Begreppsförklaring E1kraftsförsörjnin.g 1998
Innehållsförteckning FÖRORD 3 MÅLGRUPP 4 SYFTE 4 SAMMANFATTNING 4 1. BEHOVET AV ELKRAFTFÖRSÖRJNING (KONSUMENT/ANVÄNDARE) 5 1.1 A-kraft 5 1.2 B-kraft 5 1.3 C-kraft 5 1.4 Principbild för A-kraft, B-kraft och C-kraft 6 2. NÄTÄGARE (DISTRIBUTÖR) 6 2.1 Principbild för slingnät och radialnät 7 3. PRODUKTION AV ELKRAFT 8 3.1 Principbild för nätkraft, egenproducerad kraft och reservkraft 8 3.2 Nätkraft 8 3.3 Egenproducerad kraft 8 3.3.1 Generatoraggregat 9 3.3.2 Batterier 9 3.3.3 Avbrottsfri kraft 9 3.4 Reservkraft 10 3.5 Nödkraft 10 4. UTVECKLING AV STRÖMKÄLLOR 10 5. ELKVALITET OCH EMC 10 5.1 Konsumenten (användaren) 10 5.2 Nätägaren (distributören) 11 5.3 Producenten 11 6. PLANERING OCH OPTIMERING AV ELKRAFTSYSTEM 12 7. EKONOMISKA ASPEKTER 12 7.1 Allmänt 12 7.2 Motordrivna generatoraggregat 12 7.3 Utrustningar för avbrottsfri kraft 12 7.4 Kostnadsberäkningar 13 7.5 Anskaffningskostnader för generatoraggregat 13 7.6 Anskaffningskostnader för avbrottsfri kraft 14
Förord En fungerande elkraftförsörjning är en av grundförutsättningarna för att Försvarsmakten såväl som samhället i övrigt skall fungera under fred, kris och krig. På fiitiden och i yrkeslivet har vi vant oss vid att i stort sett alltid ha tillgång till el. Vid strömavbrott blir vi dock påminda om hur sårbart samhället är, och att alla på ett eller annat sätt berörs. Begreppsförklaringen beskriver grundläggande fakta om olika elkraftsystem och dess möjligheter och begränsningar. Det är viktigt att tekniker och taktiker talar samma språk för att tekniskt och inte minst ekonomiskt kunna optimera elkraftanläggningarna mot de taktiska kraven för hela funktionskedjan. I annat fall kan det resultera i kostsam överkapacitet inom vissa delar, medan andra delar inte uppfyller minimikraven för hela systemet. Begreppsförklaringen har författats av IT-Skolan Markelektroavdelning i samarbete med bl a FMV, och är ett särtryck ur projektarbetet policy för elkraftförsörjning av flygstridskrafterna som genomförts av AG Elkraft. Bengt-Erik Jönsson Försvarsmaktens Halmstadsskolor, IT-Skolan
l Målgrupp Taktiker och tekniker vilka behöver kännedom om säkerställd elkraftförsörjning, samt beslutsfattare inom den militära ledningen. Syfte Skapa förståelse for grundläggande begrepp och styrande faktorer. Översiktligt beskriva grundprinciperna for elkraftförsörjning samt ensa begreppen så att taktisk och teknisk personal talar samma språk. Sammanfattning Elektrisk ström (elkraft) är en handelsvara dar tillgänglighet, kvalitet och pris regleras via avtal mellan konsument, nätägare och producent. Konsumenten förbrukar elkraft Nätägaren distribuerar elkraft Producenten genererar elkraft För att skapa en helhetsbild måste elkraftförsörjningen ses både ur konsumenten, nätägaren och producentens synvinkel, även om det i vissa fall kan vara samma företag, myndighet eller enhet. En funktionell elkraftforsörjning måste planeras redan när system och anläggningar projekteras och utrustningar anskaffas och installeras. Vid forandring och utbyggnad måste även elkraftforsörjningen kontrolleras för att säkerställa forväntad funktion mot de taktiska kraven. Kostnaderna är omfattande för att med egna resurser skapa full redundans for alla funktioner vid avbrott från ordinarie elkraftleverantör. Varje enskild användare måste därför ställa krav på elkraftforsörjning som står i nivå med angivna riktlinjer och de funktionskrav som är ställda for varje system i systemet. Förhållandet att Försvarsmakten hyr lokaliteter av FORTV kräver en väl genomtänkt strategi for elkraftforsörjning i fred, kris och krig. Beroende på om det är hyresvärden eller hyresgasten som svarar for ny- och ombyggnation av framför allt fasta elkraftsystem, torde detta påverka såval investeringskostnader som drift- och underhållskostnader. Efterföljande avsnitt behandlar följande: 1. Behovet av elkraftförsörjning 2. Nätägare 3. Produktion av elkraft 4. Utveckling av strömkällor 5. Elkvalitet och EMC 6. Planering och optimering av elkraftsystem 7. Ekonomiska aspekter
1. Behovet av elkraftförsörjning (konsument/användare) Alla funktioner kan utifrån behovet av elkraftförsörjning indelas i tre huvudgrupper: 1.1 A-kraft - Funktioner som kan undvaras vid avbrott i elkraftförsörjningen. Kan vara t ex belysning, varme och motorvärmaruttag. 1.2 B-kraft - Funktioner som accepterar avbrott i elkraftförsörjningen under kortare eller längre tid. För prioriterade funktioner i fasta, mobila och transportabla anläggningar. Landnings- och navigeringshjälpmedel på flottiljflygplatser och flygbaser, höghöjdsradar PS 860 och transportabla radio- och radiolänkutrustningar är några exempel på detta inom flygstridskrafterna. 1.3 C-kraft - Funktioner som kräver avbrottsfri elkraftförsörjning under kortare eller längre tid. För bl a datoriserade ledningssystem och prioriterade larm- och övervakningsfunktioner krävs otta avbrottsfri elkraftförsörjning. 1 sammanhanget avbrottsfri kraft förekommer ofta uttrycket Uninterruptible Power System, UPS. (Se 3.3.3 Avbrottsfri kraft)
1.4 Principbild för A-kraft, B-kraft och C-kraft Nätkraft 230/400V A-kraft Växelspänning 230/400 V Elelement Nätkraft 230/400 V B-kraft Växelspänning 230/400 V Nätkraft 230/400 V Laddningslikriktare 1 Batterier I Batterier I 2. Nätägare (distributör) Det svenska stamnätet ägs av staten och förvaltas av Svenska Kraftnät för att erbjuda en säker och effektiv överföring. Underliggande regionalanät för distribution från stamnätet till konsumenterna ägs och förvaltas av regionalavinstdrivande kraftbolag. 1 FM förekommer distributionsnät inom begränsade geografiska områden samt mellan och inombyggnader. Påt ex en flygflottilj eller ett flygbasområde distribueras högspänning (10 000-20 000 volt) mellan ett antal transformatorstationer där spänningen omvandlas till lågspänning (230/400 volt) som fördelas ut till byggnader och anläggningsdelar via ett sling- eller radialnät (se bild 2.1). På grund av sin byggnadsform benämns transformatorstation ofta för transformatorkiosk.
3. Produktion av elkraft Produktion av elkraft för flygstridskrafterna sker under fred, kris och krig på i huvudsak följande sätt: Nätkraft Egenproducerad kraft Reservkraft Nödkraft 3.1 Principbild för nätkraft, egenproducerad kraft och reservkraft 3.2 Nätkraft Produceras och distribueras av bolag på civila marknaden i form av lågspänning (230/400 volt) eller högspänning (över 1000 volt). 3.3 Egenproducerad kraft Produceras, distribueras och konsumeras lokalt inom en anläggning eller inom ett väl avgränsat geografiskt område, med uppgift att tillgodose utrustningar med elektrisk ström med väl definierade värden. Tillgodoser elkraftbehovet, växelström såväl som likström, till prioriterade fasta, mobila och transportabla anläggningar i den omfattning och med den kvalitet som erfordras för flygstridskrafternas behov. Egenproducerad kraft kan levereras från: Fasta motordrivna generatoraggregat Mobila och transportabla motordrivna generatoraggregat Batterier
3.3.1 Generatoraggregat Fasta, mobila och transportabla motordrivna generatoraggregat for egenproducerad kraft är i huvudsak konstruerade för lågspänning (230/400 volt). Vissa systemlösningar har två alternativt tre motordrivna generatoraggregat som kan arbeta i parallelldrift beroende på effektbehov, eller inbördes ersätta varandra d v s är redundanta, vilket medger en kontinuerlig produktion. 3.3.2 Batterier Förekommer i ett antal olika utföranden och måste väljas efter det arbetssätt for vilket batteriet är tänkt att användas. Valet av batterityp bestäms bl. av uppladdningstider, urladdningstider, belastningsströmmens storlek samt omgivande miljö där framför allt omgivningstemperaturen är en avgörande faktor for batteriets livslängd. Batterier är färskvara och är inte underhållsfria, däremot kan dom p g a sin konstruktion kräva mer eller mindre underhåll! Löser man ett kraftförsörjningsproblem med någon form av batteridrift har man istället fått ett underhållsproblem, vilket är viktigt att tänka på när man t.ex. installerar UPS (se 3.3.3 Avbrottsfri kraft). 3.3.3 Avbrottsfri kraft (se även bild 1.4) 1 huvudsak förekommer två systemprinciper för avbrottsfri elkraftförsörjning: Laddningslikriktaren laddar upp batterier som sedan levererar likspänning direkt till utrustningen (kräver laddningslikriktare och batterier) Laddningslikriktaren laddar upp batterier som sedan levererar likspänning till en växelriktare som i sin tur omvandlar likspänningen till 50-periodig växelspänning 230 alt 230/400 volt. (kräver laddningslikriktare, batterier och växelriktare) System for avbrottsfri kraft kan bestå av fristående enheter sammanbyggda till ett system, eller integrerat i en enhet. I sammanhanget förekommer uttrycket UPS (Uninterruptible Power System) som används som ett handelsnamn. Systemen dimensioneras efter den tid den förväntas leverera elkraft, den matade utrustningens effektbehov, samt omgivande miljö. Det är viktigt att påpeka att ett system for avbrottsfri kraft endast kan leverera elkraft så lange batterierna är laddade. Därefter måste batterierna återigen laddas upp med hjälp av nätkraft, egenproducerad kraft eller någon form av reservkraft. Trots benämningen avbrottsfri kraft finns system som ger avbrottstider från noll upp till några millisekunder när ordinarie elkraftforsörjning upphör. Avbrottstider på några millisekunder är fullt acceptabelt for vissa system. Som j ämförelse kan nämnas att elkraft från motordrivna generatoraggregat även vid automatstart ger avbrottstider på några sekunder från stillastående till full effekt, vilket inte betraktas som avbrottsfri kraft.
3.4 Reservkraft I huvudsak transportabla motordrivna generatoraggregat för lågspänning (230/400 volt) Används vid icke planerade tillfälligt uppkomna behov som reserv för nätkraft eller egenproducerad elkraft. Beroende på b1.a. liten bränsle- och smörjoljevolym medger dessa ej kontinuerlig drift. 3.5 Nödkraft Ett matningssystem avsett att upprätthålla funktioner hos utrustning som är nödvändig for personsäkerheten. Systemet ställer höga krav på konstruktion och arbetssätt vilket finns angivet i Elsäkerhetsverkets Starkströmsföreskrifter. Exempel på sådan utrustning kan vara nödbelysning, brandlarm och elektriska dörrlås. 4. Utveckling av strömkällor Inom generatortekniken är strävan att få bort spänningsfall i kopparledare som ger upphov till värmeförluster. Försök pågar med b1.a. supraledare men ännu så länge är tekniken outvecklad och kostsam. Utvecklingen inom batteritekniken går mot att hitta metalliska och kemiska kombinationer som ger mer energi per viktenhet och är mindre känsliga för temperaturvariationer. Alternativ till traditionella bensin- och dieseldrivna generatoraggregat skulle kunna vara småskaliga vindkraftverk, solceller och bränsleceller. Forskning och utveckling pågår men kostnaderna är fortfarande sådana att sett enbart ur elkraftförsörjningssynpunkt är den traditionella tekniken med motordrivna generatoraggregat fortfarande mycket gångbar. 5. Elkvalitet och EMC Tillgång till elkraft är för de flesta något självklart. Vidare är det en utbredd missuppfattning, att den levererade spänningen alltid har den kvalitet som krävs for att försörja utrustningen. I verkligheten är det inte så. Det finns alltid faktorer som påverkar och förstör den ideala spänningsformen. Exempel på detta är bl a. långvarig eller kortvarig över- och underspänning, högfrekvensstörningar, övertoner (se pkt 5. l), frekvensvariationer och spänningsavbrott. På efterföljande sidor beskrivs kortfattat några av de vanligaste orsakerna till störningar som kan alstras hos konsument, nätägare och producent. 5.1 Konsumen ten (användaren) Övertoner är ström- eller spänningskomponenter med frekvenser som är heltalsmultiplar av grundfrekvensen. Vid 50 Hz ger detta för 3:e övertonen 3 x 50 Hz = 150 Hz for 5:e övertonen 250 Hz o s v. Exempel på utrustningar som alstrar övertoner är UPS-enheter, lysrörsarmaturer, lågenergilampor, datorutrustningar, TV och video.
Övertoner kan orsaka driftstörningar framför allt när anläggningar och utrustningar strömförsörjs med motordrivna generatoraggregat (egenproducerad kraft och reservkraft). Motordrivna generatoraggregat är känsligare för yttre störningar än t.ex. ett stort vattenkraftverk, och är dessutom fysiskt sett placerad närmare den källa som alstrar störningen. Överhettning och brand kan uppstå i distributionssystemets nolledare (återledare) p g a att vissa övertoner ger sammanlagrade strömmar som är avsevärt högre än vad ledaren är dimensionerad för. Vissa jordfelsbrytare är inte konstruerade för uppkomna övertoner vilket kan innebära personfara genom att den vid ett elektriskt fel inte klarar av att bryta bort den felaktiga anläggningsdelen. Elektromagnetisk kompabilitet, EMC är förmågan hos en utrustning att kunna kopplas ihop med annan utrustning utan att bli störd eller störa ut andra utrustningar. All utrustning som installeras och behöver elkraft måste uppfylla uppsatta EMC-krav vilka finns både som europanorm och som militär standard. 5.2 Nätägaren (distributören) Avbrott och spänningsvariationer kan härledas framför allt som ett problem på distributionssidan. Bortsett från ren sabotageverksamhet är åska, storm och nedisning de vanligaste orsakerna till störningar. Tätbebyggelse har statistiskt sett färre avbrott jämfört med landsbygden beroende på att överföring av elkraft sker i jordkablar respektive luftledningar. Svensk Standard anger att nominell spänning i lågspänningsnätet ska vara 230/400 volt med toleransområdet + 6% och -10%. 1 nät med långa överföringsavstånd är det dock inte säkert att ovanstående gränser alltid innehålls, framför allt inte om abonnentens belastning är stor. Potentialskillnad d v s skillnader i spänningsnivåer beroende på ofullständig jordning kan ge upphov till vagabonderande strömmar, vilket betyder vandrande icke önskade strömmar b1.a. i kablage mellan sammankopplade utrustningar och anläggningar. Strömmarna kan bli av sådan storlek att dessa stör eller t o m helt slår ut datorer och telesystem. 5.3 Producenten Den levererade elkraften skall vara av sådan tillgänglighet, omfattning och kvalitet som konsumenten kräver. Under fredstid är de svenska elenergikällorna både tillräckliga och säkra, medan distributionsnätet från producent till konsument är betydligt känsligare. (Se pkt 5.2) För egenproducerad kraft och reservkraft är det viktigt att kraven anges inom väl definierade gränser for varje funktionskedja. Större motordrivna generatoraggregat kan ha spänningsavvikelser bättre än 1% medan ett litet aggregat kan variera mellan /-lo % av nominell spänning, vanligen 230 volt.
6. Planering och optimering av elkraftsystem Både producent, nätägare och konsument måste vara väl införstådda med hur anläggningen och systemet är tänkt att användas i sin helhet, och vilka krav detta ställer på elkraftförsörjningen. Detta är speciellt viktigt för anläggningar och system som ifred, kris och krig är tänkta att försörjas med egenproducerad kraft. En funktionell elkraftförsörjning är en viktig del i infrastrukturen och måste därför planeras redan när anläggningen projekteras och utrustningar anskaffas och installeras. Vid förändringar och utbyggnad måste en kontinuerlig uppföljning ske för att vidmakthålla den förväntade funktionen eller anpassa den till de nya förutsättningarna. 7. Ekonomiska aspekter 7.1 Allmänt En försäkringspremie står alltid i proportion till det skydd man erhåller, vilket även gäller skydd mot störningar och avbrott i elkraftförsörjningen. Beroende på om det är FORTV eller FM d v s hyresvärden eller hyresgästen som gör investeringar och anskaffningar tillämpas skilda finansieringssätt, vilket påverkar totalekonomin under den beräknade livscykeln. Det bör också påpekas att parterna ovan skiljer sig åt när det gäller bl. underhållsberedning, dokumentering, reservdelshållning och underhållsorganisation. 7.2 Motordrivna generatoraggregat För motordrivna generatoraggregat upp till 100 kva kan man generellt säga att anskaffningskostnaderna for transportabla aggregat är ca 50% högre än för fasta. Dessutom variera anskaffningskostnaderna bl. beroende på: Anpassning till MIL-standard 0 Specifika miljökrav Typ av styr- och kommunikationsutrustning Tillverkningsseriens längd 7.3 Utrustningar för avbrottsfri kraft De absolut viktigaste faktorerna för anskaffningskostnaderna är under hur lång tid och med vilken effekt utrustningen skall kunna försörjas. Dessa två parametrar tillsammans bestämmer batteribankens storlek och blir därmed en viktig ekonomisk faktor. Batterier är dyra i anskaffning och kräver ett mycket väl fungerande underhåll för att få ut förväntad effekt. Bristande batteriunderhåll kan resultera i täta batteribyten och därmed icke kalkylerade kostnader.
Om den förväntade funktionen uteblir p g a icke fungerande batterier, kan detta beroende på vilka system som skall forsörjas medfora kostnader i form av merarbete, materielförstöring och i värsta fall t o m personskada. 7.4 Kostnadsberäkningar Allmänt kan sägas att kostnadsberäkningar är mycket svara att prediktera generellt for strömforsörjningssystem. Detta beroende på att kraftiga differenser förekommer m.h.t. önskat utförande och prestanda. 7.5 Anskaffningskostnader för generatoraggregat Diagrammet nedan visar översiktligt anskaffningskostnaden i kkr/st per kva önskad effekt, för stationära respektive mobila generatoraggregat, d v s hur mycket kostnaden är per kva när ett aggregat inom respektive effektområde erfordras. Anskaffningskostnad Elverk (kkr/kva) j I cl 2 Stat El Mob 7-10 10-70 70-100 100-500 Effektområde (kva) Till anskaffningskostnaderna skall läggas LSC-kostnaderna (Life Support Cost) vilka innefattar kostnader i samband med drift och underhåll över livslängden. LSC-kostnaderna är mycket svåra att prediktera och ange generella riktlinjer för. Kostnaderna, som är rörliga, påverkas bl a av felutfall och drifttid. Diagrammet ovan avser prisangivelser vid anskaffning av ett generatoraggregat. Generellt gäller att vid anskaffning av ett flertal aggregat av samma typ och utförande (serieanskaffning) sjunker kostnaden per aggregat med omkring 25% m h t rationaliseringseffekter vid tillverkningen (kostnaderna angivna i 1997 prisläge).
7.6 Anskaffningskostnader för avbrottsfri kraft Även för avbrottsfria strömförsörjningssystem är det svårt att prediktera generella parametrar för anskaffningskostnader. Systemen kan vara mycket utrymmeskrävande och relativt tunga beroende på effektbehov och reservtid. Överslagsmässigt kan man räkna med att 1 kva (~1 OOOW) motsvarar effektbehovet för 1-2 dataarbetsplatser beroende på kringutrustning. Nedan några av de parametrar som måste vägas in i kostnadsbilden för avbrottsfri kraft, undantaget de sedvanliga LSC-parametrarna: Uppbyggnadssätt (lösa enheter eller sammanbyggd enhet) Önskad reservtid (dimensionerar batteriet) Driftmiljö (Mobilt/stationär, MIL-standard) Lokaliteter (utrymme, vikttålighet, ventilation) EMC & elmiljö (känslig utrustning placerad nära) Installationskostnader i samband med anskaffning Alternativkostnaden vid anskaffning av generatoraggregat Med hänsyn till ovanstående blir kostnadsprediktering mycket svårt att i förväg ange generellt. En riktlinje for avbrottsfri kraft bör dock vara att aldrig göra den effekt- eller tidsmässigt större än vad som är absolut nödvändigt. Som strömförsörjningssystem är avbrottsfri kraft mycket kostsam i jämförelse med generatoraggregat. Avbrottsfri kraft för större effektbehov bör därför företrädesvis nyttjas endast för att överbrygga tiden från ett avbrott till den tidpunkt då ett generatoraggregat kan överta försörjningen (övergången från A-kraft till B-kraft). Diagrammet på nästa sida ger en allmän uppfattning om kostnadssambanden genom att visa anskaffningskostnaderna i relation till reservtid och i jämförelse med generatoraggregat. Exemplet visar en anläggning med två fasta redundanta helautomatiska generatoraggregat på vardera 30 kva i jämförelse med en UPS for 400/230 V växelström (AC). (OBS! Jämförelsen i diagrammet gäller enbart den angivna effekten 30 kva!)
Av diagrammet kan utläsas: Att använda UPS för längre strömavbrott än ca 30-40 minuter är inte kostnadseffektivt utan att kombinera detta med ett generatoraggregat. För rena likströmssystem (24 V och 48 V) är den ekonomiska tiden vanligtvis längre men ofta inte över 10 timmar. Att använda motordrivna generatoraggregat för att överbrygga korta nätavbrott < 10 minuter är inte kostnadseffektivt. Vid ett sådant driftfall måste belastningen även tåla förekommande avbrott i elkraftförsörjningen vid övergång från A- till B-kraft! Resultatet blir en optimal ekonomisk reservtid på i detta fallet maximalt 30 minuter. Vid krav på längre drifttid bör kombination med generatoraggregat ske. Kostnaden per tidsenhet (alltså reservtiden) sjunker snabbare för generatoraggregat än för UPS-system beroende på ingående batterier.