknik Olof Samuelsson 46