Mikael Ekström Höjd nivå på mellanspänningsnätet Ali Aljawaheri

Institution för ElektronikExaminator:

Mikael Ekström

Höjd nivå på mellanspänningsnätet

Ali Aljawaheri

Mars-2007

Handledare: Lasse Husdal

Höjdnivå på mellanspänningsnivå

Ali Aljawaheri 2006-02-20

1 av (95)



2 av (95)

Abstract

Transmission of power is well known to cause power losses. One solution is to increase the voltage. The most common distribution voltage is between 10, 5 kV to 11, 0 kV, for the power distribution companies. To regulate the voltage, the transformers have five high voltage sockets. Every socket has a 2,5 % voltage difference. The transformers have a limit as the customer, at the secondary side of transformers, wants the voltage to be 420V. The purpose of this report is to examine a number of distribution lines and see what happens with the power losses when we increase the voltage level. And examine the present voltage level and see if it is acceptable. Two different lines have been examined, the overhead line (ORM) at the Orresta-station and the ground Cable (ROM) at the Romfartuna-station.

The calculation showed that an increase of voltage with 2,5% resulted in a 5% decrease of net losses. Mälarenergi Elnät AB has voltage level 10, 7-11kV in population centre and 10, 5-10, 8kV in countryside. The examination shows that the present voltage level is acceptable. We know that the distribution net consists of cables, overhead lines, measurements equipment, relays, voltage-, current-, power- and distributions transformers and generators. The most objects has a voltage construction at 12kV, but not the transformers, it means that the cables and the surge arrester are capable of a voltage increase up till 12kV. Even aged cables and the existing surge arrester etc are able to manage a voltage increase up to 12kV. The cable doesn’t lose the transmission ability with age.



3 av (95)



4 av (95)

Sammanfattning

Inom elnätsföretag överförs el till så kallade nätstationer oftast med en spänningsnivå på 10,5-11kV (så kallad mellanspänning). I nätstationerna sker transformering till lågspänning 400 V, det vill säga den spänning som flertalet kunder är anslutna till. Transformatorlindningarna i nätstationer har normalt 5 uttag på högspänningslindningen med 2,5 % spänningsskillnad för varje steg, vilket gör att en viss variationsmöjlighet finns för spänningen på mellanspänningsnätet. Det visar sig att i Sverige och i de svenska elbranscher har en spänningsnivå 10,8kV på mellanspänningsnivå.Mälarenergi Elnät AB har sin praxis på spänningsnivån 10,7kV. Undersökning och beräkning visar att nuvarande praxis för spänningshållning är godtagbar.Med nuvarande höga elpriser kan inte distributörer bara höja priset hur mycket som helst, så ett alternativ är att minska förlusterna på distributionsnätet och därmed minska kostnaderna.

I denna rapport undersöks om nuvarande praxis för spänningshållning är optimal.Undersökningen visade att praxisen av nuvarande spänningshållningen är godtagbar. Mälarenergi Elnät AB har spänningsnivå 10,7-11,0kV i tätort och 10,5-10,8kV på landsbygd. De två vanligaste transformatorer på mellanspänningsnivå är 10,5/0,4 kV och 11,0/0,42 kV.

Mest närliggande är att undersöka effekten av en höjning av spänningen med 2,5 %.I rapporten ska även ske en kartläggning på några linjer som anses representativa.Undersökning ska ske på två olika linjer, luftledning (ORM) Orresta-stationen, markkabel (ROM) Romfartuna-stationen.

Beräkningar har utförts på elnätet för att ta reda på reducering av effektförlusterna i elnätet vid spänningshöjning. Undersökningen visade att en höjning av spänningen med 2,5 % resulterade en 5 % minskning av nätförlusterna.

Mellanspänningsnätet består av kablar, friledning, mätutrustning, reläskyddsutrustning, spännings-, ström-, kraft- och distributionstransformatorer samt generatorer. De flesta objekten har en konstruktionsspänning på 12 kV, dock ej transformatorer, dvs. att kablarna och ventilavledare klarar spänningshöjning upp till 12kV. Även åldrade kablar och befintliga ventilavledare mm ska klara en spänningshöjning upp till 12kV. Kablarna tappar inte sin ledarförmåga med ålder, därmed kan andra faktorer spela roll för byte av kablar.



5 av (95)

Förord

Det här examensarbetet utfördes hos Mälarenergi Elnät AB på Teknikavdelning i Västerås under år 2006/2007.Denna rapport är resultatet av ett examensarbete. Arbetet ingår i min magisterexamen vid Mälardalens högskola i Västerås, där institutionen för elektronik gav handledning. Mälarenergi elnät AB var uppdragsgivare.

Jag vill tacka Mälarenergi som hjälpte till med arbetet. Ett speciellt tack går till Lasse Husdal för hans engagemang och hjälp i detta arbete. Avslutningsvis vill jag tacka Mikael Ekström för värdefulla synpunkter och handledning från Mälardalens högskola.

Västerås mars 2007

Ali Aljawaheri



6 av (95)



7 av (95)

Innehållsförteckning

1. BAKGRUND:...................................................................................................................................................................8

2. TEORI.............................................................................................................................................................................10

2.1. TRANSFORMATOR ......................................................................................................................................................102.3. DISTRIBUTIONSNÄT....................................................................................................................................................152.4. LINDNINGSKOPPLARE ................................................................................................................................................162.5. AKTIVA OCH REAKTIVA EFFEKTFÖRLUSTER...............................................................................................................202.6. KRAFTLEDNINGAR .....................................................................................................................................................21

2.6.1 Luftledning............................................................................................................................................................222.6.2 Kabel ....................................................................................................................................................................242.6.3 Problem med förläggning av kablar.....................................................................................................................252.6.4 Isolationsnivåer ....................................................................................................................................................252.6.5 Luftledning eller markkabel?................................................................................................................................262.6.6 Isoleringar ............................................................................................................................................................272.6.7 Utrymmesbehov ....................................................................................................................................................282.6.8 Miljö och Landskapspåverkan..............................................................................................................................292.6.9 Driftsäkerhet.........................................................................................................................................................312.6.10Framtid ................................................................................................................................................................32

2.7. SPÄNNINGSREGLERING I KRAFTSYSTEM.....................................................................................................................332.8 SPÄNNINGSHÅLLNING ................................................................................................................................................342.9 REAKTIV EFFEKT........................................................................................................................................................35

2.9.1 Reaktiv effekt med kablar och luftledning.............................................................................................................352.9.2 Styrning av reaktiv effekt ......................................................................................................................................362.9.3 Reaktiv effekt kostar pengar .................................................................................................................................38

2.10 FÖRLUSTER ................................................................................................................................................................392.10.1 Tomgångs- och belastningsförluster ...........................................................................................................412.10.2 Koronaförluster...........................................................................................................................................422.10.3 Kondensatorverkan .....................................................................................................................................42

2.11 STABILITET ................................................................................................................................................................43

3 BERÄKNING AV NÄTFÖRLUSTER.........................................................................................................................45

3.1 VAL AV KABLAR/LUFTLEDNINGAR.............................................................................................................................513.2 PRAXISEN FÖR SPÄNNINGSHÅLLNING.........................................................................................................................523.3 SPÄNNINGSHÖJNING AV TRANSFORMATORER............................................................................................................53

4 SUMMERING OCH SLUTSATSER ...........................................................................................................................54

5. REFERENSER...............................................................................................................................................................56

6. BILAGA..........................................................................................................................................................................58



8 av (95)

1. Bakgrund:

Med nuvarande höga elpriser kan inte el-distributörer höja priset hur mycket som helst, men genom att minska nätförlusterna så minskas kostnader. Undersökning av möjligheten att minska förluster på mellanspänningsnivån (10kV) genom att höja spänningsnivå på mellanspänningen skall göras. Transmission av reaktiv effekt orsakar som bekant aktiva effektförluster. Genom att generera reaktiv effekt och höja spänningen så minskas förlusterna. Denna effekt går fram och tillbaka i nätet utan att göra något nyttigt arbete.När el transporteras i kablar och ledningar försvinner alltid en del av energin under färden från producenten till konsumenten. Dessa förluster beror bland annat på att elektriciteten skapar värme i ledningen. I Sverige försvinner mellan 4 och 8 % av den elenergi som matas in i elnätet på väg fram till kunden. Eftersom elproduktion från exempelvis kraftvärmeverk resulterar i koldioxidutsläpp bidrar förlusterna i elnätet indirekt till växthuseffekten. Ett sätt att minska förlusterna är att höja spänningen. Den höjda spänningen minskar styrkan på strömmen och därmed minskar förlusterna. Spänningshöjningen kommer att ske på mellanspänningsnätet (10kV).

På mellanspänningsnätet kommer spänningen att hamna på 10,45 till 11,55 kV, för att få ut 400/420V på lågspänningssidan, vilket avsevärt minskar förlusterna i elnätet och därmed koldioxidutsläppen från produktionen av elen. Nyttan ligger i minskade förluster i ledningarna. De flesta transformatorer, som är i bruket nu, är från 60-talet. Det finns några transformatorer som inte kan spänningshöjas, därför måste de transformatorerna uppgraderas. Studien kommer att i huvudsak behandla markkablar och luftledningar på 10 kV.

Figur1.1: Elen från producent till användaren



9 av (95)

Syftet med Arbetet:

Transformatorlindningarna i nätstationer har normalt 5 steg på högspänningslindningen med 2*2,5% spänningsskillnad för varje steg, vilket gör att en viss variationsmöjlighet finns för spänningen på mellanspänningsnätet.

Det huvudsakliga syftet med arbetet är att utreda om nuvarande praxis för spänningshållning är optimal samt undersöka effekten av är en höjning av spänningen med 2,5 % och vad som då händer med nätförluster. Undersökning sker på luftledning och jordkabel samt att göra en kartläggning på några linjer som anses representativa.

Arbetet ska utgå från mellanspänningsnätet 10,5-11 kV på högspänningssida och 400-420V på lågspänningssida.



10 av (95)

2. Teori

2.1. Transformator

2.1.1 Uppbyggnad:

En transformator är en utrustning, som överför ett elektriskt förlopp från en krets till en annan. Transformatorer omvandlar elenergi från ett spänningssystem till ett annat spänningssystem med samma frekvens. Transformatorer som har till uppgift att överföra elektrisk energi från ett spänningssystem till ett annat kallas med ett gemensamt namn för krafttransformatorer. De förekommer i såväl enfas- som trefasutförande. De vanligaste är trefas transformatorer med omsättningen 132/10 kV, 132kV på den primära sidan som transformeras ner via en spole och två lindningar till 10kV på den sekundära sidan. Det som kommer att behandlas i denna rapport är distributionstransformator 11/0,4 kV.Transformatorn består i sin enklaste form av spolar och två lindningar, primär- och sekundärlindningen fördelade på båda benen av järnkärna för att den magnetiska läckningen inte skall bli för stor, transformatorns huvuddelar är kärna och lindningar. Dessa delar är grundläggande för transformatorns princip och funktion, se figuren nedan. Kärntypen med två ben, D-kärna, används endast i mindre enfastransformatorer. Se figur2.1.

Figur 2.1: Enfastransformatorns principuppbyggnad, D-kärna. [1]

Primärlindningen inducerar ett magnetiskt flöde i kärnan som utnyttjas vid sekundärlindningen, där en spänning kan tas ut. Spänningsomsättningen beror på antaletlindningsvarv på respektive sida. Spänningen beror även på frekvensen som styr flödestätheten i kärnan. Vid normal drift kan transformatorn betraktas som helt och hållet induktivt.



11 av (95)

Trefas betyder tre spänningar eller strömmar med 120° fasförskjutna ifrån varandra. I ett symmetriskt trefassystem är summan av de tre fas- eller huvudspänningarna och/eller delfasflödena är lika med noll. Av den anledningen behövs inte någon återledare.Ett exempel på det är T-kärna, se figur2.2.

Figur2.2: T-kärna[1]

Transformatorn drar i princip ingen extra magnetiseringsström.För transformatorer på stamnätsnivå kopplas lindningarna i Δ- eller Y-koppling.Se figur2.3.

Figur2.3: olika kopplingar[1]

En transformator kan i sitt enklaste utförande i princip bestå av en bladad järnkärna som förses med en primär- och en sekundär-lindning. Primärlindningen inducerar ett magnetiskt flöde i kärnan som utnyttjas vid sekundärlindningen, där en spänning kan tas ut. Spänningsomsättningen beror på antalet lindningsvarv på respektive sida. Spänningen beror även på frekvensen som styr flödestätheten i kärnan.[1]



12 av (95)

Högspänningslindningen är vanligen Y-kopplad eftersom neutral-punken kan jordas.Då transformatorns primärlindning ansluts till ett växelströmsnät uppkommer ett varierande växelflöde i järnkärnan som passerar de båda lindningarna. Därmed fårs en inducerad spänning även över sekundärlindningen. Faradays lag ger att spänningen som induceras i en lindning av ett magnetiskt flöde som påverkar den lindningen är proportionell mot antalet varv och flödets förändringshastighet.

dtd

iiiNe * 2.1.1

Spänningarna som induceras i lindningarna är proportionella mot antalet varv i lindningarna. Det är grundlagen för transformatorer.

2

1

2

1

NN

ee

2.1.2

När en transformators primär-lindning överbelastas av för mycket spänning kan kärnflödet nå mättning under maximum delen av växelströmssinus-vågen. Den överbelastade transformatorn kommer att förvrida vågformen från primär till sekundärlindning, och därmed skapa övertoner i den sekundära lindningens spänning.Transformatorer är mycket robusta komponenter vilka klarar en överspänning eller en överlast ganska bra. Den kritiska faktorn är transformatorns temperatur, som inte får bli för hög.



13 av (95)

2.2. Distributionstransformatorer

En vanlig distributionstransformator i elnätet har följande konstruktion: trebent kärna. lagerlindning för högspänningssida. lagerlindning eller folielindning för lågspänningssidan.

De transformatorer som används för att transformera spänningar mellan 10/0.4 kV är vanligen oljeisolerade. Transformatorns kärna består av laminerade stålplåtar och lindningarna är av koppar eller aluminium som är isolerade med ett lackskikt eller cellulosa. Vanligtvis är dessa distributionstransformatorer kopplade i Δ/Y eftersom de skakunna ha enfaslaster på lågspänningssidan. Storleken på transformatorn kan naturligtvis variera men brukar ligga mellan 100 kVA och 1MVA.

En modern transformator skall klara en kontinuerlig överspänning på upp till 5 %. Lagerlindningen är vanlig för distributionstransformatorer och framställs genom att låg och

högspänningslindningarna läggs i lager utanpå varandra. Den färdiga konstruktionen utförs så att respektive lågspänningslindning placeras närmast kärnbenet och högspänningslindningen placeras utanpå lågspänningslindningen. Detta förfarande är vanligast då högspänningslindningen, som har högst potential, därmed kommer längst ifrån den jordade kärnan. Konstruktionen kan principiellt ses som att varje kärnben har två lindningscylindrar utanpå varandra, se figur2.4.

Figur2.4: Distributionstransformators konstruktion[2]

En transformator med 11kV på sekundärsida med maximal omgivningstemperatur upp till 25°C, är försedd med omsättningskopplare på 5 olika lägen (+/- 2x2,5 %): 10,45 kV –10,725 kV – 11,0 kV – 11,275 kV – 11,55 kV



14 av (95)

Högspänningslindningen har en kontinuerlig nedstickande skiva med en ledande remsa i aluminium och isolering i dubbla lager. Lindningarna gjuts i vakuum med epoxyharts. Kortvariga analystester har utförts för att verifiera den elektriska påfrestningsfördelningen genom lindningarna, vilket har bekräftat den högsta tålighet hos vår utformning.

Lågspänningslindningarna består av aluminiumfolie och isolerande med hartsimpregnerad folie. Lindningen värmebehandlas i ugn, vilket resulterar i en extremt kompakt spole som kan klara av dynamiska belastningar som uppstår vid kortslutning.Se figur 2.5 nedan.

Högspänningslindning

Lågspänningslindning

Figur2.5: ABB:s Vakuumingjutna gjuthartstransformator[3]



15 av (95)

2.3. DistributionsnätDistributionsnätet på 10 kV nivå är för det mesta radialmatat se Figur2.6, och består i huvudsak av följande komponenter:

Distributionstransformatorer 10/0.4 kV. Frånskiljare. Isolatorer. Ventilavledare. Säkringar. Kablar. Luftlinor.

Figur2.6: radialmatat nät.

Ett radialmatat nät består av många delgrenar som var och en matar en transformator. Det förekommer att vissa delar av linjen består av markförlagd kabel. Andelen kablar i nätet är i nuläget inte så stort men kommer att öka i och med att luftlinjer byts ut mot markkabel. Det kommer att behandlas längre fram i rapporten. Nätet på mellanspänningsnivån består av kablar, friledning, mätutrustning, reläskyddsutrustning, spännings-, ström-, kraft- och distributionstransformatorer samt generatorer. De flesta objekten har en konstruktionsspänning på 12 kV, dock ej transformatorer.



16 av (95)

2.4. Lindningskopplare

Lindningskopplare för spänningslös omkopplingSpänningshöjningar innebär att spänningen kortvarigt ökar med mer än 3 procent över normal driftspänning. Detta är normalt inte ett problem om transformatorerna är försedda med lindningskopplare. Lindningskopplare används för reglering av spänningsnivån under drift. Avtappningarna (± 2 x 2,5 %) från högspänningslindningarna är anslutna till lindningskopplaren, som är placerad horisontellt mellan ok och tankhölje. Omkopplarspaken är monterad i höljet och skall manövreras när transformatorn är obelastad.De vanligaste lindning är i figur2.9 (a), lågspänningslindning på kärnan och högspänningslindning på lågspänningslindning.

Figur2.9: Lindningsarrangemang[5] (a) Koncentrisk. (b) Interleaved. HS står för högspänning, LS står för lågspänning.

För att kompensera för spänningsfall i ledningar och transformatorer som matar ett högspänningsnät så skall spänningen under drift regleras och då minskas de, relativt, långsamma spänningsvariationerna hos förbrukarna. I lindningskopplaren sker omkopplingen mellan två uttag utan avbrott eller kortslutning under drift. Lindningsomkopplaren sitter vanligen placerad i uppspänningslindningen där driftströmmen är lägre.

Regleringen sker så att nedsidans spänning hålls på en konstant nivå. Med 5 kopplingslägen att tillgå, där varje lägesändring normalt ger en ändring av omsättningen motsvarande 2,5 % av mittlägets märkspänning, ges ett reglerområde på ca ±20 % av huvudreglerlägets märkspänning. Vid systemtransformatorerna 400/130 kV finns av vikt-och utrymmesskäl inte lindningskopplaren inbyggd i huvudtransformatorn. De förses istället med en hjälplindning som i sin tur matar lindningskopplaren.



17 av (95)

Spänningen på lågspänningsnätet varierar beroende på vilken belastning det för tillfället är. För att kunderna skall uppfatta el-kvalitén som god är det önskvärt att hålla spänningen så konstant som möjligt. Transformatorstationerna är därför utrustade med så kallade lindningskopplare som reglerar spänningsfall vid hög belastning respektive vid låg belastning.Manuell reglering av lindningskopplare används vanligen till distributionstransformatorer.Automatisk reglering av lindningskopplare används vanligen till krafttransformatorer.Automatisk spännings reglering (ASR) används för att behålla transformatorns sekundärspänning inom förinställda gränser.Varje transformator har ett ASR relä som övervakar både spänning och cirkulerande ström. Den styr lindningskopplar positionen (LK) på så sätt att spänningen hålls inom gränsen.Spänningsminskning eller spänningshöjning i matande station regleras med lindningskopplare/lindningskopplarautomatik.

Små distributionstransformatorer

LindningarLindningarna är av koppar eller aluminium och är isolerade med antingen ren cellulosa eller dubbelt lackskikt. Dessutom är benen tillverkade så att de klarar påfrestningen vid kortvariga kortslutningar.

Lindningskopplare för spänningslös omkoppling har avtappningarna (± 2 x 2,5%) från högspänningslindningarna anslutna till lindningskopplaren, som är placerad horisontellt mellan ok och tankhölje. Omkopplarspaken är monterad i höljet och skall manövreras när transformatorn är obelastad.

Medelstora distributionstransformatorer

LindningarTransformatorns lindningar är utförda i elektrolytiskt framställd koppar eller aluminium av hög kvalitet. Högspänningslindningarna lindas antingen med lackerad rundtråd eller med formad pappersisolerad ledare eller folie. Lågspänningslindningen är utförd i formad, pappersisolerad ledare eller folie. Lindningskonstruktionen kännetecknas av hög dielektrisk styrka med högt motstånd mot tryckstötar i atmosfären och hög tålighet vid kortslutningar. Nollpunkterna i lågspänningslindningen är anslutna till tankhöljet.

Lindningskopplare för obelastad omkoppling har 5 lägen och är ansluten på högspänningssida. Spaken är placerad på utsidan av höljet. Lindningskopplaren får endast manövreras när transformatorn inte har spänning. Spänningsreglering: +/- 2 x 2,5%;



18 av (95)

Stora distributionstransformatorer

LindningarLindningsmaterialet är koppar eller aluminium. Lindningarna tillverkas av pappersisolerad fyrkantstråd i flera lager, alternativt skivformiga eller spiralformade lindningar. Transformatorer med lindningskopplare för omkoppling under belastning har ofta separata uttagslindningar.

Figur2.12: installering av lindningskopplare[6]

Normalt är transformatorerna på högspänningssida utrustade med lindningskopplare med 5 lägen för obelastad omkoppling, se figur 2.11. Spaken är placerad utanpå transformatorhöljet, se figur 2.12. När annan position skall väljas på lindningskopplaren måste transformatorn vara spänningslös. Position 1 på lindningskopplaren (plusposition) motsvarar den högsta omsättningen, vilket ger lägsta spänning på lågspänningssidan. Position 5 på lindningskopplaren (minusposition) motsvarar lägsta omsättning, vilket ger högsta spänning på lågspänningssidan. Den reaktiva effekten kan samordnas med transformatorernas lindningsomkopplare i det överliggande nätet. På så sätt kan spänningsvariationerna minskas samtidigt som antalet omkopplingar hos transformatorernas lindningskopplare kan reduceras.



19 av (95)

Syftet med spänningsreglering i distributionsnät är att kompensera för spänningsfallförorsakade av lastvariationer. I ett distributionsnät finns ett antal lindningskopplare på olika spänningsnivåer, dessa har till uppgift att reglera spänningen på nedspänningssidan av transformatorn. Spänningsregleringen sker med hjälp av en regulator som via en lindningskopplare kopplar in eller ut några extra lindningsvarv på transformatorn, se figur2.10. Regulatorn till en lindningskopplare styrs enbart på lokal spänningsmätning, någon samordning mellan olika spänningsnivåer eller branscher i nätet sker ej. Detta leder till att lindningskopplare på olika spänningsnivåer kan motverka varandra. Regulatorn består normalt av en enkel integrator med tidsfördröjning där tidsfördröjningens uppgift i första hand är att reducera störningar. Det är vanligt att alla spänningsregulatorer i ett distributionsnät har samma tidsfördröjning.

Figur2.10: Några extra lindningsvarv på trafo Figur2.11: Lindningskopplare



20 av (95)

2.5. Aktiva och reaktiva effektförluster

Ledningar:

El överförs från en transformator via ledningar till en annan transformator.Då el överförs på en ledning uppstår alltså aktiva och reaktiva förluster. De aktiva förlusterna är,

2*3 ff RIP

(där ledningen har resistansen R/fas och fI (fasströmmen))

vilket också kan uttryckas i den totala effekt som överförs på ledningen

222

222,3

QPU

RPQPS

U

SI ff

Där U anger huvudspänning. Här syns direkt att den reaktiv-beroende delen av fP

minskar kvadratiskt om överförd reaktiv effekt minskar. Det sker om den reaktiva effekten kan produceras där den behövs. Nyttan av att hålla hög spänning vid transmission framgår också tydligt. Anta att samma ledning har en reaktans (X/fas), de reaktiva förlusterna blir då:

23 ff XIQ

eller räknat i överförda effekter

222

QPU

XQ f

Ledningens kapacitans har försummats, vilket ofta görs om förbindelsen är kortare än ca 50 km.

Begreppet reaktiv effektförlust kan tolkas som ett mått på hur stor induktiv fasvridning en komponent eller ledning orsakar. En transformator har en reaktiv effektförlust 10 % vid märklast. Ett planreglerat nät minimerar flödet av reaktiv effekt.



21 av (95)

2.6. Kraftledningar

En nyckelkomponent i ett kraftsystem är kraftledningarna. Det är med hjälp av dessa som energi levereras från kraftverken till konsumenterna. Nedan behandlas hur främst friledningar, allmänt kallade kraftledningar, kan beskrivas med hjälp av matematiska modeller. Dessa, tillsammans med modeller för övriga systemkomponenter kan utgöra en modell för hela kraftsystemet. Detta är viktigt eftersom sådana modeller används för att analysera effektflöden i nätet och stabilitet mm. Därefter beskrivs hur belastningsfördelningar kan göras med hjälp av iterativa metoder.

Kraftledningar har resistans på grund av ledarresistivitet och shuntkonduktans på grund av läckströmmar i isolationen. Dessutom har de induktans som härstammar från de magnetiska fält som omger ledningen samt shuntkapacitans på grund av de elektriska fälten mellan ledarna och mellan ledarna och jord. Dessa storheter bestämmer en kraftlednings egenskaper. Ledningar kan beskrivas med enkla ekvivalenta kretsar. En friledning med längder mellan 100 och 300 km kan modelleras enligt en s.k. π-ekvivalent, se figur2.13.

Figur2.13: π-modell av en kraftledning. [7]

Si = nettoeffektproduktion i knutpunkt i

Ui = spänningsamplitud i knutpunkt i

δi = spänningsvinkel i knutpunkt i

Yik0

= halva ledningens shuntkapacitans

Yik

= 1/Zik

där Zik

ledningsimpedansen

Leveranssäkerheten är högst i tätorterna, där ledningarna i allmänhet ligger under jord och elen i de flesta fall kan matas fram på flera alternativa vägar. Idag består 90 procent av landsbygdens mellanspänningsnät (10-20 kV) av oisolerade luftledningar.



22 av (95)

2.6.1 Luftledning

Luftledning är ett gemensamt namn för friledning, hängkabelledning och hängspiralledning. I samtliga luftledningar ingår stolpar eller andra stöd samt fästdetaljer såsom krokar och reglar.Beräkningarna nedan gäller en enkelledare en-fasledare som befinner sig på en medelhöjd H över marken. Beräkning av ledarens kapacitans och induktans görs med hjälp av spegling. Istället för att räkna med markplanet som har jordpotential, ersätts det med enspegelladdning till fasledaren med motsatt polaritet. När kapacitansen beräknas så kanmarkytan antas som spegelplan, men vid beräkning av induktansen skall det magnetiskaspegelplanet användas. Om marken har hög ledningsförmåga sammanfaller det magnetiska spegelplanet med det elektriska. Har marken däremot en låg ledningsförmåga ligger det magnetiska spegelplanet under markytan.[4]

rHmL 2

2 ln0

2.6.1

rHeC 2ln

102 2.6.2

Resistansen är beroende av frekvensen och kan beräknas enligt nedanstående ekvation

c

c

c

frfrR

211

21 2.6.3

Där δ är inträngningsdjupet som beror på ett fenomen kallat ”skin-effect”. Det innebär attströmmen koncentreras mot ledarens ytterkanter. Ju högre frekvens desto markantare”skin-effect” och därmed kortare inträngningsdjup.

Luftledningslinor klara mycket höga överspänningar.Den största förändringen vid kablifiering av luftledningsnät visar sig vid jordfel.Det är allmänt känt att kabel tillför nätet väsentligt mer kapacitiv jordfelsström än luftledning. Hittills har problemet lösts genom att öka kompenseringsströmmen från petersénspolen i den matande stationen.

Petersenspolen är en enfasig reaktor som är kopplad mellan en befintlig nollpunkt och jord. Om spolen är korrekt dimensionerad kan jordfelströmmen reduceras kraftigt genom resonans, den kapacitiva felströmmen ligger i motfas med den induktiva reaktorströmmen.

Impedansförhållandet i luftledningar gör att summan av övertonerna blir avsevärt större och därför filter används för att reducera förluster men det är inte ekonomiskt.



23 av (95)

Figur2.14: Olika stolpar för olika kraftledningar[8]

10 kV radialerna i nätet finns i två utföranden, ett med luftledningar och ett med kabel. Resultaten visar att det i kabelnätet finns goda möjligheter att anslutas utan att användafilter. Det bör dock nämnas att ett mindre lågpassfilter alltid bör vara anslutet på en omriktares utgång. Kablarnas stora kapacitans och dess frekvensberoende induktans medverkar till att utbredningen av övertoner från flera kraftstationer hålles inom acceptabla nivåer. I luftledningsnät är situationen dock annorlunda. Impedans-förhållandet i luftledningarna gör att summan av övertonerna blir ansenligt större både på 10 kV nivå och hos förbrukarna. Det är generellt inte möjligt att ansluta flera kraftstationer utan att använda filter.

Luftledningar används som byggnadssätt både ur ekonomisk och praktisk synvinkel. Historiskt har detta sätt att bygga varit mycket vanligt, men på senare tid tenderat att minska av olika anledningar. Att underhålla detta byggnadssätt är ett stort och omfattande arbete. Enligt fastställda regler så skall en stolplinje, se figur2.14, besiktas med jämna mellanrum och vid dessa tillfällen besiktas årtal på stolpen om den är angripen av röta eller skadad på annat sätt, dessutom kontrolleras att den anläggning som finns på stolpen är i gott och säkert skick. Förutom detta kontrolleras att kablarna har en minsta höjd av 460 cm över allmänt befarna vägar. Förslag till matande luftledning från mälarenergi Elnät AB har vi i bilaga (6).



24 av (95)

2.6.2 Kabel

Kablarna är av koaxialtyp och består då av en inre ledare med radie r1 och en yttre ledare med radie r2. Vid beräkningarna förutsätts att alla kablar är fasmantlade eller åtminstone har ett yttre halvledande skikt. Generellt när kabelns totala induktans beräknas måstehänsyn till bidrag tas, både från den interna strukturen samt bidrag från yttre förhållanden. Den totala induktansen består då av summan av interna självinduktanser och externa partiella induktanser. Om kabelns mantel är jordad i båda ändarna kan externa påverkningar på kabelns partiella induktans försummas. Den komponent som är klart känsligast för överspänningar är kraftkabeln. Det beror på dess avancerade isolationskonfiguration som är mycket känslig för mekaniska skador. En avgörande faktor är även kablarnas fuktkänslighet. Fukt kombinerat med ett elektriskt fält ger upphov till isolationsförsvagande trädbildning.

En kabel har två till tre gånger mindre seriereaktans än motsvarande luftledning.Det innebär att två och trefasiga kortslutningar ger upphov till större felströmmar i ett kablifierat ledningsnät. Detta kan i många avseenden ses som en gynnsam effekt. Ett starkare nät fås och behovet av parallellskydd minskar också. I nätet förekommer ibland kablar på vissa sträckor. En kabel har mycket större kapacitiva egenskaper än en vanlig luftledning. Det innebär att en kabel som utsätts för återkommande spänningspulser kommer att laddas upp likt en kondensator. Kablarna i nätet är dock inte konstruerade för att överföra likspänning, utan de är vid normal drift belastade med växelspänning. De kablar som ligger nedgrävda i marken och utgör en del av det elektriska systemet kan vara utformade på olika sätt. Idag är de kablar som förläggs nästan uteslutande PEX-isolerade mot den tidigare pappersisolerade kabeln. PEX är en tvärbunden form av grundmaterialet polyeten (PE).PEX-isolerad 12 kV kabel introducerades i Sverige på 1960-talet. Sedan dess har konstruktionen utvecklats för att därigenom erhålla en längre livslängd. Den största svagheten hos PEX-kabeln är så kallad trädbildning (treeing) som sker i isolationen på grund av att fukt tränger in i den spänningssatta kabeln.

För kablar finns det angivet hur stor korttidsström de tål innan termisk skada uppstår och med hjälp av detta så kan beräkning utföras av hur snabbt en kortslutning måste brytas.En kabels tillåtna korttidsström bestäms av begynnelsetemperaturen, den maximalt tillåtna ledartemperaturen och kortslutningstiden. För att beräkna hur snabbt en kortslutning måste brytas för att inte termisk skada ska uppstå på kabeln måste den ekvivalenta korttidsstömmen för respektive kabel vara kända.

Förslag till kablar för spänning över 1 kV från ställverket till transformatorns primärsida ärEn N1XV PVC-kabel med kopparledare alternativt en N1XE polyeterkabel med kopparledare. Förslag till matande jordkabel från mälarenergi Elnät AB har vi i bilaga (6).

I rena kabelnät kommer de typer av fel som skall detekteras att vara annorlundaän i luftledningsnät. De flesta fel kommer att vara lågohmiga och bestå i överslag mellan fas och skärm eller mellan faser i samband med kabelskador.Ett annat fenomen är den kapacitiva generering som kan ta överhanden vid låga belastningar. Det kan vara svårt att alls upptäcka två- eller trefasiga fel utan jordslutning i bortre änden av mycket långa kablar.



25 av (95)

2.6.3 Problem med förläggning av kablar

Det finns en rad olika problem som visar sig i samband med att stora luftledningsnät kablifieras. Krav från olika håll gör dock att arbetet med att kablifiera näten fortgår. Inom en relativt kort tidsperiod kommer stora delar av de befintliga luftledningsnäten antingen att grävas ner helt och hållet eller att delkablifieras, allt beroende på de lokala förutsättningarna. De flesta problemen kretsar kring jordfel. Det återstår följaktligen för nätägarna att hantera problemen i samband med kablifieringsprojekten. De flesta problemen kan lösas, frågan är bara till vilket pris. De bästa lösningarna är i vanlig ordning de som kostar mest, det gäller därför att veta när dessa ska tillämpas och när det räcker med enklare metoder.När luftledningen byts ut mot kabeln så ökas den reaktiva genereringen.Många av de problem som uppstår när luftledningsnät kablifieras har förmodats kunna lösas med lokal kompensering av de kapacitiva jordfelsströmmarna.

2.6.4 Isolationsnivåer

För ett elkraftsystem med en given systemspänning har normerna tidigare krävt en visshållfasthet mot åsköverspänningar. I tabell (1) nedan visas de komponenter som används i ett 10 kV distributionsnät med 12 kV konstruktionsspänning skall tåla en 75 kV stötspänning (Lista 2 tillämpas i Sverige) och en kortvarig växelspänning på 28 kV.

Tabell (1): kortvarig stötspänning för distributionsnätet



26 av (95)

2.6.5 Luftledning eller markkabel?

En enkelkrets luftledning fordrar 8 meter bred ledningsgata, medan motsvarande bredd för en jordkabel är 3 meter. Ledningsgatan som behövs för luftledningar och jordkablar påverkar bl.a. landskapet samt jord- och skogsbruket.Det uppkommer fler fel på jordkablar än på luftledningar, och det går snabbare att reparera fel på luftledningar än på jordkablar. Utbyggnaden av jordkabelförbindelser begränsas också av höga kostnader och flera tekniska orsaker, bl.a. hög kapacitiv laddningsström. Jämfört med en luftledning har en kabel stor kapacitans, som förorsakar en stor kapacitiv laddningsström och reaktiv last i kabeln. [2]

Luftledningar kan på ett ekonomiskt sätt överföra stora effekter. Tillverkningslängden på kablarna är begränsad på grund av bl.a. tillverknings- och transporttekniska skäl. Kabeldelarna skarvas med 500 meters mellanrum och kabeländarna förses med speciella kabelavslutningar. [2]

Varningstejp___________

Fyllningsjord___________

Betongkulvert____________

Finsand_______________ Kablar______________________

Figur2.15: läggning av kabel under jorden[9]

Vid kablifiering, se figur2.15, behövs, förutom kabel, terminalstationer där kabelförbanden övergår i luftledning. Parallellt med kabelförbanden i marken kommer optokablar och jordlinor att förläggas. Se jämförelse mellan Jordkabel och Luftledning i bilaga3.



27 av (95)

2.6.6 Isoleringar

Luftledningen isoleras från de jordade stolparna med glas- eller porslinsisolatorer. Luften fungerar också som elektrisk isolering av ledningen och den utgör samtidigt kylmedel.Isolationsfel i kablar kräver alltid grävningsarbete och reparationsåtgärder.

De förluster som uppstår vid effektöverföringen värmer kabeln. Den alstrade värmen måste ledas bort från kabeln för att materialets specifika temperaturgränser inte skall överskridas. En högklassig elektrisk isolering och jordmånen försvårar avledningen av värmen. För att kabeln inte skall torka ut de omgivande jordlagren krävs ett lämpligt avstånd mellan kablarna och en lämplig belastningsström. Uttorkning av marken kan få både tekniska och biologiska följder. Plastmanteln skyddar kabeln mot korrosion.[2]

Figur2.16: En kraftledning

I en kabel isoleras strömledarna med ett fast isoleringsmaterial (se figur 2.16), vilket försvårar avledningen av värme från kabeln. Med samma ledningstvärsnitt kan inte lika mycket effekt i en kabel som i en luftledning överföras.



28 av (95)

2.6.7 Utrymmesbehov

Utrymmesbehovet beror på antalet kablar, förläggningssättet och det kylningsutrymme som lämnas mellan kablarna samt på det övriga skyddsområdet vid sidan om kabelsträckningen, se figur2.17.

Figur2.17: Utrymmen som kabeln behöverEn jordkabel grävs vanligen ner på ett djup av 1 meter. Kablarna placeras oftast i en betongkulvert eller i ett stålrör. Utrymmesbehovet för en 1 MVA jordkabelöverföring är 2-3 meter beroende på ledararean, nedläggningsdjupet, det tekniska utförandet och jordmånen samt arbetsutrymmet för nedläggning och underhåll. På platser där kablarna kopplas till apparater och byggnader bör avsevärt större utrymmen reserveras. Ifall det finns ett vattendrag på jordkabelsträckningen måste detta korsas med antingen en luftledning eller med sjökabel. Sjökablarna skiljer sig från jordkablar genom att de yttre skyddsskikten måste vara vattentäta. Dessutom ställer ankaren, trålar, bogserade laster m.m. speciella krav på sjökablarnas skyddsskikt.

Vid luftledningar och jordkablar inlöses s.k. begränsad nyttjanderätt för ledningsområdet. Detta ger ledningens ägare rätt att använda ledningsområdet och medför samtidigt begränsningar för markägarna. Där luftledningar används kan stolparnas placering och minimiavståndet till ledningarna med tanke på elsäkerheten försvåra användningen av stora arbetsmaskiner och därmed odlingen. På skogsbruksområden begränsas trädbeståndet på ledningsområdet. På ledningsgatan för en jordkabel får marken inte bearbetas djupare än en halv meter. Det är förbjudet att låta träd växa på kabelkulvertar och kanaler p.g.a. de skador som rötterna kan förorsaka.[2]



29 av (95)

2.6.8 Miljö och Landskapspåverkan

Det betonas ofta att luftledningar påverkar landskapet och kabellösningar motiveras med att deras inverkan på landskapet är obetydlig. Luftledningarnas stolpkonstruktioner och ledningsgator är vanligen väl synliga men vid planeringen av ledningens sträckning beaktar landskapet, terrängens form och vegetationstäcke. För att konstruktionerna skall fylla de tekniska krav som ställs blir de ofrånkomligen utrymmeskrävande. Förbättringar har ändå åstadkommits, då lätta material använts och fäst stor vikt vid stolparnas design och konstruktion.

En jordkabel påverkar landskapet delvis på samma sätt som en luftledning, eftersom även en kabel kräver en öppen ledningsgata, se figur2.18 nedan. Vid en kabelförbindelse påverkar stolpkonstruktionerna landskapet bara på de ställen där jordkabeln övergår i luftledning eller där den kopplas till en transformatorstation. Kabeln kan placeras längs med en väg, och skogsområden kan också kringgås, men detta förlänger naturligtvis kabelsträckningen.

En jordkabel innebär ett större behov av bearbetning och transport av jordmaterial och konstruktioner under markytan än en luftledning. Förutom röjning av ledningsgatan utmed kabelsträckningen måste ytskiktet avlägsnas och kabelkanalen grävas. Bearbetningen avytskiktet kan lämna synliga spår och förändra ytväxtligheten på området. Vid luftledningar inskränker sig behovet av jordbearbetning och transport till stolpplatserna.Jordbearbetningen för en jordkabel påverkar jordbruket och redan befintliga ledningsnät under marken. Dessutom placeras eventuella trycksättnings- och kompenseringsstationer utmed jordkabelsträckningen.[2]

Figur2.18: Hur landskapet påverkas av luftledningar och jordkablar []



30 av (95)

De flesta elbranscher har ett projekt att bygga säkrare elnät. Det utgår i första hand att isolera de oskyddade luftledningar som finns främst i skogsterräng. Den åtgärd som många förespråkar är att ersätta luftledningarna med jordkablar. Eftersom luftledningar idag ofta finns i skogsterräng kan det vara rationellt och praktiskt att kablarna förläggs i helt nya sträckningar. Det som förordas från branscherna är förläggning utefter vägar och gator. Men givetvis kommer kabelförläggning att ske även på andra ställen där det är möjligt att plöja ner kabeln.

De positiva miljökonsekvenserna av utvecklingen blir betydande. Framför allt gäller detta miljömålet Levande skogar, eftersom ett flertal befintliga ledningsgator så småningom kommer att försvinna. Även miljömålet God bebyggd miljö gynnas i viss utsträckning.

Landskapsbilden förskönas generellt genom att de flesta luftledningar med lägre spänning försvinner. Även påverkan från ledningarnas elektromagnetiska fält försvinner i stort sett genom att ledningarna grävs ned. Strålningsrisken från luftledningar med lägre spänning är liten jämfört med elektromagnetiska fält från luftledningar med högre spänning, se figur2.19.

Figur2.19: magnetfältsdämpning



31 av (95)

2.6.9 Driftsäkerhet

På mellanspännings nätets luftledningar går det snabbare att lokalisera och reparera fel än på jordkablar. Ett jordkabelfel måste lokaliseras under jorden, se bild (1) medan en luftledning i nödfall kan granskas genom patrullering till fots eller med överflygning. De mest typiska kabelfelen är mekaniska skador eller söndrad isolering till följd av yttre omständigheter.

För reparation av alla kabelfel behövs alltid ett varaktigt driftavbrott, medan de flesta fel på luftledningar är kortvarig. Det ska anlitas en expert från tillverkaren vid jordfel, felstället skall lokaliseras, kabeln skall grävas upp, repareras och testas. Innan kabeln åter är i drift kan det ta flera dagar eller till och med veckor.

En kabel har bättre egenskaper än en luftledning när det gäller kortvarig överbelastning, men när det gäller långvarig överbelastning är situationen den motsatta. Långvarig överbelastning förorsakar t.ex. uttorkning av den omgivande jorden eller snabbare åldring av kabelns isolering.

Typiska orsaker till avbrott på luftledningar är blixtnedslag, tillfällig beröring av ledningen och fel på isolatorer. Fel på en luftledning varar från bråkdelen av en sekund till några timmar. Med tanke på tillgängligheten är en luftledning avsevärt bättre än en jordkabel.En utgångspunkt i planeringen är att felen skall repareras innan de ger upphov till ytterligare fel i nätet. Vissa fel kan vid svåra förhållanden leda till landsomfattande störningar. Kablarnas långa reparationstid minskar driftsäkerheten, vilket kan innebära att flera reservkablar behöver installeras. I värsta fall innebär användning av jordkablar att det uppstår förstärkningsbehov också på annat håll i nätet.

Bild (1): felsökning och lagning av jordkabel och luftledning[9]



32 av (95)

2.6.10 Framtid

I framtiden kommer med största sannolikhet all blanktråd att bytas ut mot markkabel eller belagd lina, se bild (2). Argumenten för denna insats är ekonomiska och drifttillförlitlighet.

Enligt en utredning som presenterades av Svensk Energi den 27 november 2002 är jordkabeln det klart billigaste alternativet i längden. ”Vid en kalkylperiod på 30 år med en kalkylränta på 7 % och en inflation på 2 % ligger den beräknade totalkostnaden för ett kabelnät på cirka 20 % av kostnaden för ett motsvarande blanktrådsnät.” [1]Dämpningen av spänningsamplituden är större i en kabel än då pulsen färdas längs enluftledning. En spänningspuls som färdats omkring 5 km längs en luftledning har då dämpats ungefär 6-7 %. Om pulsen har färdats omkring 1 km i en kabel har amplituden dämpats omkring 25-30 %. Verkningsgraden är alltså bättre vid stötning på luftledningsnät med korta eller inga avsnitt med kablar. Innehåller nätet mycket kabel kommer dess kapacitiva egenskaper att bibehålla spänningsnivån, vilket medför att spänningen aldrig blir noll. Detta fenomen inträffar inte då mängden kablar är liten, för rena luftledningar har inte samma kapacitiva egenskaper som en kabel.

Andra kraftbolag har ökat sin investeringstakt för att förbättra nätet. De flesta kraftbolag planerar att bygga om och modernisera mellanspänningsnätet. De ska ersätta gamla luftledningar med antingen jordkablar eller isolerade luftledningar. I det de flesta bolag hittills har byggt är fördelningen 50 procent kablar och 50 procent isolerade luftledningar.

Jordkabel är alltid förstahandsvalet, men i vissa områden där det är bergigt och stenigt kan jordkablarna inte förläggas.

I framtiden skall ledningarna dimensioneras så att de kan klara en vindstyrka upp till 35 meter per sekund. Orkan brukar ha vindhastighet över 33 meter per sekund.

bild (2): förläggning av kablar[8]



33 av (95)

2.7. Spänningsreglering i kraftsystem

Den utrustning som är ansluten till ett kraftnät är alltid dimensionerad för ett visstspänningsintervall. Detta innebär att det är nödvändigt att hålla spänningen inom detta intervall för att utrustningen skall fungera. De flesta utrustningar är dimensionerade för 12kV förutom transformator.

Generellt sett har kunder något olika spänning eftersom alla delar i elnätet består av impedansen över vilka spänningsfall uppstår, det flyter en ström genom dem.Spänningen brukar normalt hållas inom max intervallet nominell spänning ± 10 % eller mindre.

Figuren2.20: Illustration av spänningsreglering [10]

I det visade nätet, Figur2.20, matas två kunder, D1 och D2, från ett nät vilket visas med en generator, G. Kunden D2 ger upphov till en ström, I2, vilket gör att en annan spänning i nod 4 fås jämfört med nod 3 pga. spänningsfall över impedansen i ledningen L2. Kunden D1 ökar på strömmen från I2 till I1 vilken ger ett spänningsfall genom transformatorn T och ledningen L1. Spänningsfallet över en komponent i ett kraftsystem beror på komponentens impedans och strömmen genom denna. Strömmen I1 genom ledningen L1 ger upphov till ett spänningsfall över ledningen DUL1= I1 (RL1+jXL1) där RL1och XL1 är resistans respektive reaktans för ledningen L1. Storleken på detta spänningsfall beror på hur stor strömmen är vilket i sin tur beror på storleken på hur mycket aktiv respektive reaktiv effekt som tas ut från ledningen. För noden 2 i Figur2.20 kan dessa storheter beskrivas enligt:

P2=U2I1cos() = aktiv effekt genom nod 2 2.7.1

Q2=U2I1sin () = P2 sin (�) = P2tan () = reaktiv effekt genom nod 2. 2.7.2

där är fasvinkeln mellan spänning och ström i nod 2. Som framgår av dessa uttryck så blir strömmen minimal vid given spänning och aktiv effekt om cos ()=1, dvs. =0°. Detta är fallet vid ren resistiv belastning och då blir reaktiva effekten Q2=0 eftersom sin0°=0. Minimal ström ger också minimala förluster. Om aktiv och reaktiv effekten är kända istället för strömmen, så kan spänningsfallet över ledningen approximativt beräknas enligt:

2121

211

1 42QXPR

UUU lLL 2.7.3



34 av (95)

Även här framgår det att spänningsfallet blir mindre om den reaktiva effekten hålls nere vid given aktiv effekt. Vid en reaktiv effektkonsumtion i en punkt (t ex en asynkronmotor), så kan den kompenseras med en reaktiv produktion i samma punkt (t.ex. med kondensatorer). Detta medför att den reaktiva nettokonsumtionen går ner vilket ger ovan nämnda fördelar, dvs. lägre förluster och lägre spänningsfall. Detta kallas även faskompensering eftersom fasvinkeln ”j” minskas mellan spänningen och strömmen. [3]

2.8 Spänningshållning

Spänningshållning innebär att reglering av spänningen i kraftsystemet skall kontinuerligt upprätthålls inom det intervall som är nödvändigt för att ansluten utrustning skall fungera. I stället för spänningshållning brukar ibland talas om ”reaktiv effekt”, men det är i praktiken nästan samma sak eftersom producering/konsumering av reaktiva effekten, i t ex en synkrongenerator, skall upprätthålla en given spänning. Det kan dock tilläggas att spänningshållning är en något vidare beskrivning, eftersom den även innebäratt spänningen måste ha en god kvalitet, t ex låga halter övertoner, osymmetrier,transienter etc. Det måste finnas tillräckligt mycket utrustning som kan reglera spänningen. Dessa utrustningar finns såväl hos producenter, nätägare och konsumenter. En speciell situation är vid näthaverier som minskar överföringskapaciteten mellan två regioner. I dessa situationer finns risk för spänningskollaps, dvs. spänningarna faller till oacceptabla nivåer så att utrustning kopplas bort, om det inte finns tillräckligt med reaktiva resurser på konsumtionssidan av transmissionen mellan regionerna.I Sverige är risken för spänningskollaps ett dimensionerande problem för hur mycket effekt som kan överföras från norra till södra Sverige.



35 av (95)

2.9 Reaktiv effekt

2.9.1 Reaktiv effekt med kablar och luftledning

I det svenska elsystemet försvinner mellan 7 och 8 % av den tillförda elenergin på vägen. En del av denna avsevärda förlust har samband med transport av så kallad reaktiv effekt.Reaktiv effekt genereras både i luftledningar och markkablar. Den reaktiva effekten behövs för att hålla spänningen uppe. Hos användaren förbrukas reaktiva effekten för att bygga upp magnetiska fält i motorer och belysningsanläggningar, men för att undvika överdimensionerade installationer och värmeförluster bör transporter av reaktiv effekt undvikas. Kabel har betydligt högre driftkapacitans än luftledningar, därför ökar generering av reaktiv effekt hos kabel än luftledning. Den reaktiva effekten påverkar spänningen både i distributionsnätet och i överliggande nät. För att underlätta spänningsregleringen i det överliggande nätet är det vanligt att eftersträva ett nollutbyte av reaktiv effekt från de underliggande distributionsnäten. Detta innebär att ökningen av den reaktiva effekten måste hanteras lokalt i distributionsnäten, vilket ju också innebär att krafttransformatorerna inte belastas med onyttig ström. Stora kabelnät ger stora reaktiva effektöverskott vid låg last. För ett 300 km långt 12 kV tomgående kabelnät uppgår det reaktiva effektöverskottet till 4 Mvar och förlusterna till ca 0,15 MW. Motsvarande värden för att 260 km långt 24 kV-nät är knappt 8 Mvar och 0,16 MW. Många distributionsnät med luftledning har kondensatorbatterier för att kompensera för kundernas reaktiva uttag. När luftledningen ersätts med kabel kan driftkapacitansen ta över delar eller hela den uppgiften. I nät med mycket kabel i förhållande till lasten kan det till och med bli aktuellt att installera shuntreaktorer för att få ett acceptabelt utbyte av reaktiv effekt med det överliggande nätet.

Transporten av reaktiv effekt orsakar en förlust på ca 0.5 % av den omvandlade elenergin.När luftledningen byts ut mot jordkabeln så ökas den reaktiva genereringen. Störst generering uppstår då näten är lågt lastade. Även om produktionen av reaktiv effekt minskar när kablarna lastas hårdare så innebär kablifieringen en förändring.



36 av (95)

2.9.2 Styrning av reaktiv effekt

Det finns i huvudsak tre sätt att producera reaktiv effekt: kondensatorer, synkronmaskineroch statiska omriktare. Kondensatorer kan anslutas både som shunt och i serie medan synkron-maskiner och statiska omriktare anslut som shunt. Shuntkompensering med kondensatorer kan göras på flera olika sätt. Fast kopplade till nätet eller kopplade med hjälp av kontaktorer eller tyristorer. Kondensatorer som kopplas till nätet med hjälp av kontaktorer är avsedda att kopplas några enstaka gånger per dygn. Dessa är främst avsedda för statisk kompensering. Detta innebär att de ger en i det närmaste lika stor spänningsökning oberoende av om nätet är obelastat eller fullbelastat. En nackdel med shuntkompensering är att den producerade reaktiva effekten är proportionell mot spänningen i kvadrat, vilket innebär att det genereras minst reaktiv effekt när spänningen är som lägst. Detta är en klar nackdel eftersom det är när spänningen är som lägst som behovet av reaktiv effekt är som störst, beroende på att den då behövs för attkunna höja upp spänningen igen. Kondensatorer som kopplas till nätet med tyristorer kan kopplas in och ur mycket snabbt, i millisekundsområdet. Dessa kan användas både för statisk och dynamisk kompensering. SVC är en generell benämning för olika metoder för dynamisk kompensering, vilka kan användas var för sig eller i mer eller mindre komplexakombinationer. På detta sätt kan det åstadkomma allt från en till- och frånkopplingsbarkondensator till steglöst styrda system med mycket avancerad styrning föratt både ta och ge reaktiv effekt. [6] (se bilaga2)

Reaktiv effekt är nödvändig för att bygga upp magnetfält, men har för övrigt ingen praktisk nytta. Däremot tar reaktiv effekt plats i ledningar och överföringar, ger upphov till förluster i maskiner och komponenter och begränsar utnyttjningsgraden för elektrisk utrustning. Eftersom reaktiv effekt bygger upp magnetfält betyder det att alla maskiner och apparater som behöver magnetfält för att fungera, t.ex. asynkronmaskiner och transformatorer, förbrukar reaktiv effekt .

Ofta pratas om produktion och konsumtion av reaktiv effekt, induktiva laster konsumerar reaktiv effekt och kapacitiva laster producerar reaktiv effekt. En något mer stringent förklaring är att induktiva laster skapar negativ fasförskjutning mellan ström och spänning och kapacitiva laster skapar en positiv fasförskjutning mellan ström och spänning. Så egentligen sker aldrig någon konsumtion eller produktion utan bara en fasvridning mellan ström och spänning. Eftersom de flesta laster är induktiva, i vårt fall asynkronmaskinen, så skapas det en negativ fasförskjutning på nätet. För att eliminera denna fasförskjutning så faskompenseras nätet genom anslutning av kapacitiva komponenter.



37 av (95)

Vid en faskompensering skapas en kapacitiv strömkomposant längs imaginäraxeln, Ikap, se figur 2.21, som ligger med en 180° förskjutning jämfört med ledningsströmmens induktiva komposant, I

ind. Den induktiva komposanten ligger 90° efter, och den kapacitiva

strömkomposanten 90° före den aktiva komposanten, se figuren nedan. Vid en faskompensering fullt ut är ( 1cos ), vilket leder till att den kapacitiva och den induktiva komposanten tar ut varandra och kvar finns bara ledningsströmmens aktiva komposant i x-led. Detta leder till ökad överföringsförmåga och minskade förluster på ledningar.

Figur2.21: Visardiagram som visar en ström I uppdelad i sina komposanter Iaktiv och Iind och den av kompenseringen skapade strömkomposanten Ikap. Motoriska referenser.

Det finns i princip två sätt att producera reaktiv effekt, antingen med synkronmaskiner eller med kondensatorer. När en synkronmaskin övermagnetiseras genereras reaktiv effekt. Nackdelen med befintliga synkronmaskiner är att de oftast sitter i kraftstationer som finns långt ifrån förbrukarna, och den reaktiva effekten måste då transporteras på ledningar och kablar och på så vis skapas förluster och minskad överföringsförmåga. Genom att skapa den reaktiva effekten så nära förbrukaren som möjligt, reduceras förlusterna på ledningar och kablar.



38 av (95)

2.9.3 Reaktiv effekt kostar pengar

Den reaktiva effekten pendlar i ledningarna mellan t ex motor och generator och minskar därmed nätets förmåga att överföra aktiv effekt.

I kraftöverföringssammanhang används ökning och minskning av reaktiv effekt för att styra nätspänningen. Den reaktiva effekten tar plats i ledningar och transformatorer. Överföring av växelström ger vanliga resistiva förluster samt spänningsfall. De resistiva förlusterna ger värmeutveckling. Spänningsfallet ger en lägre spänning hos mottagaren, dvs. förmågan att transportera aktiv effekt minskar. Tillförsel av reaktiv effekt kan höja spänningen, genom att höja reaktiv effekt så höjs den aktiva effekten också och därmed spänningen, IUP * , när effekten höjs så höjs även spänningen. Denna tar dock också plats i ledning, utrymme i transformator etc. och innebär i sig en extra strömtransport. I kontrakt mellan elleverantör och förbrukare förekommer ofta bestämmelser om effektfaktor och reaktiv effekt. Effektfaktorn får inte understiga ett visst värde. Förbrukaren måste också betala avgift, när det reaktiva effektuttaget överstiger en viss andel av den aktiva effekten. [5]

Huvuduppgiften för kraftsystemoperatörerna är att leverera elektricitet på ett effektivt, säkert och ekonomiskt sätt till underliggande regionnät. Det finns några grundläggande orsaker till varför det är nödvändigt att ha kontroll på effektflödet:

Förhindra (reducera) överlaster. Maskade system där ledningar med låg impedans transporterar mycket mer effekt än vad de är designade för, kan förekomma samtidigt som parallella ledningar underutnyttjas. Med hjälp aveffektreglering kan förekomsten av överlastade ledningar förhindras, vilket leder till en total ökad utnyttjandegrad av kraftsystemet.

Förlustminskningar

Regleringen av den aktiva effekten är i grunden ett flervariabelproblem av in- och utdata. Då den aktiva effekten måste överföras genom ett antal ledningar i systemet, kommer varje ändring av effekten i en ledning att följas av ändringar i andra ledningar. Starka korskopplingar mellan reglerande komponenter kan leda till oönskade resultat som klappjakt i regleringen i sådan utrustning. Därför gäller det att snabbt kunna styra effektregleringen i ett kraftsystem.



39 av (95)

2.10 Förluster

Förluster uppstår i alla elnät vid överföring av ström.De aktiva förlusterna i kraftnätet uppkommer där strömmar passerar resistansen i t.ex. ledningar. Förlusterna blir alltså låga om strömmar och resistansen bevaras små. De totala förlusterna i systemet blir summan av samtliga bidrag av typen :

P = 3 * R * I 2

Förlusterna i kraftnätet blir små om:

Strömmarna är låga. Strömmarna blir lägre vid höga spänningar eftersom överförd

effekt är proportionell mot U.I. De stora effektöverföringarna ska ske på nät med

högsta möjliga driftspänning. Stora ledarareor, d.v.s. små resistansen. När ledningssystem för höga spänningar

byggs är det naturligt att också förse dem med stora tvärsnittsareor. Det sker genom att använda grova linor och multipelledare.

Plan spänningsprofil. Då spänningsskillnaderna är stora mellan olika knutpunkter i nätet, kommer förlusterna att bli onödigt stora. Strömmar används till att utjämna spänningarna.

Statistiska centralbyrån uppger att år 1998 den regionala delen av överföringsförlusterna beräknas till 3,8 TWh. Då har de lokala förlusterna satts till 3 % av den tillförda energin.

förlusterna fördelade sig enligt följande:

stamnät 23 %regionnät 36 %

lokalnät 41 %

Transporten av den reaktiva effekten ger upphov till förluster i ledningsresistanser. Dessa förluster påverkas mycket av längden på ledningarna. Beräkningarna visar t ex att en 60 km lång 12 kV tomgående kabelradial har förluster som uppgår till ca 35 kW i tomgång medan en 30 km ren kabelradial har motsvarande förluster på ca 4 kW. Det är allmänt accepterat att reaktiv effekt bör hanteras så nära källan som möjligt. Att använda shuntreaktorer placerade ute i långa ledningar kan vara lönsamt ur förlustsynpunkt. Dessutom reduceras det totala reaktiva effektöverskottet till överliggande nät. Hänsyn till nätets belastning och dess utnyttjningstid måste beaktas för att kunna göra en fullständig förlustvärdering. Om den reaktiva lasten är stor och jämt fördelad under året kan förlusterna t o m bli lägre jämfört med om nätet är ett rent luftledningsnät eftersom kabelns kapacitans kompenserar för den reaktiva lasten. Att bygga med kabel som har lägre kapacitans, t ex med 24 kV kabel i 12 kV nät, kan också minska förlusterna och det reaktiva effektöverskottet till överliggande nät. En tomgående kabelradial med 24 kV kabel i stället för 12 kV kabel ger förluster på ca 15 kW eller en reducering på ca 20 kW jämfört med om 12 kV kabel används.



40 av (95)

Ledning med 20 km luftledning närmast stationen och 40 km kabel längst ut kan få en ca 4 % högre spänning längst ut jämfört med i matande station. Fördelningen med en tredjedel luftledning närmast matande station och två tredjedelar kabel längs ut visar sig ge högsta spänningshöjningen. Motsvarande spänningshöjning för en ren kabelradial på 60 km ger ca 1 % högre spänning längst ut. I de fall då luftledning används närmast den matande stationen och långa kablar längre ut kan omsättningen på distributionstransformatorerna behöva ändras. Problem kan uppstå om den reaktiva lasten varierar eller om driften läggs om.

I takt med att andelen kabel ökar i näten så ökar behovet av kompensering av den kapacitiva jordfelsströmmen. Detta kan åstadkommas med större nollpunktsreaktorer. Reaktorerna har emellertid en inbyggd egenskap som är svår att komma runt förluster.I en typisk reaktor uppgår förlusterna till ungefär två procent.

När det elektriska ledningsnätet transporterar låga effektmängder och det uppstår stora överskott av reaktiv effekt, skapad från lågt lastade ledningar, blir följden att spänningarna kan skjuta i höjden i de ställverk som är anslutna till långa ledningar. Dessa höga spänningar är naturligtvis bra för verkningsgraden i effektöverföring, men det finns andra mer allvarliga bieffekter med alltför höga spänningar. Sådana bieffekter kan vara: isolationsproblem, mätutrustningen inte klarar av de höga spänningarna, primärutrustning, kontrollutrustning och skenande spänningar.

För att motverka det reaktiva överskottet, används en shuntkopplade reaktor som förbrukar den reaktiva effekten som nyss var ett överskott, och därigenom hålla ner spänningarna. En reaktor har i all väsentlighet stora likheter med en spole kopplad till jordpunkt. Då en spole enligt fysikens grundregler motverkar tillståndsförändringar, samt det stora antalet kopplingar med reaktorbrytaren, ställer stora krav på primärutrustningen i reaktorenheten, speciellt brytaren.

Det sker ingen förändring över åren vad det gäller förluster. Däremot blir isolationen sämre vilket kan leda till högre temperatur eller i värsta fall kortslutning. Vid högre temperatur blir även belastningsförlusterna högre. När det gäller distributionstransformatorerna så blir det inga förlustbesparingar att räkna med eftersom belastningen är densamma på sekundärsidan som på primärsidan och därför också tomgångsförlusterna är desamma.



41 av (95)

2.10.1 Tomgångs- och belastningsförluster

I varje transformator uppstår förluster. De uppkommer dels i kärnan, eftersom denna är växelströmsmagnetiserad, dels i lindningarna. Resistansförluster kallas ofta för kopparförluster. När en transformator arbetar i närheten av märklast är resistansförlusterna dominerande.

Järnförlusterna brukar kallas tomgångsförluster, eftersom de uppträder redan i tomgång. Resistansförlusterna kallas av motsvarande skäl för belastningsförluster. Egentligen uppträder det resistansförluster också i tomgång. Tomgångsströmmen är vanligen bara några procent av märkströmmen, därför försummas dessa förluster i tomgången.

Trefastransformatorns förluster och verkningsgrad:

TotaltPömvidmärkstrsförlusterBelastning

PngmärkspännirlustervidTomgångsfö

FBN

F

,

, 0

Kortslutningsresistans per fas:

Hänförd till primärsidan KR1

Hänförd till sekundärsidan KR2

222

211 33 NKNKFBN IRIRP 2.10.1

222

211 33 IRIRP KKFB 2.10.2

Verkningsgraden.

FBF PPP

P

P

P

02

2

1

2 2.10.3

Där 2222 cos3 IUP 2.10.4



42 av (95)

2.10.2 Koronaförluster

Vid höga spänningar tilltar problemen med korona förluster i samband med ogynnsam väderlek. Orsaken till korona effekterna är de höga elektriska fälten som uppstår kring en stor ledare vid dessa höga spänningar. För att minska de elektriska fälten så används flera mindre ledare upphängda i samma fas istället.

2.10.3 Kondensatorverkan

Ett av de fysikaliska fenomenen som uppstår mellan två laddade ytor, kan beskrivas som en kondensator. En lång elledning åstadkommer då ett markant tillskott av reaktiv effekt. En tomgående ledning kan alltså ses som en kondensator. När ledningen lastas så förbrukas reaktiv effekt i ledningarna som en följd av den höga reaktansen. Vid en viss lastpunkt nås ett jämviktsläge mellan generering och konsumtion av reaktiv effekt. Denna punkt kallas SIL efter engelskans surge impedence load. Som en följd av variationerna i det reaktiva effektflödet i ledningsändarna, kommer även spänningarna att variera med lastvariationerna.

För att reglera dessa spänningsvariationer används främst tre olika sätt:

Ändra produktionen av reaktiv effekt i generatorer

Ansluta reaktorer för att konsumera reaktiv effekt

Ansluta kondensatorbatterier för att producera reaktiv effekt



43 av (95)

2.11 Stabilitet

En obalans i effekt i ett kraftsystem kan orsaka instabilitet. Det kan sägas vara en tumregel att om det finns en nettoproduktion av reaktiv effekt i en knutpunkt, blir det en hög spänning, medan en brist på reaktiv effekt resulterar i en låg spänning. För att få en god överblick och struktur på stabilitetsanalyser av kraftsystem är det ofta till en stor hjälp att klassificera de instabiliteter som kan uppstå utefter någon princip. Tre huvudklasser kan urskiljas: Vinkel-, frekvens- och spänningsstabilitet. Se figur2.22.

Figur2.22: Klassificering av stabiliteten.

Beroende av kopplingar och apparater i systemet så kan det uppstår aktiva eller reaktivaeffektobalans i systemet, globalt eller lokalt. Denna obalans kan sedan utvecklas på olika sätt och orsaka instabiliteter.

Vinkelstabilitet Med vinkelstabilitet avses förmågan hos ett sammankopplat kraftsystems synkronmaskiner att förbli synkrona med systemet efter att ha blivit utsatta för en störning.

Frekvensstabilitet Med frekvensstabilitet avses förmågan hos ett kraftsystem att upprätthålla stabil frekvens efter en kännbar störning resulterande en betydande obalans mellan produktion och last.

Spänningsstabilitet Med spänningsstabilitet avses förmågan hos ett kraftsystem att upprätthålla stabil spänning i alla knutpunkter i systemet efter från ett givet driftfall ha blivit utsatt för en störning.



44 av (95)

Läget avseende reaktiv effekt är inte lika enkel, som aktiv effekt. Här gäller att det måste vara balans mellan inmatat och förbrukad reaktiv effekt i varje knutpunkt. Detta är i själva verket en direkt konsekvens av Kirchhoffs första lag. Obalans i kraftsystem är att den inmatade reaktiva effekten i den aktuella knutpunkten är låg vilket leder till att spänningen i knutpunkten blir låg.

Vid låglast kan det istället vara så att den inmatade reaktiva effekten är för hög, viket innebär att spänningen blir högre än den som utrustningen är dimensionerad för. Detta är naturligtvis inte önskvärt, men det brukar inte leda till att någon instabilitet utvecklas. Obalans i systemet är att den verkliga injicerade reaktiva effekten avviker från den önskade injicerade reaktiva effekten, som behövs för att upprätthålla den önskade spänningen. Om avvikelsen, eller obalansen, blir för stor blir spänningarna oacceptabla.

Eftersom reaktiv effekt är en mer lokal storhet än aktiv effekt, den kan inte transporteras lika lätt i ett kraftsystem då normalt X >> R, kommer dessa spänningsproblem ofta att vara lokala och uppträda i begränsade delar av systemet. När denna obalans leder till att instabiliteter utvecklas i systemet så uppkommer ett spänningsinstabilit eller spänningskollaps. I det senare fallet utvecklas instabiliteten så att spänningen blir oacceptabelt låg, men även motsatsen med för hög spänning kan förekomma.

Långsam spänninsginstabilitet kan utvecklas gradvis genom en brist på reaktiv effekt i en nod eller del av systemet har uppstått. Även om spänningsinstabilitet är starkt kopplat till den reaktiva effekten så spelar den aktiva effekten en mycket viktig roll. Många laster har inte effektfaktorn 1. Därför resulterar en ökning av aktiv effekt också i en reaktiv effektökning. Dessvärre så är ju de reaktiva effektförlusterna i ledningarna proportionella mot kvadraten på den överförda effekten, vilket innebär att hårt belastade ledningar kommer att påverka den reaktiva effektbalansen starkt. Synkronmaskiner och andra reaktiva effektproducenter spelar ibland en mycket förrädisk roll i detta sammanhang. Dessa kan ofta kortvarigt överbelastas och producera mer reaktiv effekt än i stationär drift, och under denna tid kan spänningarna bibehållas på acceptabla nivåer. Men när slutligen skydd eller regleringrepp drar ned den reaktiva produktionen till den stationära gränsen för att undvika skador på utrustningen, kommer spänningarna att falla drastiskt, som ibland kan leda till en kollaps. De bidragande faktorerna vid en långsam spänningsinstabilitet är:

Laståterhämtning efter fel.

Lastökning.

Reaktiva förluster i ledningar som en följd av stora effektöverföringar.

Bortfall av reaktiv effektproduktion.

Strömbegränsare hos generatorer.

I det första fallet ovan är regleringen av lindningskopplare på transformatorer av stor betydelse. En spänningssänkning på uppspänningssidan kommer att synas på nedspänningssidan av transformatorerna, vilket i regel leder till en minskning av lasternas effektuttag. Emellertid kommer lindningskopplarregleringen att återställa spänningen på nedspänningssidan så att spänningen återställs och därmed också lasternas effektuttag. Detta har i de allra flesta fall en destabiliserande inverkan på spänningsstabiliteten.



45 av (95)

3 Beräkning av nätförluster

Exempel:En sändarstation med beteckningen (ET701) matas via en 0,65 km lång 10kV trefasluftledning. Med resistansen 0, 32ohm/km, fas och reaktansen 0, 31ohm/km, fas. Mottagningsstationens effekt är262, 4kW och reaktiv effekt 138, 4kVAr och spänningen 10, 634kV. Spänningen i mottagarända samt nätförluster ska beräknas.

Data:Kabel: 10kVFrån: ORM(mottagningsstation)Till: ET701Kabeltyp: ACJJ 95/0Längd: 646,65mR: 0,32ohm/km, fasX: 0,31ohm/km, fas

1P : 262,4kW

1Q : 138, 4kVAr

1U : 10, 634kV

Figur3.1.1: En Linjemodell

R=L(km) * R (per fas,km) =0,64665 * 0,32 =0,206928X=L(km) * X (per fas,km)=0,64665 * 0,31=0,2004615

Skenbareffekt räknas först med hjälp av nedanstående ekvationen.

kVAQPS 7,2964,1384,262 2221

211 3.1.1

Därefter räknas effekt faktorn medhjälp av nedanstående ekvation.

8844,07,296

4,262cos

1

11

kVA

kW

S

p 3.1.2



46 av (95)

Strömmen, I, beräknas:

AkV

kVA

U

SI 1,16

634,10*3

7,296

3 1

1 3.1.3

Nätförlusterna beräknas efter att ha räknat ut strömmen.

kWIRPf 162,01,16*206928,0**3 22 3.1.4

kVArIXQ f 156,01,16*2004615,0**3 22 3.1.5

De aktiva och reaktiva nätförlusterna minskas från sändarändans aktiv och reaktiv effekt för att få mottagaändans aktiv och reaktiv effekt. Se ekvationen nedan.

kWPPP f 238,262162,04,26212 3.1.6

kVArQQQ f 244,138156,04,13812 3.1.7

När mottagarändans effekt har räknats så ska mottagarändans skenbar effekt räknas med ekvationen 3.1.1 , se ekvationen nedan.

kVAQPS 446,296244,138238,262 2222

222

När mottagarändans skenbara effekt har räknats ut så kan tillämpas ekvationen 3.1.3 och få ut mottagarändans spänning. Se nedan.

kVA

kVA

I

SU 63,10

1,16*3

446,296

32

2

Med samma metod beräknades i Excel hur nätförluster ( fP och fQ ) uppträder sig vid 2,5

% spänningshöjning av Mellanspänningsnätet.

Undersökningen skede på två olika linjer:

Luftledning (ORM) Orresta-stationen. Markkabel (ROM) Romfartuna-stationen.

Undersökning av dem linjer skede innan spänningshöjning och efter spänningshöjning, och kom fram till att med 2,5 % spänningshöjningen ger en nätförlust minskning.Se bilaga7 och 8.



47 av (95)

Luftledning (ORM) Orresta-stationen

Tabell2: Värden på Pf och Qf innan spänningshöjning Tabell3: Värden på Pf och Qf efter Tabell4: Värden på Pf och Qf efter spänningshöjning spänningshöjning

Med 2,5 % Med 2*2, 5 %

I tabell2 har värden på nätförlusterna ( fP och fQ ) beräknats innan spänningshöjningen.

De här värdena är beräknade efter teoretiska beräkningar som gjordes tidigare i lösningen ovan, se figur3.1.1. Beräkningen gjordes på Orresta stationen mellan ORM och ET7057/ET7053. I varje rad har det beräknats både de aktiva och reaktiva förluster, nätförluster, mellan varje knutpunkt som berodde på längden i km. Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev fP =0, 879 kW och fQ =1, 079 kVAr.

I tabell3 har värden på nätförlusterna ( fP och fQ ) beräknats efter spänningshöjningen

med 2,5 %. Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev fP =0, 837 kW och

fQ =1, 027 kVAr.

I tabell4 har värden på nätförlusterna ( fP och fQ ) beräknats efter en spänningshöjning

med 2*2, 5 %. Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev då fP =0, 797

kW och fQ =0, 977 kVAr.

kW(Pf) kVAr(Qf)0.145899639 0.1413402759.72835E-06 9.72835E-060.005807825 0.0058078250.152257116 0.512137572

0.00420217 0.004202170.226390119 0.169263640.014436447 0.0107936060.015502213 0.011590440.057563486 0.043038120.000393974 0.0003939740.095827537 0.0716467570.092420463 0.0690994110.015512718 0.0115982940.044107364 0.0329774680.025555642 0.0191070220.044318267 0.0140341180.002294851 0.0017157760.000453664 0.0003391880.797053585 0.977755111

kW(Pf) kVAr(Qf)0.161045902 0.1560132181.07383E-05 1.07383E-050.006410753 0.0064107530.168063367 0.565304053

0.00463841 0.004638410.249892331 0.1868353880.015935137 0.0119141210.017111543 0.0127936770.063539318 0.0475060320.000434874 0.0004348740.105775671 0.079084614

0.102014898 0.0762728210.017123138 0.0128023460.048686277 0.0364009550.028208647 0.0210905770.048919075 0.015491040.002533086 0.0018938960.000500761 0.00037440.879798022 1.079258695

kW(Pf) kVAr(Qf)0.153285808 0.1484956271.02208E-05 1.02208E-050.006101847 0.0061018470.159965132 0.5380645360.004414905 0.0044149050.237851118 0.1778326120.015167293 0.0113400320.016287013 0.0121772060.060477637 0.0452169250.000413919 0.0004139190.100678806 0.0752738740.097099249 0.0725975690.016298049 0.0121854570.046340299 0.0346469530.026849396 0.020074315

0.04656188 0.0147445950.002411028 0.0018026370.000476631 0.000356360.837404423 1.027253963



48 av (95)

Tabell5: Den procentuella skillnaden av olika spänningshöjning

I tabell5 ovan beräknades den procentuella minskningen av nätförluster ( fP och fQ ) vid

spänningshöjningen. Tabellen ovan visar att med varje 2,5 % spänningshöjning så reduceras nätförlusterna ( fP och fQ ) med 4,82 %. Nätförlusterna reducerades med ca 5

% vid spänningshöjning från 10634V till 10900V och reducerades med ca 10 % vid spänningshöjning från 10634V till 11172V.

minskning Pf och Qf_ORM

Pf Qf0% 0,879798022 1.079258695

2,50% 0.837404423 1,027253963minskning med 4.82%

2x2,5% 0.797053585 0,977755111



49 av (95)

Gammal markkabel (ROM) Romfartuna-stationen

Tabell6: Värden på Pf och Qf innan Tabell7: Värden på Pf och Qf efter Tabell8: Värden på Pf och Qf efter spänningshöjning spänningshöjning spänningshöjning

Med 2,5 % Med 2*2, 5 %

I tabell6 beräknades nätförlusterna ( fP och fQ ) innan spänningshöjning.

De här värdena är beräknade efter teoretiska beräkningar som gjordes tidigare i lösningen ovan, se figur3.1.1. Beräkningen gjordes på Romfartuna stationen mellan ROM och ET8611/22963X. I varje rad har det beräknats både de aktiva och reaktiva förluster, nätförluster, mellan varje knutpunkt som berodde på längden i km. Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev fP =4,524 kW och fQ =2,225kVAr.

I tabell7 beräknades nätförlusterna ( fP och fQ ) efter spänningshöjningen med 2,5 %.

Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev fP =4, 279 kW och fQ =2, 104

kVAr.

I tabell8 beräknades nätförlusterna ( fP och fQ ) efter spänningshöjningen med 2*2,5 %.

Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen blev då fP =4, 048 kW och

fQ =1, 991 kVAr

kW(Pf) kVAr(Qf)4.38861E-05 4.38861E-053.074881629 1.585485840.022611583 0.0226115830.021746424 0.0217464240.015112948 0.0151129480.586824256 0.3025812570.253487672 0.134455245.29405E-06 5.29405E-060.006318385 0.0033514060.001437633 0.0028752670.524394544 0.1203528460.006907873 0.0066920020.007299511 0.0070714016.99772E-05 6.77904E-050.000243176 0.0002355770.003176587 0.0030773192.86494E-05 2.86494E-053.79004E-05 3.79004E-053.40832E-05 3.40832E-052.26315E-05 2.26315E-054.524684644 2.225889344

kW(Pf) kVAr(Qf)3.91635E-05 3.91635E-052.746600408 1.4162158350.020246121 0.020246121

0.0194743 0.01947430.013536294 0.013536294

0.52691466 0.2716903720.227659724 0.1207555484.75233E-06 4.75233E-060.005675195 0.0030102440.001291287 0.002582575

0.47105618 0.1081112540.006201427 0.0060076320.006553014 0.0063482326.25626E-05 6.06075E-050.00021741 0.000210616

0.002840003 0.0027512532.56028E-05 2.56028E-05

3.387E-05 3.387E-053.04587E-05 3.04587E-052.02249E-05 2.02249E-05

4.048482658 1.991154956

kW(Pf) kVAr(Qf)4.1445E-05 4.1445E-05

2.905218815 1.4980034520.021387991 0.0213879910.020574004 0.020574004

0.014297924 0.0142979240.555874997 0.286623046

0.24017291 0.1273928075.01497E-06 5.01497E-060.005988185 0.003176260.001362502 0.002725005

0.49724379 0.1141215260.006537649 0.006333348

0.006908298 0.0066924146.62513E-05 6.4181E-050.000230228 0.0002230330.003007451 0.0029134682.70836E-05 2.70836E-053.58289E-05 3.58289E-053.22204E-05 3.22204E-052.13946E-05 2.13946E-054.279033986 2.104691447



50 av (95)

Tabell9: Den procentuella skillnaden av olika spänningshöjning

I tabell9 ovan beräknades den procentuella minskningen av nätförluster ( fP och fQ ) vid

spänningshöjning. Tabellen ovan visar att med varje 2,5 % spänningshöjning så reduceras nätförlusterna ( fP och fQ ) med 5,4 %. Nätförlusterna reducerades med ca 5,5 % vid

spänningshöjning från 10700V till 10970V och reducerades med ca 11 % vid spänningshöjning från 10700V till 11240V.

minskning Pf och Qf_ROM

Pf Qf

0% 4.524684644 2.225889344

2.50% 4.279033986 2.104691447 minskning med 5.4%

2x2.5% 4.048482658 1.991154956



51 av (95)

3.1 Val av kablar/luftledningar

I tabell10 och 11 nedan visas jämförelse pris mellan 10kV jordkabel och luftledning.

Luftledning24 kV friledning klass B

Arbete

kr/km

Kostnad material

kr/km

Kostnad maskiner

kr/km

Övrigt

kr/km

Summan Inkl intrång, röjning, fördyrad avverkning.Kr/km

FeAl 3x99 mm² NB 78100 94500 22000 26700 221000

FeAl 3x157 mm² NB 78100 132000 22000 26700 258000

Tabell10: pris på läggning av luftledning.

JordkabelJordkabel Landsbygd 12kV

Arbete

kr/km

Kostnad material

kr/km

Kostnad maskiner

kr/km

Övrigt

kr/km

Summan Inkl intrång, röjning, fördyrad avverkning.Kr/km

PEX 3x95 mm² NB 72200 122000 38400 17400 250000

PEX 3x150 mm² NB 73300 148000 39400 17500 279000

Tabell111: pris på läggning av jordkabel.

För att se hela tabellen se bilaga4.

I tabell10 och 11 ovan visar att materialet för jordkabeln är dyrare än luftledning, men arbetet är billigare, plus att det är mindre underhåll och mindre fel med jordkablarna än luftledningar. Jämförelse mellan att lägga jordkabeln istället för luftledningen för 400kV och 10kV så visar det sig att det är 50ggr dyrare att lägga 400kV jordkabel, däremot är det 8-13 % dyrare att lägga 10kV jordkabel. Enligt ett examensarbete som gjordes 2003 vidChalmers presenterades att jordkabeln är det klart billigaste alternativet i längden. [7]



52 av (95)

3.2 Praxisen för spänningshållning

Mälarenergi Elnät AB har spänningsnivå 10,7-11,0kV i tätort och 10,5-10,8 på landsbygd och de två vanligaste transformatorer på mellanspänningsnivå är 10,5/0,4 kV och 11/0,42 kV. Mälarenergi Elnät AB har 1100 st 10,5/0,4 kV transformatorer, de äldsta är i från 1945, men de flesta installerades mellan 1960-1990 med andra ord, dessa transformatorer behöver inte bytas nu för de klarar en spänningshöjning. Men inte hur mycket som helst, det är inte att transformatorer inte klarar det, nej, det är för att nätet på mellanspänningsnivån består av kablar, friledning, mätutrustning, reläskyddsutrustning, spännings-, ström-, kraft- och distributionstransformatorer samt generatorer. De flesta objekten har en konstruktionsspänning på 12 kV, men inte transformatorer.

Figur3.1.2: Vid distribuering av 11kV så tappas effekten på vägen till kunde och därmed spänningen.

Spänningen närmast nätstationen och dem som bor närmast stationen kan få för hög spänning (11kV). Och de som bor längst bort från stationen kan få för låg spänning (10, 5kV), se figur3.1.2, det beror på att beroende på kabelns längs så tappas en vis effekt på vägen till kunden och därmed förloras en vis spänning. För att lösa det problemet valdes spänningen till 10.7-10.8kV. Observera att det beror på längden på kablarna. spänningen på lågspänningssidan bör ligga mellan 400-420V. Se bilaga 5. Spänningen i anslutningspunkten är 10,8 kV. Spänningsfallet i utgående ställverksfack får ej överstiga 3 % och i anslutningspunkten vid kundens anläggning är gränsen 4 %. Lägsta spänning blir alltså 10,476 kV respektive 10,368 kV.



53 av (95)

3.3 Spänningshöjning av Transformatorer

I uppgiften valdes två transformatorer. För att ta reda på hur transformatorerna klarade av en spänningshöjning, gjordes en omsättningstabell för transformatorer med två olika märkspänningar, se bilaga 5. Där visas de olika spänningsnivåerna beroende på transformatorns omkopplingsläge.

Den utrustning som är ansluten till ett kraftnät är alltid dimensionerad för en viss spänningsintervall. Detta innebär att det är nödvändigt att hålla spänningen inom detta intervall för att utrustningen skall fungera.

Det sker ingen förändring av transformatorns förluster när den åldras. Däremot blir isolationen sämre vilket kan leda till högre temp eller i värsta fall kortslutning. Vid högre temp blir även belastningsförlusterna högre. När det gäller distributionstransformatorerna så blir det inga förlustbesparingar att räkna med eftersom belastningen är densamma på sekundärsidan som på primärsidan och därför också tomgångsförlusterna är desamma.

Mellanspänningsnivån består av kablar, friledning, mätutrustning, reläskyddsutrustning, spännings-, ström-, kraft- och distributionstransformatorer samt generatorer. De flesta objekten har en konstruktionsspänning på 12 kV, dock ej transformatorer. Dvs. att kablarna och ventilavledare klarar spänningshöjning upp till 12kV.



54 av (95)

4 Summering och slutsatser

I denna rapport undersöktes om nuvarande praxis för spänningshållning är optimal.Undersökningen visade att praxisen av nuvarande spänningshållningen är godtagbar. Mälarenergi Elnät AB har spänningsnivå 10,7-11,0kV i tätort och 10,5-10,8kV på landsbygd. Varför de praxis på Mälarenergi Elnät AB och inte högre spänning, beror på att kunden ska ha en spänning på 400-420V. Mälarenergi Elnät AB måste se till att hålla spänningen på sekundär sidan av transformator till en viss spänningsnivå beroende på om det är tätort eller landsbygd, och beroende på längden av kabeln, där det förloras litte effekt på vägen till kunden, så Mälarenergi Elnät AB måste se till att kunden ska ha en spänningsnivå mellan 400V och 420V. Därför spänningen närmast nätstationen och dem som bor närmast stationen kan få för hög spänning (högre än 11kV). Och dem som bor längst bort från stationen kan få för låg spänning (lägre än 10,5kV). För att lösa det problemet valdes spänningen till 10.7-10.8kV. Observera att det är längden på kablarnasom bestämer spänningen. Spänningen på lågspänningssidan bör ligga mellan 400-420V.Se bilaga 5. Lägsta spänning i tätort blir 10,476 kV respektive 10,368 kV för landsbygd.

I rapporten har även effektförluster och effekten av en spänningshöjning undersökts. Det har nämnts ovan att spänningen inte kan höjas hur mycket som helst för att kunden ska ha en given spänning mellan 400V till 420V, och sedan beror det på att de flesta objekt från distributionsnätet har en konstruktionspänning på 12kV, men inte transformatorer. Två olika linjer har undersökts, luftledning (ORM) Orresta-stationen, markkabel (ROM) Romfartuna-stationen. Undersökning av linjerna gjordes före och efter spänningshöjningen. Det har gjorts beräkningar på Orresta stationen mellan ORM och ET7057/ET7053.

Summan av de aktiva och reaktiva förluster på vägen beräknades till:

fP =0, 879 kW och fQ =1, 079 kVAr.

Efter en spänningshöjning med 2,5 % (10634V till 10900V):

fP =0, 837 kW och fQ =1, 027 kVAr.

Efter en ytterligare spänningshöjning med 2, 5 % (10634V till 11172V):

fP =0, 797 kW och fQ =0, 977 kVAr.

Beräkningen visade att en höjning av spänningen med 2,5 % resulterade i en 5 % minskning av nätförlusterna ( fP Och fQ ) per steg. Se bilaga7.

Det gjordes några beräkningar på Romfartuna stationen mellan ROM och ET8611/22963X. Summan av de aktiva och reaktiva förlusterna på vägen och resultatet blev:

fP =4, 524 kW och fQ =2, 225kVAr.



55 av (95)

Efter en spänningshöjning med 2,5 % (10700V till 10970V):

fP =4, 279 kW och fQ =2, 104 kVAr.

Efter en ytterligare en spänningshöjning med 2, 5 % (10700V till 11240V):

fP =4, 048 kW och fQ =1, 991 kVAr.

Beräkningen visade att en höjning av spänningen med 2,5 % resulterade i en 5,5 % minskning av nätförlusterna ( fP Och fQ ) per steg. Se bilaga 8.

Slutsatsen visar att vid en viss spänningshöjning, på transformatorn, så kommer linjeförlusterna att minskas. Det är effektivt att höja spänningen en gång, dvs. en höjning på 2,5% för att det finns kablar och ventilavledare mm som inte klarar högre spänning än 12kV. De utrustningar som är anslutna till ett kraftnät är alltid dimensionerad för en viss spänning. Detta innebär att det är nödvändigt att hålla spänningen inom detta intervall för att utrustningen skall fungera.

Mellanspänningsnätet består av kablar, friledning, mätutrustning, reläskyddsutrustning, spännings-, ström-, kraft- och distributionstransformatorer samt generatorer. De flesta objekten har en konstruktionsspänning på 12 kV, men inte transformatorer, dvs. att kablarna och ventilavledare klarar spänningshöjning upp till 12kV. Även åldrade kablar och befintliga ventilavledare mm ska klara en spänningshöjning upp till 12kV. Kablarna tappar inte sin ledarförmåga med ålder, därmed kan andra faktorer spela roll för byte av kablar.

Enligt ett examensarbete som gjordes 2003 i Chalmers presenterades att jordkabeln är det klart billigaste alternativet i längden och har analyserat totalkostnaderna för de nya näten. Om hänsyn tas till investeringar, driftkostnader, underhåll, förväntade störningskostnader, kostnader för kunderna vid elavbrott mm, blir resultatet att jordkabel är billigare än både friledning och belagd luftledning [7]. Det finns risk att välja lösningar som ger snabbt resultat, t.ex. belagd luftledning istället för jordkabel, trots att jordkabel på längre sikt har betydligt lägre kostnader. Kablifiering av mellanspänningsnäten kommer att leda till att nätföretagens kostnader för underhåll av näten och deras kostnader i samband med elavbrott sjunker på längre sikt. Om ett friledningsnät i skogsmark utsätts för storm kan risken vara stor för elavbrott. De flesta företag väljer i första hand att plöja ner jordkabel för att isolera ledningarna. När markens beskaffenhet eller andra skäl inte tillåter plöjning av kabel väljer många att bygga belagd luftledning. Jordkabel är den ledningstyp som i de flesta fall ger de lägsta totalkostnaderna på lång sikt, medan isolerad luftledning oftast är billigare på kort sikt.



56 av (95)

5. Referenser

Texter:

1. http://epubl.ltu.se/1402-1617/2006/147/LTU-EX-06147-SE.pdf#search=%22v%C3%A4xelstr%C3%B6msinusv%C3%A5gen%222006-11-16

2. www.fingrid.fi/attachments/svenska/publikationer/GenomLuften.pdf2007-01-20

3. http://www.elforsk-marketdesign.net/archives/2001/reports/system.pdf2006-12-06

4. www.elteknik.chalmers.se/Publikationer/HSP.publ/Abstract/2003/brandstromMSc.pdf

2006-10-025. http://www.stem.se/web/otherapp/eting.nsf/id/E3D8167C87516405C125

6BB3001F7CF2/$file/Kjeang.pdf2006-11-16

6. http://www.vindenergi.org/teknikbev/Info_5_01.pdf2006-10-02

7. www.elteknik.chalmers.se/Publikationer/HSP.publ/Abstract/2003/brandstromMSc.pdf2006-10-02

8. Elkraftnät och deras drift9. Franzén, Thomas, Elkraftteknik10.Gönen, Turan, Electric power distribution system engineering11.Kennedy, Barry W., Energy efficient transformers12.Elkraftsystem 2, Liber AB13.Elkraftsystem, Ghassan El-Batal

Bilder:

1. Rejminger, Anders (1986). Transformatorer. Ur: Elkraftteknisk handbok 2 –Elmaskiner.

2.http://www.stem.se/WEB%5CSTEMFe01e.nsf/V_Media00/C12570D10037720FC1256F8800352AB5/$file/Bilaga%20E1a%20%20%C3%96versp%C3%A4nningar%20i%20l%C3%A5gsp%C3%A4nningsn%C3%A4tet.pdf 2006-10-02

3. http://library.abb.com/GLOBAL/SCOT/scot252.nsf/VerityDisplay/C1256B3C00492DA6C1256ED2003D9FD5/$File/1LES100008-ZD_VAC_CAST_COIL_04_04_swe.pdf 2006-11-20

4. http://www.iea.lth.se/et/G5_05.pdf 2007-01-26

5. McPherson, George Jr.; Pullen, Keats A.



57 av (95)

6. http://www.reinhausen.com/mr/en/file/download/t/download/id/731/name/08104060sv.pdf 2006-12-01

7. Nagrath I. J. Modern Power System Analysis. ISBN 0074517996, McGraw-Hill.

8. http://archive.ericsson.net/service/internet/picov/get?DocNo=28701- SV/LZT108511&Lang=EN 2006-10-15

9. http://www.fingrid.fi/attachments/svenska/publikationer/GenomLuften.pdf2007-01-20

10. http://www.elforsk-marketdesign.net/archives/2001/reports/system.pdf2006-11-29



58 av (95)

6. Bilaga

Bilaga(1)

Typisk struktur av det svenska distributionssystem.



59 av (95)

Bilaga(2):

Tabellen visar olika tänkbara lösningar för reaktiv effektkompensering.



60 av (95)

Bilaga(3)

Jämförelse mellan Jordkabel och Luftledning , 10-kV i Distributions nät.

Typ av kraftledning

Fördelar Nackdelar Kommentarer

Jordkabel

En kabel har två till tre gånger mindre seriereaktans än motsvarande luftledning.

Jämfört med en luftledning har en kabel stor kapacitans, som förorsakar en stor kapacitiv laddningsström och reaktiv last i kabeln.

Dämpningen av spänningsamplituden är större i en kabel än luftledning.

Kabelns strömledare är mycket tjockare än luftledarens.

Underhållskostnaderna är betydligt lägre för markförlagd kabel jämfört med luftledningarna. För luftledningar tillkommer kostnader för röjning och avverkning utmed ledningsgatorna.

En annan fördel med jordkabel är att minska antalet ledningsgator genom skogen ochdet produktionsbortfall de medför för skogsnäringen.

.

Den största förändringen vid kablifiering av luftledningsnät visar sig vid jordfel.

Den reaktiva genereringen ökas då man byter ut luftledning mot kabel.

Det uppkommer fel på jordkablar betydligt mera än på luftledningar.

En jordkabel innebär ett större behov av bearbetning och transport av jordmaterial och konstruktioner under markytan än en luftledning.

Felet lokaliseras under jorden, grävs upp och repareras, vilket kan ta dagar eller veckor.

En 10-kV jordkabels hela installationskostnader är lite dyrare än luftledning.

Det är allmänt känt att kabel tillför nätet väsentligt mer kapacitiv jordfelsström än luftledning.

Det innebär att en kabel som utsätts för återkommande spänningspulser kommer att laddas upp likt en kondensator.

Många av de problem som uppstår när luftledningsnät kablifieras har förmodats kunna lösas med lokal kompensering av de kapacitiva jordfelsströmmarna.

Den vanligaste orsaken till fel på kablar är isolationsfel.

Vid fel på kablar kan det uppstå oljeläckage.



61 av (95)

Luftledning

Luftledningslinor klara mycket höga överspänningar.

Det går cirka 25 gånger snabbare att reparera fel på luftledningar än på jordkablar.

Med luftledningar kan man på ett ekonomiskt sätt överföra stora effekter.

Fel på luftlinjer varierar mellan sekunder till några timmar.

Impedans förhållandet i luftledningarna gör att summan av övertonerna blir ansenligt större både på 10 kV nivå och hos förbrukarna.

En luftledning har inte alls samma förmåga att lagra laddningar som en kabel har.

Ledningsgatan för en luftledning är mycket bredare än Kabelns.

luftledningar påverkar landskapet.

Luftlinjen och stolpkonstruktion påverkar miljön och ledningsgatan är vanligen synliga.

Det är generellt inte möjligt att ansluta flera kraftstationer utan att använda filter.

När det gäller långa sträckor så är luftledningar mera hållbart än markkablar,för att man kan överföra stora effekter med luftledningar än kablar.Miljön och landskapetsUtseende har stor betydelse i dagsläget.

Typisk avbrott på luftlinjer förorsakas av blixtnedslag, tillfällig beröring av ledningen och fel på en isolator.



62 av (95)

Bilaga(4)



63 av (95)



64 av (95)

Bilaga(5)



65 av (95)



66 av (95)

Bilaga(6)



67 av (95)



68 av (95)



69 av (95)



70 av (95)

Bilaga(7)



71 av (95)



72 av (95)



73 av (95)



74 av (95)



75 av (95)



76 av (95)



77 av (95)



78 av (95)



79 av (95)



80 av (95)



81 av (95)



82 av (95)



83 av (95)

Bilaga(8)



84 av (95)



85 av (95)



86 av (95)



87 av (95)



88 av (95)



89 av (95)



90 av (95)



91 av (95)



92 av (95)



93 av (95)



94 av (95)

Documents

Mikael Ekström Höjd nivå på mellanspänningsnätet Ali Aljawaheri