Overf

1
Overføring av elektrisk kraft

• Høgskolen i Agder
• ENE202 - Vår 2006
• Foreleser Egil Hagen

2
Overføring og fordeling av elektrisk kraft

• Hovedkomponenter i systemet
• Spenningsnivåer
• Komponenter i en høgspenningslinje
• Planleggingskriterier for høgspenningslinjer
• Bygging av høgspenningslinjer
• Galloperende liner
• Corona effekt
• Forurensing

3
Hoveddeler i kraftsystemet

• Overføringslinjer
• Trafo
• Generator

4
Kraftsystemet
T
T
Overføringslinje
G
Belastning
5
(No Transcript)
6
Produksjon

• Kan produsere flere tusen MW pr. enhet
• Normalt 5 -15 kV generatorspenning
• Elvekraftverk på Østlandet
• Magasinkraftverk på Vestlandet
• Produserer aktiv effekt etter behov ved å omdanne
  vann under trykk til elektrisitet
• Regulerer spenning ved å produsere/ta opp reaktiv
  effekt

7
Transformator

• Endrer spenningen opp eller ned
• Kan regulere spenningen med trinnkobler
• Vanlige størrelser opp til 200 MVA trefase
• Ved større enheter brukes ofte enfase
• Gir galvanisk skille mellom ulike spenningsnivåer

8
Overføringslinjer

• 132 kV til 400 kV i Norge
• Kapasitet til å overføre mange hundre MVA
• Mange ulike mastekonfigurasjoner
• Stor variasjon i line/ledertykkelse

9
Fordelingsnett

• Spenning fra 230 V til 66 kV

10
Hva skal vi forvente av elektrisitetsforsyningen?

• Stabil
• Billig
• Miljøvennlig

11
Krav til Kraftsystemet

• Forsyne tilstrekkelig elektrisk kraft
• Holde stabil spenning
• Holde stabil frekvens
• Akseptabel pris
• Sikkert for ansatte og tredjeperson
• Oppfylle miljøstandarder

12
Design kriterier for kraftlinjer

• Krav til overføringsevne
• Overføringsavstand
• Lastutvikling over tid
• Linjekostnader
• Estetikk, reguleringsforhold, konfliktnivå

13
Lavspentlinjer

• 230 V eller 400 V
• Ofte isolerte aluminiumsledninger - EX
• I tettbygde strøk ofte nedgravd kabel
• Radielle eller maskede nett

14
Høgspent fordelingsnett

• 11 kV eller 22 kV spenningsnivå
• Vanligvis blanke ledninger av aluminium
• Isolerte ledninger (BLX) gir mer kompakte linjer
• Ofte kabelnett i tettbygde strøk
• Vanligvis radielle nett med muligheter for
  omkoblinger ved feil eller nødvendig arbeid

15
Regionalnett

• Spenningsnivå fra 50 kV til 132 kV
• Alltid blanke ledninger
• Kabel brukes kun ved høyt konfliktnivå i traseen

16
Sentralnett

• 132 kV til 400 kV i Norge
• Svært lite bruk av kabel på grunn av høye
  kostnader
• Knytter landet sammen til ett kraftnett
• Administreres i Norge av Statnett
• Landenes sentralnett er knyttet sammen i
  regionale nett Norge er knyttet til det
  Vest-europeiske nettet via Sverige og Danmark

17
Svært høye spenninger

• Det bygges linjer med spenning opp til 800 kV til
  overføring av store kraftmengder over store
  avstander
• HVDC har lavere tap og brukes ofte ved store
  kraftmengder og store avstander
• HVDC gir systemmessig skille mellom store
  kraftnett og kan installeres back-to-back

18
Standardspenninger

• Foretrukne spenningsnivåer fastsatt av
  organisasjoner som IEEE og IEC
• Redusere kostnadene og muliggjøre effektiv
  beskyttelse
• 230 V og 400 V lavspent fordelingsnett
• 11 kV og 22 kV høgspent fordelingsnett
• 66 kV og 132 kV regionalnettspenninger
• 300 kV og 400 kV i sentralnettet

19
(No Transcript)
20
(No Transcript)
21
Komponenter i overføringslinjer

• Line/leder
• Stolper
• Isolatorer
• tilbehør

22
Overføringslinjens komponenter

• Liner/ledere vanligvis FeAl
• Stålkjærne med mange aluminiums tråder
• Må skjøtes på lange linjer
• Isolatorer av glass eller kompositt
• Holder fast lederne til masten
• Skiller mellom hengeisolatorer og
  støtteisolatorer
• Stolper/master av tre eller stål
• Holde sikker avstand til bakken
• Holde sikker avstand til de andre linene/lederne

23
Master/stolper
24
Liner
25
(No Transcript)
26
(No Transcript)
27
(No Transcript)
28
Nedheng mellom mastene

• Masteavstanden er avstanden mellom mastene i en
  linje
• Pilhøyden er den maksimale vertikale avstanden
  mellom den rette linjene mellom opphengspunktene,
  og linen/lederen
• Pilhøyden øker med line/ledertemperturen
• I Norge er maksimal islast ofte det viktigste
  mekaniske dimensjonerings kriterium
• I utsatte strøk er også vind et viktig kriterium
• Galloperende liner

29
(No Transcript)
30
Korona

• Linjer med høy spenning (over 132 kV) gir
  kontinuerlige elektriske utladninger rundt
  lederen på grunn av ionisering av lufta
• Korona fører til elektriske tap i linja
• Korona lager radiostøy
• Korona kan reduseres ved å bruke større diameter
  på line/leder eller ved å bundle
• Bundling reduserer reaktansen i linja og øker
  dermed overføringskapasiteten

31
Forurensing

• Støv, salt o.l på isolatorer kan føre til
  overslag
• Ofte feil på 22 kV linjer ved regn etter en lang
  tørkeperiode
• Undersøkelser har vist at det er større lokal
  forurensing under kraftlinjer

32
Lyn
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
Lynavledere

• Enkleste form en metallisk stang som stikker
  høyere enn bygningens høyeste punkt jordet
• I elkraftsystemer brukes også langt mer
  sofistikerte lynavledere
• Uten avledere kan lynoverspenninger ødelegge
  kostbart stasjonsutstyr

36
Lynnedslag i en kraftlinje

• Ved lynnedslag i en kraftlinje oppstår en stor
  overspenning mellom linene og jord
• Umiddelbart skjer et overslag i luft mellom
  line/leder og den jordede masten
• Dermed forsvinner overspenningen typisk i løpet
  av ca 50 mikrosekund
• I den ioniserte luften etter utladningen kan
  linjespenningen fortsette å mate en
  kortslutningsstrøm til linja kobles ut

37
Lynnedslag

• Lynet kan slå ned i i faselederne, i jordtråden,
  eller i masta
• Det oppstår en overspenning som brer seg i begge
  retninger i nær lysets hastighet
• Overspenningen kan være 1-2 millioner volt
• Vandrebølger bølgeimpedans
• Med en bølgeimpedans på typisk 400 ohm og en
  overspenning på 800 kV, vil strømmen tilsvare 2
  kA
• Bølgen reduseres etterhvert pga resistansen i
  linja og koronatapene

38
Induserte overspenninger

• Oppstår ved lynnedslag i nærheten av linja
• Typisk vil overspenningen ikke overstige 50 kV
• Neglisjeres derfor for linjer med mer enn 50 kV
  spenning
• Vanlig feilkilde for linjer med spenning 22 kV og
  lavere

39
(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
Skade pga lynoverspenning

• Hver komponent på bølgens vei vil bli utsatt for
  en voldsom overspenning
• Dersom det blir overslag vil det flyte en
  kortslutningsstrøm inntil linjen kobles ut
• Dersom overspenningen når en stasjon kan kostbart
  utstyr i stasjonen bli ødelagt
• Vi må derfor ha lynavledere på alle innkommende
  linjer

42
Lynavledere

• Alt utstyr i en stasjon designes for å tåle en
  viss impuls overspenning
• Avledere på linjeinngangene designes for å kutte
  alle overspenninger som er i nærheten av denne
  verdien
• Eksempel 400 kV avledere på en stasjon med
  utstyr som tåler 550 kV

43
Jordtråd

• Overliggende eller underliggende
• En eller to tråder
• Vanligvis av stål fordi den normalt ikke skal
  lede strøm
• Jordet i hver mast

44
Innføringsvern

• For å verne stasjoner der linjene ikke har
  installert jordline, henges det gjerne opp
  jordtråd på de siste spennene inn mot stasjonen

45
Holdespenning - Basic impulse insulation level
(BIL)

• Isolasjonen tåler mye høyere spenning som impuls
  enn som en varig overspenning
• For transformatorer kan forholdet være 12
• For luftisolerte komponenter er forholdet nærmere
  11,5
• Impulsoverspenninger er standardiserte
• Spesifierte holdepenninger er mange ganger høyere
  enn nominelle spenninger for utstyret

46
Typisk impulsspenning
47
(No Transcript)
48
Isolasjonskoordinering

• Med isolasjonskoordinering sørger vi for at alt
  utstyr i kraftsystemet kan motstå tilstrekkelig
  overspenning
• Dersom vi velger for høye overspenningsverdier
  for utstyret, vil anleggene bli dyrere enn
  nødvendig

49
Mastejording

• Hver mast er jordet med så lav motstand som mulig
  
• mindre motstand gir lavere overspenning
• lavere overspenning gir redusert sannsynlighet
  for overslag
• dersom det ikke blir overslag kobles normalt ikke
  linja ut - mindre ulemper for forbrukerne

50
System
51
Overføringslinjens formål

• Overføre aktiv effekt
• Reaktiv effekt bør holdes så lav som mulig
• Følgende krav må oppfylles
• Så lik spenning som mulig over hele linjens
  lengde og ved varierende belastning
• Så lave tap som økonomisk mulig
• Linetemperatur under tillatt grenseverdi
• Kapasitanser eller spoler må om nødvendig brukes
  for å holde disse kravene

52
Elementer i en linjemodell

• Induktans
• Kapasitans
• Resistans
• Innspenning
• Belastning

53
Linjemodeller

• En linje kan modelleres som en rekke med
  resistanser, og induktive og kapasitive
  reaktanser
• Denne modellen kan forenkles til en
  ekvivalentkrets bestående av en R og en XL i
  serie, og en kapasitiv reaktans på 2XC i hver
  ende av modellen
• Dette gir en god tilnærming for å regne på linjer
  med lengde under 250 km

54
(No Transcript)
55
(No Transcript)
56
Typiske impedansverdier

• Verdiene gis vanligvis pr kilometer linje
• Reaktansene er noenlunde konstante pr kilometer
  for alle vanlige linjetyper
• Ulike kabler har lignende reaktanser
• Resistansen viser store forskjeller både for
  ulike linestørrelser og kabelstørrelser

57
(No Transcript)
58
(No Transcript)
59
(No Transcript)
60
(No Transcript)
61
Forenklede modeller

• Lavspentlinjer er korte og har lav spenning -
  derfor kan kapasitansene sløyfes i modellen
• Høgspentlinjer med svært høy spenning har store
  liner/ledere og små strømmer derfor kan
  resistansen sløyfes
• Vanlige høgspentlinjer kan representeres uten
  både resistans og kapasitans induktiv linje

62
Spenningsregulering og overføringsevne

• Resistiv linje
• Induktiv linje
• Kompensert induktiv linje
• Induktiv linje mellom to store kraftsystemer

63
Resistiv linje

• Pmax ES2 / 4R
• Som oppstår når ER 0,5 ES, dvs at impedansen i
  linja og belastningen er like
• Med max 5 tillatt spenningsfall i linja, vil
  maksimal overføringsevne være kun 19 av Pmax

64
(No Transcript)
65
Induktiv linje

• Pmax ES2 / 2 X
• Som oppstår når ER 0,707 ES, dvs at impedansen
  i linja og belastningen er like
• Med max 5 spenningsfall i linja, vil maksimal
  overføringsevne være 60 av Pmax
• Kan overføre seks ganger det en ren resistiv
  linje kan overføre

66
(No Transcript)
67
Kompensert induktiv linje

• Pmax ES2 / X
• Som oppstår når ER ES
• Med perfekt kompensering av linja vil vi alltid
  kunne overføre Pmax
• Kan overføre to ganger det en ukompensert
  induktiv linje kan overføre

68
(No Transcript)
69
Induktiv linje mellom to store kraftsystemer

• Store belastningssentra er vanligvis koblet
  sammen i store systemer
• Dette bedrer systemets evne til å fungere under
  driftsforstyrrelser og muliggjør kraftutveksling
  mellom selskaper
• Vi ser av figure 25.30 a at maksimal overføring
  skjer når fasevinkelen mellom systemene når 90
  grader
• I praksis må kraftutvekslingen begrenses slik at
  fasevinkelen holdes godt under 90 grader

70
Driftstilfeller

• Es Er i fase Ingen effektflyt
• Når det er faseforskjell mellom Es og Er vil
  alltid effekten flyte fra den siden som har den
  ledende fasen
• Fasevinkelen økes ved at kraftproduksjonen økes i
  det området som skal eksportere kraft

71
(No Transcript)
72
(No Transcript)
73
Oppsummert

• Det er alltid en praktisk grense for hvor mye
  effekt som kan overføres på en linje
• Maksimal effekt er proporsjonal med kvadratet av
  sendespenningen og omvendt proporsjonal med
  linjeimpedansen
• Overført effekt med akseptabel spenning over
  belastningen er oftest mye lavere enn maksimal
  effekt

74
(No Transcript)
75
Velge linjespenning

• Spenningen er proporsjonal med kvadratroten av
  overført effekt ganger linjelengden ganger en
  faktor k
• k er typisk 0,1 for en ukompensert linje med 5
  tillatt spenningsfall
• k er typisk 0,06 for kompenserte linjer
• Aktuelle spenninger vil ligge mellom 0,6-1,5
  ganger den verdien vi får av formelen

76
Metoder for å øke overføringsevnen

• Bygger vi flere parallelle linjer har vi også en
  sikkerhet dersom den ene linjen kobler ut
• Flere linjer parallelt er kostbart og en stor
  miljøbelastning
• To eller flere ledere pr fase vil minske
  reaktansen i linja duplex, triplex, quadruplex
• På denne måten kan linjereaktansen reduseres med
  opp til 40 og overføringsevnen økes med 67
• Kan også legge inn kapasitanser i serie for å
  redusere effekten av linjereaktansen

77
Reguleringsutstyr i nettet

• Synkronregulator
• Spoler
• Static VAR compensation SVC
• Serie og parallell kondensatorer

78
Ekstrem høgspenning

• Regneeksempel for å utdype behovet for
  reguleringsanordninger og størrelsesorden på
  effektene som er involvert

79
Surge impedance load

• Den belastning som fører til at kapasitansen
  utjevner reaktansen slik at kildespenningen er
  lik lastspenningen
• Tilsvarer vanligvis en pr fase resistans på 400
  ohm
• Da vil linjen kompensere seg selv
• Ettersom belastningen i virkeligheten vil variere
  kontinuerlig, må også reaktans og
  kapasitansverdiene kontinuerlig endres for å
  holde spenningen konstant

80
Overføring mellom store kraftnett

• Bruk av phase shift transformer for å fremtvinge
  effektflyt i ønsket retning